芯片

(半导体元件产品的统称)

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集成电路英语: integrated circuit,缩写作 IC;或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶片/芯片(chip)在电子学中是一种将电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并时常制造在半导体晶圆表面上。
中文名
芯片
外文名
microchip
别    名
微电路、微芯片、集成电路
含    义
半导体元件产品的统称
制造设备
光刻机

芯片简介

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将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。
从1949年到1957年,维尔纳·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·达林顿(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都开发了原型,但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的。其因此荣获2000年诺贝尔物理奖,但同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯,却早于1990年就过世。

芯片介绍

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晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。
集成电路对于离散晶体管有两个主要优势: 成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm²,每mm²可以达到一百万个晶体管。
第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。
根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:
  • 小型集成电路(SSI英文全名为Small Scale Integration)逻辑门10个以下或晶体管100个以下。
  • 中型集成电路(MSI英文全名为Medium Scale Integration)逻辑门11~100个或 晶体管101~1k个。
  • 大规模集成电路(LSI英文全名为Large Scale Integration)逻辑门101~1k个或 晶体管1,001~10k个。
  • 超大规模集成电路(VLSI英文全名为Very large scale integration)逻辑门1,001~10k个或 晶体管10,001~100k个。
  • 极大规模集成电路(ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration)逻辑门10,001~1M个或 晶体管100,001~10M个。
  • GLSI(英文全名为Giga Scale Integration)逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。

芯片集成电路的发展

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最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心,可以控制计算机手机到数字微波炉的一切。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个集成电路的成本最小化。集成电路的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。
这些年来,集成电路持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能,见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每1.5年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了,单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC也存在问题,主要是泄漏电流。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图中有很好的描述。
仅仅在其开发后半个世纪,集成电路变得无处不在,计算机、手机和其他数字电器成为社会结构不可缺少的一部分。这是因为,现代计算、欧宝体育、制造和交通系统,包括互联网,全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。IC的成熟将会带来科技的大跃进,不论是在设计的技术上,或是半导体的工艺突破,两者都是息息相关。 [1] 

芯片分类

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集成电路的分类方法很多,依照电路属模拟数字,可以分为: 模拟集成电路数字集成电路和混合信号集成电路(模拟和数字在一个芯片上)。
数字集成电路可以包含任何东西,在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门触发器、多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比,有更高速度,更低功耗(参见低功耗设计)并降低了制造成本。这些数字IC,以微处理器、数字信号处理器微控制器为代表,工作中使用二进制,处理1和0信号。
模拟集成电路有,例如传感器、电源控制电路和运放,处理模拟信号。完成放大滤波解调混频的功能等。通过使用专家所设计、具有良好特性的模拟集成电路,减轻了电路设计师的重担,不需凡事再由基础的一个个晶体管处设计起。
集成电路可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上,以做出如模拟数字转换器和数字模拟转换器等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本,但是对于信号冲突必须小心。 [1] 

芯片制造

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参见: 半导体器件制造和集成电路设计
从20世纪30年代开始,元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室威廉·肖克利(William Shockley)认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜,再到,原料在20世纪40到50年代被系统的研究。今天,尽管元素中期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如: 发光二极管激光太阳能电池和最高速集成电路,单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。
半导体集成电路工艺,包括以下步骤,并重复使用:
使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层,然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFETBJT等组件,再利用薄膜和CMP技术制成导线,如此便完成芯片制作。因产品性能需求及成本考量,导线可分为铝工艺(以溅镀为主)和铜工艺(以电镀为主参见Damascene)。主要的工艺技术可以分为以下几大类: 黄光微影、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。
IC由很多重叠的层组成,每层由视频技术定义,通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层(成为扩散层),一些定义哪里额外的离子灌输(灌输层),一些定义导体(多晶硅或金属层),一些定义传导层之间的连接(过孔或接触层)。所有的组件由这些层的特定组合构成。
  • 在一个自排列(CMOS)过程中,所有门层(多晶硅或金属)穿过扩散层的地方形成晶体管。
  • 电阻结构,电阻结构的长宽比,结合表面电阻系数,决定电阻。
  • 电容结构,由于尺寸限制,在IC上只能产生很小的电容。
  • 更为少见的电感结构,可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。
因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换,CMOS设备比双极型组件(如双极性晶体管)消耗的电流少很多。透过电路的设计,将多颗的晶体管管画在硅晶圆上,就可以画出不同作用的集成电路。
随机存取存储器是最常见类型的集成电路,所以密度最高的设备是存储器,但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂-几十年来芯片宽度一直减少-但集成电路的层依然比宽度薄很多。组件层的制作非常像照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光组件层,因为他们太大了。高频光子(通常是紫外线)被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小,对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说,电子显微镜是必要工具。
在使用自动测试设备(ATE)包装前,每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块,每个被称为晶片(“die”)。每个好的die被焊在“pads”上的铝线或金线,连接到封装内,pads通常在die的边上。封装之后,设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本产品的制造成本的25%,但是对于低产出,大型和/或高成本的设备,可以忽略不计。
在2005年,一个制造厂(通常称为半导体工厂,常简称fab,指fabrication facility)欧宝体育费用要超过10亿美元,因为大部分操作是自动化的。 [1] 
制造过程
芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。
首先是芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样”
芯片的原料晶圆
晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄,生产的成本越低,但对工艺就要求的越高。
晶圆涂膜
晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种。
光刻工艺的基本流程如图1 [2]  所示。首先是在晶圆(或衬底)表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上,实现曝光,激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤,即所谓的曝光后烘烤,后烘烤是的光化学反应更充分。最后,把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上,对曝光图形显影。显影后,掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的,曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的,晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的,晶圆不直接暴露在周围环境中,以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响 [2]  。
图1 现代光刻工艺的基本流程和光刻后的检测步骤 图1 现代光刻工艺的基本流程和光刻后的检测步骤
该过程使用了对紫外光敏感的化学物质,即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂,使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了,而这效果正是欧宝体育所要的。这样就得到欧宝体育所需要的二氧化硅层。
掺加杂质
将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。
具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式,使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,这时候将该流程不断的重复,不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似多层PCB板的制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层,这时候通过重复光刻以及上面流程来实现,形成一个立体的结构。
晶圆测试
经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。
封装
将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如: DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。
测试、包装
经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。

芯片封装

最早的集成电路使用陶瓷扁平封装,这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装,开始是陶瓷,之后是塑料。20世纪80年代,VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制,最后导致插针网格数组和芯片载体的出现。
表面贴着封装在20世纪80年代初期出现,该年代后期开始流行。它使用更细的脚间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)为例,比相等的DIP面积少30-50%,厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出,引脚间距为0.05英寸。
Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)和PLCC封装。20世纪90年代,尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP和thin small-outline package(TSOP)成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理现在从PGA(Pine Grid Array)封装转到了平面网格阵列封装(Land Grid Array,LGA)封装。
球栅数组封装封装从20世纪70年代开始出现,90年代开发了比其他封装有更多管脚数的覆晶球栅数组封装封装。在FCBGA封装中,晶片(die)被上下翻转(flipped)安装,通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列(称为I/O区域)分布在整个芯片的表面,而不是限制于芯片的外围。如今的市场,封装也已经是独立出来的一环,封装的技术也会影响到产品的质量及良率。 [1] 

芯片相关政策

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2020年8月,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,让本已十分火热的国产芯片行业再添重磅利好。 [3] 
据美国消费者新闻与商业频道网站8月10日报道,中国公布了一系列政策来帮助提振国内半导体行业。大部分激励措施的焦点是减税。例如,经营期在15年以上、生产的集成电路线宽小于28纳米(含)的制造商将被免征长达10年的企业所得税。对于芯片制造商来说,优惠期自获利年度起计算。新政策还关注融资问题,鼓励公司在科创板等以科技股为主的证券交易板块上市。 [4] 

芯片中国芯片

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芯片发展历史

1965-1978年 创业期
1965年,第一批国内研制的晶体管和数字电路在河北半导体研究所鉴定成功。
1968年,上海无线电十四厂首家制成PMOS(P型金属-氧化物-半导体)集成电路。
1970年,背景878厂、上无十九厂建成投产。
1972年,中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川一四二四研究所制。
1976年,中科院计算所采用中科院109厂(现中科院微电子研究所)研制的ECL(发射极耦合逻辑电路),研制成功1000万次大型电子计算机。 [5] 
1978-1989年 探索前进期
1980年,中国第一条3英寸线在878厂投入运行。
1982年,江苏无锡724厂从东芝引进电视机集成电路生产线,这是中国第一次从国外引进集成电路技术;
国务院成立电子计算机和大规模集成电路领导小组,制定了中国IC发展规划,提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。
1985年,第一块64K DRAM 在无锡国营724厂试制成功。
1988年,上无十四厂建成了欧宝体育国第一条4英寸线。
1989年,机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会,提出振兴集成电路的发展战略;
724厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。 [5] 
1990-2000年 重点欧宝体育期
1990年,国务院决定实施“908”工程。
1991年,首都钢铁公司和日本NEC公司成立中外合资公司——首钢NEC电子有限公司。
1992年,上海飞利浦公司简称了欧宝体育国第一条5英寸线。
1993年,第一块256K DRAM在中国华晶电子集团公司试制成功。
1994年,首钢日电公司建成了欧宝体育国第一条6英寸线。
1995年,国务院决定继续实施集成电路专项工程(“909”工程),集中欧宝体育欧宝体育国第一条8英寸生产线。
1996年,英特尔公司投资在上海欧宝体育封测厂。
1997年,由上海华虹集团与日本NEC公司合资组建上海华虹NEC电子有限公司,主要承担“909”主体工程超大规模集成电路芯片生产线项目欧宝体育。
1998年,华晶与上华合作生产MOS 圆片合约签定,开始了中国大陆的Foundry时代;由北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心承担的欧宝体育国第一条8英寸硅单晶抛光生产线建成投产。
1999年,上海华虹NEC的第一条8英寸生产线正式建成投产。 [5] 
2000-2011年 发展加速期
2000年,中芯国际在上海成立,国务院18号文件加大对集成电路的扶持力度。
2002年,中国第一款批量投产的通用CPU芯片“龙芯一号”研制成功。
2003年,台积电(上海)有限公司落户上海。
2004年,中国大陆第一条12英寸线在北京投入生产。
2006年,设立“国家重大科技专项”;无锡海力士意法半导体正式投产。
2008年,中星微电子手机多媒体芯片全球销量突破1亿枚。
2009年,国家“核高基”重大专项进入申报与实施阶段。
2011年,《关于印发进一步鼓励软件产业和继承电路产业发展若干政策的通知》。 [5] 
2012年至今 高质量发展期
2012年,《集成电路产业“十二五”发展规划》发布;韩国三星70亿美元一期投资闪存芯片项目落户西安。
2013年,紫光收购展讯通信、锐迪科;大陆IC设计公司进入10亿美元俱乐部。
2014年,《国家集成电路产业发展推进纲要》正式发布实施;“国家集成电路产业发展投资基金”(大基金)成立。
2015年,长电科技以7.8亿美元收购星科金朋公司;中芯国际28纳米产品实现量产。
2016年,大基金、紫光投资长江储存;第一台全部采用国产处理器构建的超级计算机“神威太湖之光”获世界超算冠军。
2017年,长江纯纯一期项目封顶;存储器产线欧宝体育全面开启;全球首家AI芯片独角兽初创公司成立;华为发布全球第一款人工智能芯片麒麟970。
2018年,紫光量产32层3D NAND(零突破)。
2019年,全球首款5G SoC芯片海思麒麟990面世,采用了全球先进的7纳米工艺;64层3D NAND闪存芯片实现量产;中芯国际14纳米工艺量产。 [5] 

芯片挑战

2020年8月7日,华为常务董事、华为消费者业务CEO余承东在中国信息化百人会2020年峰会上的演讲中说,受管制影响,下半年发售的Mate 40所搭载的麒麟9000芯片,或将是华为自研的麒麟芯片的最后一代。
以制造为主的芯片下游,是欧宝体育国集成电路产业最薄弱的环节。由于工艺复杂,芯片制造涉及到从学界到产业界在材料、工程、物理、化学、光学等方面的长期积累,这些短板短期内难以补足。 [6] 

芯片外媒声音

1、日本《日经亚洲评论》8月12日文章称,中国招聘了100多名前台积电工程师以力争获得芯片(产业)领军地位 。作为全世界最大的芯片代工企业,台积电成为中国(大陆)求贤若渴的芯片项目的首要目标。
高德纳咨询半导体分析师罗杰·盛(音)说: “中国芯片人才依然奇缺,因为该国正在同时开展许多大型项目。人才不足是制约半导体发展的瓶颈。 [7] 
2、华为消费者业务CEO余承东近日承认,由于美国对华为的第二轮制裁,到9月16日华为麒麟高端芯片就将用光库存。在芯片危机上华为如何破局?美国CNBC网站11日分析称,华为有5个选择,但同时“所有5个选择都面临重大挑战”。 [8] 
3、德国《经济周刊》表示,以半导体行业为例,尽管中国芯片需求达到全球60%,但中国自产的只有13%。路透社称,美国对华为打压加剧,中国则力推经济内循环,力争在高科技领域不受制于人。 [8] 
4、美国消费者新闻与商业频道网站8月10日报道指出,中国计划到2020年将半导体自给率提高到40%,到2025年提高到70%。 [4] 
瑞士米拉博证券公司技术、媒体和电信研究主管尼尔·坎普林在电子邮件中告诉消费者新闻与商业频道记者: “欧宝体育认为,这场新的技术冷战正是中国攀爬技术曲线、积极开发本土技术的原因。” [4] 
欧亚集团地缘-技术业务负责人保罗·特廖洛说: “新政策中列出的优惠待遇将在某些领域起到帮助作用,但从短期看,对中国半导体企业向价值链上游攀升和提高全球竞争力帮助有限。” [4] 
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