【硬見小百科】芯片是什么詳解

大家都是電子行業(yè)的人，對芯片，對各種封裝都了解不少，但是你知道一個芯片是怎樣設(shè)計出來的么？你又知道設(shè)計出來的芯片是怎么生產(chǎn)出來的么？看完這篇文章你就有大概的了解。

復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計流程

芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片（這些會在后面介紹）。然而，沒有設(shè)計圖，擁有再強制造能力都沒有用，因此，建筑師的角色相當重要。但是 IC 設(shè)計中的建筑師究竟是誰呢？本文接下來要針對 IC 設(shè)計做介紹。

在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專業(yè) IC 設(shè)計公司進行規(guī)劃、設(shè)計，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel 等知名大廠，都自行設(shè)計各自的 IC 芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因為 IC 是由各廠自行設(shè)計，所以 IC 設(shè)計十分仰賴工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一間企業(yè)的價值。然而，工程師們在設(shè)計一顆 IC 芯片時，究竟有那些步驟？設(shè)計流程可以簡單分成如下。

設(shè)計第一步，訂定目標

在 IC 設(shè)計中，最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個步驟就像是在設(shè)計建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規(guī)需要遵守，在確定好所有的功能之后在進行設(shè)計，這樣才不用再花額外的時間進行后續(xù)修改。IC 設(shè)計也需要經(jīng)過類似的步驟，才能確保設(shè)計出來的芯片不會有任何差錯。

規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對大方向做設(shè)定。接著是察看有哪些協(xié)定要符合，像無線網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)範，不然，這芯片將無法和市面上的產(chǎn)品相容，使它無法和其他設(shè)備連線。最后則是確立這顆 IC 的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結(jié)的方法，如此便完成規(guī)格的制定。

設(shè)計完規(guī)格后，接著就是設(shè)計芯片的細節(jié)了。這個步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫，將整體輪廓描繪出來，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬體描述語言（HDL）將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式碼便可輕易地將一顆 IC 地功能表達出來。接著就是檢查程式功能的正確性并持續(xù)修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例。

有了電腦，事情都變得容易

有了完整規(guī)畫后，接下來便是畫出平面的設(shè)計藍圖。在 IC 設(shè)計中，邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設(shè)計自動化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反覆的確定此邏輯閘設(shè)計圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

▲控制單元合成后的結(jié)果。

最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進行電路布局與繞線（Place And Route）。在經(jīng)過不斷的檢測后，便會形成如下的電路圖。圖中可以看到藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。至于光罩究竟要如何運用呢？

▲常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與繞線的結(jié)果。

層層光罩，疊起一顆芯片

首先，目前已經(jīng)知道一顆 IC 會產(chǎn)生多張的光罩，這些光罩有上下層的分別，每層有各自的任務(wù)。下圖為簡單的光罩例子，以積體電路中最基本的元件 CMOS 為範例，CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結(jié)合，形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）？這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說明，一般讀者也較難弄清，在這裡就不多加細究。

下圖中，左邊就是經(jīng)過電路布局與繞線后形成的電路圖，在前面已經(jīng)知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作是，便由底層開始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐層制作，最后便會產(chǎn)生期望的芯片了。

至此，對于 IC 設(shè)計應(yīng)該有初步的了解，整體看來就很清楚 IC 設(shè)計是一門非常復(fù)雜的專業(yè)，也多虧了電腦輔助軟體的成熟，讓 IC 設(shè)計得以加速。IC 設(shè)計廠十分依賴工程師的智慧，這里所述的每個步驟都有其專門的知識，皆可獨立成多門專業(yè)的課程，像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言，還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的演算法轉(zhuǎn)換成程式、合成軟體是如何將程式轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問題。

其中主要半導(dǎo)體設(shè)計公司有英特爾、高通、博通、英偉達、美滿、賽靈思、Altera、聯(lián)發(fā)科、海思、展訊、中興微電子、華大、大唐、智芯、敦泰、士蘭、中星、格科等。

什么是晶圓？

在半導(dǎo)體的新聞中，總是會提到以尺寸標示的晶圓廠，如 8 寸或是 12 寸晶圓廠，然而，所謂的晶圓到底是什么東西？其中 8 寸指的是什么部分？要產(chǎn)出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢？以下將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——「晶圓」到底是什么。

晶圓（wafer），是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩(wěn)的基板。對芯片制造來說，這個基板就是接下來將描述的晶圓。

（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）

首先，先回想一下小時候在玩樂高積木時，積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，藉由這個構(gòu)造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此，我們需要尋找表面整齊的基板，以滿足后續(xù)制造所需的條件。

在固體材料中，有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。然而，該如何產(chǎn)生這樣的材料呢，主要有二個步驟，分別為純化以及拉晶，之后便能完成這樣的材料。

如何制造單晶的晶圓

純化分成兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化硅轉(zhuǎn)換成 98% 以上純度的硅。大部份的金屬提煉，像是鐵或銅等金屬，皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是，98% 對于芯片制造來說依舊不夠，仍需要進一步提升。因此，將再進一步采用西門子制程（Siemens process）作純化，如此，將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶硅。

▲硅柱制造流程（Source：Wikipedia）

接著，就是拉晶的步驟。首先，將前面所獲得的高純度多晶硅融化，形成液態(tài)的硅。之后，以單晶的硅種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種，是因為硅原子排列就和人排隊一樣，會需要排頭讓后來的人該如何正確的排列，硅種便是重要的排頭，讓后來的原子知道該如何排隊。最后，待離開液面的硅原子凝固后，排列整齊的單晶硅柱便完成了。

▲單晶硅柱（Souse：Wikipedia）

然而，8寸、12寸又代表什么東西呢？他指的是我們產(chǎn)生的晶柱，長得像鉛筆筆桿的部分，表面經(jīng)過處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢？如前面所說，晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過棉花糖的話，應(yīng)該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的，而拉晶的過程也是一樣，旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的品質(zhì)。也因此，尺寸愈大時，拉晶對速度與溫度的要求就更高，因此要做出高品質(zhì) 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

只是，一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板，為了產(chǎn)生一片一片的硅晶圓，接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片，圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過這么多步驟，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆疊房子的步驟，也就是芯片制造。至于該如何制作芯片呢？

層層堆疊打造的芯片

在介紹過硅晶圓是什么東西后，同時，也知道制造 IC 芯片就像是用樂高積木蓋房子一樣，藉由一層又一層的堆疊，創(chuàng)造自己所期望的造型。然而，蓋房子有相當多的步驟，IC 制造也是一樣，制造 IC 究竟有哪些步驟？本文將將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

在開始前，我們要先認識 IC 芯片是什么。IC，全名積體電路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是將設(shè)計好的電路，以堆疊的方式組合起來。藉由這個方法，我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖，從圖中可以看出它的結(jié)構(gòu)就像房子的樑和柱，一層一層堆疊，這也就是為何會將 IC 制造比擬成蓋房子。

▲ IC 芯片的 3D 剖面圖。（Source：Wikipedia）

從上圖中 IC 芯片的 3D 剖面圖來看，底部深藍色的部分就是上一篇介紹的晶圓，從這張圖可以更明確的知道，晶圓基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于紅色以及土黃色的部分，則是于 IC 制作時要完成的地方。

首先，在這裡可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳，是一棟房子的門戶，出入都由這裡，在掌握交通下通常會有較多的機能性。因此，和其他樓層相比，在興建時會比較復(fù)雜，需要較多的步驟。在 IC 電路中，這個大廳就是邏輯閘層，它是整顆 IC 中最重要的部分，藉由將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的 IC 芯片。

黃色的部分，則像是一般的樓層。和一樓相比，不會有太復(fù)雜的構(gòu)造，而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這一層的目的，是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。之所以需要這么多層，是因為有太多線路要連結(jié)在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

分層施工，逐層架構(gòu)

知道 IC 的構(gòu)造后，接下來要介紹該如何制作。試想一下，如果要以油漆噴罐做精細作圖時，我們需先割出圖形的遮蓋板，蓋在紙上。接著再將油漆均勻地噴在紙上，待油漆乾后，再將遮板拿開。不斷的重復(fù)這個步驟后，便可完成整齊且復(fù)雜的圖形。制造 IC 就是以類似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。

制作 IC 時，可以簡單分成以上 4 種步驟。雖然實際制造時，制造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆采用類似的原理。這個流程和油漆作畫有些許不同，IC 制造是先涂料再加做遮蓋，油漆作畫則是先遮蓋再作畫。以下將介紹各流程。

金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上，形成一薄膜。

涂布光阻：先將光阻材料放在晶圓片上，透過光罩（光罩原理留待下次說明），將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結(jié)構(gòu)。接著，再以化學(xué)藥劑將被破壞的材料洗去。

蝕刻技術(shù)：將沒有受光阻保護的硅晶圓，以離子束蝕刻。

光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。

最后便會在一整片晶圓上完成很多 IC 芯片，接下來只要將完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封裝廠做封裝，至于封裝廠是什么東西？就要待之后再做說明啰。

▲各種尺寸晶圓的比較。（Source：Wikipedia）

其中，主要晶圓代工廠有格羅方德、三星電子、Tower Jazz、Dongbu、美格納、IBM、富士通、英特爾、海力士、臺積電、聯(lián)電、中芯國際、力晶、華虹、德茂、武漢新芯、華微、華立、力芯。

納米制程是什么？

三星以及臺積電在先進半導(dǎo)體制程打得相當火熱，彼此都想要在晶圓代工中搶得先機以爭取訂單，幾乎成了 14 納米與 16 納米之爭，然而 14 納米與 16 納米這兩個數(shù)字的究竟意義為何，指的又是哪個部位？而在縮小制程后又將來帶來什么好處與難題？以下我們將就納米制程做簡單的說明。

納米到底有多細微？

在開始之前，要先了解納米究竟是什么意思。在數(shù)學(xué)上，納米是 0.000000001 公尺，但這是個相當差的例子，畢竟我們只看得到小數(shù)點后有很多個零，卻沒有實際的感覺。如果以指甲厚度做比較的話，或許會比較明顯。

用尺規(guī)實際測量的話可以得知指甲的厚度約為 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是說試著把一片指甲的側(cè)面切成 10 萬條線，每條線就約等同于 1 納米，由此可略為想像得到 1 納米是何等的微小了。

知道納米有多小之后，還要理解縮小制程的用意，縮小電晶體的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的電晶體，讓芯片不會因技術(shù)提升而變得更大；其次，可以增加處理器的運算效率；再者，減少體積也可以降低耗電量；最后，芯片體積縮小后，更容易塞入行動裝置中，滿足未來輕薄化的需求。

再回來探究納米制程是什么，以 14 納米為例，其制程是指在芯片中，線最小可以做到 14 納米的尺寸，下圖為傳統(tǒng)電晶體的長相，以此作為例子。縮小電晶體的最主要目的就是為了要減少耗電量，然而要縮小哪個部分才能達到這個目的？左下圖中的L 就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度，電流可以用更短的路徑從 Drain 端到 Source 端（有興趣的話可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋，會有更詳細的解釋）。

（Source：www.slideshare.net）

此外，電腦是以 0 和 1 作運算，要如何以電晶體滿足這個目的呢？做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當在 Gate 端（綠色的方塊）做電壓供給，電流就會從 Drain 端到 Source 端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，這樣就可以表示 1 和0。（至于為什么要用 0 和 1 作判斷，有興趣的話可以去查布林代數(shù)，我們是使用這個方法作成電腦的）

尺寸縮小有其物理限制

不過，制程并不能無限制的縮小，當我們將電晶體縮小到 20 納米左右時，就會遇到量子物理中的問題，讓電晶體有漏電的現(xiàn)象，抵銷縮小 L 時獲得的效益。作為改善方式，就是導(dǎo)入 FinFET（Tri-Gate）這個概念，如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中，可以知道藉由導(dǎo)入這個技術(shù)，能減少因物理現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象。

（Source：www.slideshare.net）

更重要的是，藉由這個方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統(tǒng)的做法中（左上圖），接觸面只有一個平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）這個技術(shù)后，接觸面將變成立體，可以輕易的增加接觸面積，這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小，對縮小尺寸有相當大的幫助。

最后，則是為什么會有人說各大廠進入 10 納米制程將面臨相當嚴峻的挑戰(zhàn)，主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 納米，在 10 納米的情況下，一條線只有不到 100 顆原子，在制作上相當困難，而且只要有一個原子的缺陷，像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質(zhì)，就會產(chǎn)生不知名的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的良率。

如果無法想像這個難度，可以做個小實驗。在桌上用 100 個小珠子排成一個 10×10 的正方形，并且剪裁一張紙蓋在珠子上，接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉，最后使他形成一個 10×5 的長方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境，以及達成這個目標究竟是多么艱巨。

隨著三星以及臺積電在近期將完成 14 納米、16 納米 FinFET 的量產(chǎn)，兩者都想爭奪 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我們將看到相當精彩的商業(yè)競爭，同時也將獲得更加省電、輕薄的手機，要感謝摩爾定律所帶來的好處呢。

告訴你什么是封裝

經(jīng)過漫長的流程，從設(shè)計到制造，終于獲得一顆 IC 芯片了。然而一顆芯片相當小且薄，如果不在外施加保護，會被輕易的刮傷損壞。此外，因為芯片的尺寸微小，如果不用一個較大尺寸的外殼，將不易以人工安置在電路板上。因此，本文接下來要針對封裝加以描述介紹。

目前常見的封裝有兩種，一種是電動玩具內(nèi)常見的，黑色長得像蜈蚣的 DIP 封裝，另一為購買盒裝 CPU 時常見的 BGA 封裝。至于其他的封裝法，還有早期 CPU 使用的 PGA（Pin Grid Array；Pin Grid Array）或是 DIP 的改良版 QFP（塑料方形扁平封裝）等。因為有太多種封裝法，以下將對 DIP 以及 BGA 封裝做介紹。

傳統(tǒng)封裝，歷久不衰

首先要介紹的是雙排直立式封裝（Dual Inline Package；DIP），從下圖可以看到采用此封裝的 IC 芯片在雙排接腳下，看起來會像條黑色蜈蚣，讓人印象深刻，此封裝法為最早采用的 IC 封裝技術(shù)，具有成本低廉的優(yōu)勢，適合小型且不需接太多線的芯片。但是，因為大多采用的是塑料，散熱效果較差，無法滿足現(xiàn)行高速芯片的要求。因此，使用此封裝的，大多是歷久不衰的芯片，如下圖中的 OP741，或是對運作速度沒那么要求且芯片較小、接孔較少的 IC 芯片。

▲左圖的 IC 芯片為 OP741，是常見的電壓放大器。右圖為它的剖面圖，這個封裝是以金線將芯片接到金屬接腳（Leadframe）。（Source ：左圖 Wikipedia、右圖 Wikipedia）

至于球格陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝，和 DIP 相比封裝體積較小，可輕易的放入體積較小的裝置中。此外，因為接腳位在芯片下方，和 DIP 相比，可容納更多的金屬接腳

相當適合需要較多接點的芯片。然而，采用這種封裝法成本較高且連接的方法較復(fù)雜，因此大多用在高單價的產(chǎn)品上。

▲左圖為采用 BGA 封裝的芯片。右圖為使用覆晶封裝的 BGA 示意圖。（Source：左圖 Wikipedia）

行動裝置興起，新技術(shù)躍上舞臺

然而，使用以上這些封裝法，會耗費掉相當大的體積。像現(xiàn)在的行動裝置、穿戴裝置等，需要相當多種元件，如果各個元件都獨立封裝，組合起來將耗費非常大的空間，因此目前有兩種方法，可滿足縮小體積的要求，分別為 SoC（System On Chip）以及 SiP（System In Packet）。

在智慧型手機剛興起時，在各大財經(jīng)雜誌上皆可發(fā)現(xiàn) SoC 這個名詞，然而 SoC 究竟是什么東西？簡單來說，就是將原本不同功能的 IC，整合在一顆芯片中。藉由這個方法，不單可以縮小體積，還可以縮小不同 IC 間的距離，提升芯片的計算速度。至于制作方法，便是在 IC 設(shè)計階段時，將各個不同的 IC 放在一起，再透過先前介紹的設(shè)計流程，制作成一張光罩。

然而，SoC 并非只有優(yōu)點，要設(shè)計一顆 SoC 需要相當多的技術(shù)配合。IC 芯片各自封裝時，各有封裝外部保護，且 IC 與 IC 間的距離較遠，比較不會發(fā)生交互干擾的情形。但是，當將所有 IC 都包裝在一起時，就是噩夢的開始。IC 設(shè)計廠要從原先的單純設(shè)計 IC，變成了解并整合各個功能的 IC，增加工程師的工作量。此外，也會遇到很多的狀況，像是通訊芯片的高頻訊號可能會影響其他功能的 IC 等情形。

此外，SoC 還需要獲得其他廠商的 IP（intellectual property）授權(quán)，才能將別人設(shè)計好的元件放到 SoC 中。因為制作 SoC 需要獲得整顆 IC 的設(shè)計細節(jié)，才能做成完整的光罩，這同時也增加了 SoC 的設(shè)計成本?；蛟S會有人質(zhì)疑何不自己設(shè)計一顆就好了呢？因為設(shè)計各種 IC 需要大量和該 IC 相關(guān)的知識，只有像 Apple 這樣多金的企業(yè)，才有預(yù)算能從各知名企業(yè)挖角頂尖工程師，以設(shè)計一顆全新的 IC，透過合作授權(quán)還是比自行研發(fā)劃算多了。

折衷方案，SiP 現(xiàn)身

作為替代方案，SiP 躍上整合芯片的舞臺。和 SoC 不同，它是購買各家的 IC，在最后一次封裝這些 IC，如此便少了 IP 授權(quán)這一步，大幅減少設(shè)計成本。此外，因為它們是各自獨立的 IC，彼此的干擾程度大幅下降。

▲ Apple Watch 采用 SiP 技術(shù)將整個電腦架構(gòu)封裝成一顆芯片，不單滿足期望的效能還縮小體積，讓手錶有更多的空間放電池。（Source：Apple 官網(wǎng)）

采用 SiP 技術(shù)的產(chǎn)品，最著名的非 Apple Watch 莫屬。因為 Watch 的內(nèi)部空間太小，它無法采用傳統(tǒng)的技術(shù)，SoC 的設(shè)計成本又太高，SiP 成了首要之選。藉由 SiP 技術(shù)，不單可縮小體積，還可拉近各個 IC 間的距離，成為可行的折衷方案。下圖便是 Apple Watch 芯片的結(jié)構(gòu)圖，可以看到相當多的 IC 包含在其中。

▲ Apple Watch 中采用 SiP 封裝的 S1 芯片內(nèi)部配置圖。（Source：chipworks）

完成封裝后，便要進入測試的階段，在這個階段便要確認封裝完的 IC 是否有正常的運作，正確無誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產(chǎn)品。其中主要的半導(dǎo)體封裝與測試企業(yè)有安靠、星科金朋、J-devices、Unisem、Nepes、日月光、力成、南茂、頎邦、京元電子、福懋、菱生精密、矽品、長電、優(yōu)特。

至此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)便完成了整個生產(chǎn)的任務(wù)。