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為什么芯片那麼難搞?終于有人講透了!

發布時間:2018-05-25  瀏覽次數:584 次  來源:科毅科技股份有限公司
  你知道壹個芯片是怎樣設計出來的么?你又知道設計出來的芯片是怎么生產出來的么?看完這篇文章你就有大概的了解。
  一、復雜繁瑣的芯片設計流程
  芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子壹樣,先有晶圓作為地基,再層層往上疊的芯片制造流程后,就可產出必要的IC芯片(這些會在后面介紹)。然而,沒有設計圖,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設計中的建筑師究竟是誰呢?本文接下來要針對IC設計做介紹。
  在IC生產流程中,IC多由專業IC設計公司進行規劃、設計,像是聯發科、高通、Intel等知名大廠,都自行設計各自的IC芯片,提供不同規格、性能的芯片給下游廠商選擇。因為IC是由各廠自行設計,所以IC設計十分仰賴工程師的技術,工程師的素質影響著壹間企業的價值。然而,工程師們在設計壹顆IC芯片時,究竟有那些步驟?設計流程可以簡單分成如下。
  設計第一步,訂定目標
  在IC設計中,最重要的步驟就是規格制定。這個步驟就像是在設計建筑前,先決定要幾間居室、浴室,有什麼建筑法規需要遵守,在確定好所有的功能之后在進行設計,這樣才不用再花額外的時間進行后續修改。IC設計也需要經過類似的步驟,才能確保設計出來的芯片不會有任何差錯。
  規格制定的第壹步便是確定IC的目的、性能為何,對大方向做設定。接著是察看有哪些協定要符合,像無線網卡的芯片就需要符合IEEE 802.11等規范,不然,這芯片將無法和市面上的產品兼容,使它無法和其他設備聯機。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接的方法,如此便完成規格的制定。
  設計完規格后,接著就是設計芯片的細節了。這個步驟就像初步記下建筑的規畫,將整體輪廓描繪出來,方便后續制圖。在IC芯片中,便是使用硬件描述語言(HDL)將電路描寫出來。常使用的HDL有Verilog、VHDL等,藉由代碼便可輕易地將壹顆IC地功能表達出來。接著就是檢查程序功能的正確性并持續修改,直到它滿足期望的功能為止。
  ▲ 32 bits加法器的Verilog示例
  有了電腦,事情都變得容易
  有了完整規畫后,接下來便是畫出平面的設計藍圖。在IC設計中,邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的HDL code,放入電子設計自動化工具(EDA tool),讓電腦將HDL code轉換成邏輯電路,產生如下的電路圖。之后,反復的確定此邏輯門設計圖是否符合規格并修改,直到功能正確為止。
  ▲ 控制單元合成后的結果
  最后,將合成完的代碼再放入另壹套EDA tool,進行電路布局與繞線(Place And Route)。在經過不斷的檢測后,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壹張光罩。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果
  層層光罩,疊起壹顆芯片
  首先,目前已經知道壹顆IC會產生多張的光罩,這些光罩有上下層的分別,每層有各自的任務。下圖為簡單的光罩例子,以集成電路中最基本的元件CMOS為示例,CMOS全名為互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal–oxide–semiconductor),也就是將NMOS和PMOS兩者做結合,形成CMOS。至于什麼是金屬氧化物半導體(MOS)?這種在芯片中廣泛使用的元件比較難說明,壹般讀者也較難弄清,在這里就不多加細究。
  下圖中,左邊就是經過電路布局與繞線后形成的電路圖,在前面已經知道每種顏色便代表壹張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作是,便由底層開始,依循上壹篇IC芯片的制造中所提的方法,逐層制作,最后便會產生期望的芯片了。
  至此,對于IC設計應該有初步的了解,整體看來就很清楚IC設計是壹門非常復雜的專業,也多虧了電腦輔助軟件的成熟,讓IC設計得以加速。IC設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的課程,像是撰寫硬件描述語言就不單純的只需要熟悉程序語言,還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的算法轉換成程序、合成軟件是如何將程序轉換成邏輯門等問題。
  二、什麼是晶圓?
  在半導體的新聞中,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?要產出大尺寸的晶圓制造又有什麼難度呢?以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——「晶圓」到底是什么。
  晶圓(wafer),是制造各式電腦芯片的基礎。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子,藉由壹層又壹層的堆疊,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,便需要壹個平穩的基板。對芯片制造來說,這個基板就是接下來將描述的晶圓。
  首先,先回想壹下小時候在玩樂高積木時,積木的表面都會有壹個壹個小小圓型的凸出物,藉由這個構造,我們可將兩塊積木穩固的疊在壹起,且不需使用膠水。芯片制造,也是以類似這樣的方式,將后續添加的原子和基板固定在壹起。因此,我們需要尋找表面整齊的基板,以滿足后續制造所需的條件。
  在固體材料中,有壹種特殊的晶體結構──單晶(Monocrystalline)。它具有原子壹個接著壹個緊密排列在壹起的特性,可以形成壹個平整的原子表層。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,第壹步是冶金級純化,此壹過程主要是加入碳,以氧化還原的方式,將氧化硅轉換成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,仍需要進壹步提升。因此,將再進壹步采用西門子制程(Siemens  ;process)作純化,如此,將獲得半導體制程所需的高純度多晶硅。
  ▲ 矽柱制造流程
  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,形成液態的硅。之后,以單晶的硅種(seed)和液體表面接觸,壹邊旋轉壹邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種,是因為硅原子排列就和人排隊壹樣,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
  然而,8寸、12寸又代表什麼東西呢?他指的是我們產生的晶柱,長得像鉛筆筆桿的部分,表面經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麼難度呢?如前面所說,晶柱的制作過程就像是在做棉花糖壹樣,壹邊旋轉壹邊成型。有制作過棉花糖的話,應該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的,而拉晶的過程也是壹樣,旋轉拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的質量。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 ;12寸晶圓的難度就比8寸晶圓還來得高。
  只是,壹整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板,為了產生壹片壹片的硅晶圓,接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片,圓片再經由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經過這么多步驟,芯片基板的制造便大功告成,下壹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?
  三、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壹樣,藉由壹層又壹層的堆疊,創造自己所期望的造型。然而,蓋房子有相當多的步驟,IC制造也是壹樣,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,全名集成電路(Integrated  ;Circuit),由它的命名可知它是將設計好的電路,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構就像房子的梁和柱,壹層壹層堆疊,這也就是為何會將IC制造比擬成蓋房子。
  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壹篇介紹的晶圓,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,在這里可以將紅色的部分比擬成高樓中的壹樓大廳。壹樓大廳,是壹棟房子的門戶,出入都由這里,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,在興建時會比較復雜,需要較多的步驟。在 ;IC電路中,這個大廳就是邏輯門層,它是整顆IC中最重要的部分,藉由將多種邏輯門組合在壹起,完成功能齊全的IC芯片。
  黃色的部分,則像是壹般的樓層。和壹樓相比,不會有太復雜的構造,而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這壹層的目的,是將紅色部分的邏輯門相連在壹起。之所以需要這么多層,是因為有太多線路要連接在壹起,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,逐層構架
  知道IC的構造后,接下來要介紹該如何制作。試想壹下,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。不斷的重復這個步驟后,便可完成整齊且復雜的圖形。制造 ;IC就是以類似的方式,藉由遮蓋的方式壹層壹層的堆疊起來。
  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,形成壹薄膜。
  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,破壞光阻材料結構。接著,再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。
  蝕刻技術: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,如此便完成壹次流程。
  最后便會在壹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。
  四、納米制程是什么?
  三星以及臺積電在先進半導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麼好處與難題?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。在數學上,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。
  用標尺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),也就是說試著把壹片指甲的側面切成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,縮小晶體管的最主要目的,就是可以在更小的芯片中塞入更多的晶體管,讓芯片不會因技術提升而變得更大;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,下圖為傳統晶體管的長相,以此作為例子?s小晶體管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)。
  此外,電腦是以0和1作運算,要如何以晶體管滿足這個目的呢?做法就是判斷晶體管是否有電流流通。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爾代數,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,當我們將晶體管縮小到20納米左右時,就會遇到量子物理中的問題,讓晶體管有漏電的現象,抵銷縮小L  ;時獲得的效益。作為改善方式,就是導入FinFET(Tri-Gate)這個概念,如右上圖。在Intel  ;以前所做的解釋中,可以知道藉由導入這個技術,能減少因物理現象所導致的漏電現象。
  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。在傳統的做法中(左上圖),接觸面只有壹個平面,但是采用 ;FinFET(Tri-Gate)這個技術后,接觸面將變成立體,可以輕易的增加接觸面積,這樣就可以在保持壹樣的接觸面積下讓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,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,壹條線只有不到100  ;顆原子,在制作上相當困難,而且只要有壹個原子的缺陷,像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質,就會產生不知名的現象,影響產品的良率。
  如果無法想像這個難度,可以做個小實驗。在桌上用100個小珠子排成壹個10×10  ;的正方形,并且剪裁壹張紙蓋在珠子上,接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉,最后使他形成壹個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,兩者都想爭奪Apple下壹代的iPhone  ;芯片代工,我們將看到相當精彩的商業競爭,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。
  五、告訴你什么是封裝
  經過漫長的流程,從設計到制造,終于獲得壹顆IC  ;芯片了。然而壹顆芯片相當小且薄,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,如果不用壹個較大尺寸的外殼,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,壹種是電動玩具內常見的,黑色長得像蜈蚣的DIP封裝,另壹為購買盒裝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,具有成本低廉的優勢,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麼要求且芯片較小、接孔較少的IC芯片。
  至于球格數組(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雜,因此大多用在高單價的產品上。
  行動裝置興起,新技術躍上舞臺
  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,在各大財經雜志上皆可發現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,整合在壹顆芯片中。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設計階段時,將各個不同的 ;IC放在壹起,再透過先前介紹的設計流程,制作成壹張光罩。
  然而,SoC并非只有優點,要設計壹顆SoC需要相當多的技術配合。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,比較不會發生交互干擾的情形。但是,當將所有IC都包裝在壹起時,就是噩夢的開始。IC設計廠要從原先的單純設計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,像是通信芯片的高頻信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,才能將別人設計好的元件放到SoC中。因為制作SoC  ;需要獲得整顆IC的設計細節,才能做成完整的光罩,這同時也增加了SoC的設計成本;蛟S會有人質疑何不自己設計壹顆就好了呢?因為設計各種IC需要大量和該 ;IC相關的知識,只有像Apple這樣多金的企業,才有預算能從各知名企業挖角頂尖工程師,以設計壹顆全新的IC,透過合作授權還是比自行研發劃算多了。
  折衷方案,SiP現身
  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,在最后壹次封裝這些IC,如此便少了IP  ;授權這壹步,大幅減少設計成本。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  ;技術將整個電腦構架封裝成壹顆芯片,不單滿足期望的性能還縮小體積,讓手表有更多的空間放電池。
  采用SiP技術的產品,最著名的非Apple Watch莫屬。因為Watch的內部空間太小,它無法采用傳統的技術,SoC  ;的設計成本又太高,SiP成了首要之選。藉由SiP技術,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  ;芯片的結構圖,可以看到相當多的IC包含在其中。
  ▲ Apple Watch中采用SiP封裝的S1芯片內部配置圖。
  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品。其中主要的半導體封裝與測試企業有安靠、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、硅品、長電、優特。
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