芯片是我們這個(gè)時(shí)代最偉大的發(fā)明之一。如果沒(méi)有芯片的出現(xiàn)，我們很難想象當(dāng)前的電子時(shí)代會(huì)是什么樣子。正是因?yàn)樾酒陌l(fā)明，所有的功能都集中在一個(gè)小芯片上。
一、芯片概念說(shuō)明
芯片是集成電路的載體，它與晶片分開(kāi)，通常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的重要組成部分。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該芯片將我們隨處可見(jiàn)的電阻器和電容器等電子元件以及由它們組成的電路集成為一個(gè)小顆粒。芯片制造的過(guò)程就像用積木蓋房子一樣。首先，晶片作為基礎(chǔ)，通過(guò)層層堆疊，你可以完成你想要的形狀（即各種類型的芯片）。芯片是一種非常精密的儀器，其單位是納米。對(duì)于一個(gè)普通的英特爾酷睿CPU來(lái)說(shuō)，核心部分的大小與人類指甲相似，但它集成了數(shù)十億甚至數(shù)百億個(gè)晶體管。芯片有很多種。一系列相互關(guān)聯(lián)的芯片可以組合成一個(gè)芯片組。它們相互依賴，結(jié)合在一起可以發(fā)揮更大的作用。例如，智能手機(jī)中的信號(hào)發(fā)送和接收模塊由多個(gè)芯片組成。更大的集成電路在一起。
芯片廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中，不同類型的芯片發(fā)揮著不同的作用。芯片就像人腦，接收信息，發(fā)出指令，控制人類行為。如果把CPU比作整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大腦，那么由CPU和其他芯片組成的芯片組就構(gòu)成了整個(gè)身體的軀干。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，芯片組幾乎決定了整個(gè)系統(tǒng)的功能。不僅手機(jī)、電腦等智能產(chǎn)品含有芯片，可以說(shuō)，只要涉及到一些更復(fù)雜的功能，它們就會(huì)被使用。
二、芯片的分類
下圖顯示了常見(jiàn)芯片的分類，包括ASIC、ASSP、SoC、FPGA、SoC FPGA、μ控制器、μ處理器等。
通用集成電路
ASIC（專用集成電路）是專門為特定應(yīng)用或目的構(gòu)建的集成電路。與可編程邏輯器件或標(biāo)準(zhǔn)邏輯集成電路相比，ASIC可以提高速度，因?yàn)樗鼈兪菍ｉT為完成一件事而設(shè)計(jì)的，并且可以做到這一點(diǎn)。它也可以做得更小，耗電更少。這種電路的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和制造成本更高，尤其是在只需要幾個(gè)單元的情況下。
ASIC幾乎可以在任何電子設(shè)備中找到，其用途從自定義圖像渲染到聲音轉(zhuǎn)換。由于ASIC是定制的，它們只能由設(shè)計(jì)它們的公司使用，因此它們被視為專有技術(shù)。
ASSP：專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)與ASIC完全相同。這并不奇怪，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是一樣的。唯一的區(qū)別是ASSP是一種更通用的設(shè)備，適用于多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作室。例如，獨(dú)立的USB接口芯片可以被歸類為ASSP。
SOC是片上系統(tǒng)的縮寫。由于它是一個(gè)系統(tǒng)，所以不能將單個(gè)系統(tǒng)稱為系統(tǒng)。只有多個(gè)個(gè)體的組合才能稱為系統(tǒng)。因此，SOC強(qiáng)調(diào)一個(gè)整體。SoC模仿了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并被簡(jiǎn)化為一個(gè)微系統(tǒng)。在我接觸過(guò)的SOC芯片中，硬件的大致組成部分是核心、存儲(chǔ)器、外圍接口（高速外圍設(shè)備和低速外圍設(shè)備）、總線、中斷模塊、時(shí)鐘模塊等。
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列是一種半導(dǎo)體器件，由可編程互連連接的可配置邏輯塊矩陣組成。FPGA制造完成后，可以根據(jù)所需的應(yīng)用或功能要求對(duì)其進(jìn)行重新編程。這一特性是區(qū)分FPGA和專用集成電路（ASIC）的關(guān)鍵。您可以針對(duì)特定的設(shè)計(jì)任務(wù)定制FPGA設(shè)備。盡管市場(chǎng)上有一次性可編程（OTP）FPGA，但它們大多基于SRAM，并且可以隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展而重新編程。
可編程SoC或SoC FPGA：集成處理器和FPGA架構(gòu)的IC稱為可編程SoC或SoC FPGA。這還包括外圍設(shè)備、片上存儲(chǔ)器、FPGA式邏輯陣列和高速收發(fā)器。主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。
微處理器（μP或MPU）：只包含處理器的IC稱為微處理器。它不包含存儲(chǔ)器（RAM、ROM等）或任何其他外圍設(shè)備。
微控制器（μC或MCU）：包含處理器、存儲(chǔ)器（RAM、ROM等）和其他外圍設(shè)備的IC稱為微控制器。這是一個(gè)通用設(shè)備，需要針對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編程。微控制器可以用于各種工業(yè)產(chǎn)品中。微控制器是SoC的簡(jiǎn)化版本。
三、芯片是如何設(shè)計(jì)和制造的？
芯片設(shè)計(jì)
規(guī)范制定
在芯片設(shè)計(jì)公司內(nèi)部，設(shè)計(jì)芯片的第一步是通過(guò)管理和數(shù)據(jù)分析起草提案，以便設(shè)計(jì)從一開(kāi)始就滿足行業(yè)細(xì)分要求。此時(shí)，高層設(shè)計(jì)師將開(kāi)會(huì)進(jìn)行可行性分析，并在此基礎(chǔ)上確定芯片的功能和操作模式，確定性能、功能、物理尺寸、制造技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)等主要設(shè)計(jì)參數(shù)。
體系結(jié)構(gòu)定義
定義系統(tǒng)的基本規(guī)范，例如浮點(diǎn)單位；確定要使用的系統(tǒng)，例如精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）或復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)；最終確定ALU高速緩存大小的數(shù)量等。
特色設(shè)計(jì)
定義系統(tǒng)的主要功能單元，以幫助確定單元之間的互連要求，以及每個(gè)單元的物理和電氣規(guī)格。
邏輯設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)布爾表達(dá)式、控制流、字寬、寄存器分配等，并使用VHDL或Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言在代碼中描述函數(shù)，形成寄存器傳輸級(jí)（RTL）代碼。
電路設(shè)計(jì)
邏輯設(shè)計(jì)給出了簡(jiǎn)化的邏輯實(shí)現(xiàn)，而電路設(shè)計(jì)則以網(wǎng)表的形式進(jìn)一步表達(dá)了邏輯。網(wǎng)表通常由柵極、晶體管和各種互連組成。電路設(shè)計(jì)的效果可以通過(guò)仿真得到。
物理設(shè)計(jì)
在這一步中，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)表到其幾何表示的轉(zhuǎn)換，結(jié)果被稱為布局，可以在功能上驗(yàn)證合成的網(wǎng)表。此步驟遵循一些預(yù)定義的固定規(guī)則，例如lambda規(guī)則，該規(guī)則提供確切的細(xì)節(jié)，如組件大小、比例和間距。下一步是驗(yàn)證已完成布線的物理布局的功能和時(shí)序。驗(yàn)證項(xiàng)目通常包括LVS、DRC、ERC等，當(dāng)然還有一些功耗分析和可制造性分析。
設(shè)計(jì)過(guò)程導(dǎo)出
這是芯片設(shè)計(jì)的最后一步。根據(jù)芯片代工廠的要求導(dǎo)出設(shè)計(jì)工藝文件。設(shè)計(jì)公司保留了原始設(shè)計(jì)草案，可以進(jìn)行靈活的修改，而相對(duì)最終確定的工藝文件物理布局是基于GDS II文件。該格式被移交給芯片代工廠作為制造基礎(chǔ)。
制造和測(cè)試
精煉單晶硅錠
沙子是硅最便宜的來(lái)源，因此半導(dǎo)體材料中使用的硅是從沙子中提取的（二氧化硅?). 通常，生產(chǎn)單晶硅錠的公司從沙子中提取硅元素，然后經(jīng)過(guò)高溫成型和多次純化，獲得純度為99.9999%的電子級(jí)硅（EGS）。然后在1400oC的鍋中熔化純硅，將含有所需晶體取向的小籽晶插入熔融的硅中，然后緩慢（1mm/min）拉出，使硅晶體制成圓柱形單晶硅錠。單個(gè)單晶硅錠的重量約為100kg。
晶圓加工
晶圓加工主要包括兩個(gè)步驟。第一步是將單晶硅錠水平鋸成圓盤，然后拋光結(jié)晶，得到鏡面狀晶片。第二步是對(duì)晶片進(jìn)行熱氧化。此時(shí)，純硅將通過(guò)充滿氧氣的高溫爐，在表面形成一層非常薄的二氧化硅，作為晶體管的柵極氧化層。
光刻
所謂的光刻工藝包括兩部分：掩模和光刻。首先，將具有光刻膠能力的光刻膠施加到晶片上，在硅襯底表面形成電路圖案，然后使用光對(duì)準(zhǔn)器將晶片與掩模對(duì)準(zhǔn)，晶片將穿過(guò)掩模的中空部分。當(dāng)暴露在紫外光下時(shí)，光致抗蝕劑的暴露部分變得可溶，使得掩模上的電路結(jié)構(gòu)被臨時(shí)復(fù)制到硅襯底上。
蝕刻
根據(jù)光刻機(jī)雕刻的電路結(jié)構(gòu)，在硅片上進(jìn)行微雕刻，雕刻凹槽或接觸孔。具體來(lái)說(shuō)，蝕刻是將顯影后的光刻膠圖案作為掩模，然后使用化學(xué)液體或等離子體蝕刻掉襯底上一定深度的薄膜材料，然后獲得與光刻膠圖案相同的集成電路圖案。
離子注入
離子注入是芯片制造過(guò)程中的一項(xiàng)重要摻雜技術(shù)，也是控制MOSFET閾值電壓的重要手段。通常在真空和低溫環(huán)境中，磷化氫或三氯化硼的雜質(zhì)離子被加速以獲得具有一定動(dòng)能的雜質(zhì)離子，然后將離子束拍攝到覆蓋有光刻膠掩模的晶片上。被光刻膠覆蓋的部分，離子束不能穿透光刻膠而被阻擋；在未被覆蓋的部分，離子束將被注入到襯底中以實(shí)現(xiàn)摻雜，而摻雜深度取決于離子束的能量。最后，在離子注入完成之后，在進(jìn)行下一步驟之前，必須徹底去除光致抗蝕劑。
金屬化
金屬化是指通過(guò)沉積等方法在晶片上沉積金屬膜，然后通過(guò)金屬膜光刻形成表面金屬連接，將各種部件連接在一起的過(guò)程。因此，第一步是蝕刻接觸孔。第二步是制備金屬膜。主要導(dǎo)電金屬材料可以是鋁合金或金。方法通常包括蒸發(fā)、濺射、金屬CVD和電鍍。目前，金屬CVD具有很強(qiáng)的臺(tái)階覆蓋率和良好的高縱橫比。接觸和無(wú)間隙填充特性被廣泛使用。第三步是使用光刻和蝕刻工藝或剝離技術(shù)去除布線以外的部分，以形成互連的金屬線。第四步是進(jìn)行合金化熱處理，以確保芯片和金屬之間具有良好的導(dǎo)電性。最后是平面化，減少了晶片表面不平整對(duì)光傳播精度的損害，從而影響了其精確的圖案制作。當(dāng)金屬層增加時(shí)，該工藝不僅用于表層，也用于中間層。
晶片測(cè)試
在承載集成電路的晶片被處理之后，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。主要目的是降低封裝成本，并盡早篩選出有問(wèn)題的集成電路模塊（芯片原型）。具體操作是使用探針測(cè)試平臺(tái)，根據(jù)潔凈室中預(yù)先定義的測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試芯片原型的電氣性能。該測(cè)試可以通過(guò)夾具對(duì)測(cè)試平臺(tái)上的晶片進(jìn)行一次性測(cè)試，而不必逐個(gè)執(zhí)行芯片，因此測(cè)試效率高。
切割和包裝
每個(gè)晶片包含數(shù)百到數(shù)萬(wàn)個(gè)芯片。用金剛石鋸將晶片切割成單獨(dú)的片，進(jìn)行薄化處理，然后對(duì)每個(gè)單獨(dú)的芯片（芯片）進(jìn)行電氣測(cè)試。如果測(cè)試結(jié)果有問(wèn)題，芯片將被丟棄；如果測(cè)試結(jié)果令人滿意，芯片將被送去封裝。在封裝之前，將使用顯微鏡對(duì)芯片進(jìn)行重新檢查，只有通過(guò)重新檢查的芯片才會(huì)被真正封裝。
包裝測(cè)試
對(duì)于芯片，出廠前測(cè)試主要包括三個(gè)方面。前兩個(gè)是晶圓測(cè)試和芯片測(cè)試，在上一節(jié)中已經(jīng)描述過(guò)（請(qǐng)參閱“切割和封裝”一章）。這里的重點(diǎn)實(shí)際上是第三個(gè)測(cè)試：封裝測(cè)試，即芯片出廠前的測(cè)試。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這三項(xiàng)測(cè)試將占整個(gè)芯片生產(chǎn)成本的1/4至1/2。
此時(shí)，待測(cè)試的芯片已經(jīng)被包裹在一層包裝中，并沒(méi)有那么脆弱。因此，對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求沒(méi)有那么嚴(yán)格，也沒(méi)有必要進(jìn)行潔凈室測(cè)試。然而，對(duì)于封裝測(cè)試，由于封裝本身的阻礙，測(cè)試探針無(wú)法接觸芯片內(nèi)部，測(cè)試范圍有限，測(cè)試的復(fù)雜性也增加了。
通用芯片封裝測(cè)試包括多種電氣特性測(cè)試，如功耗、發(fā)熱、運(yùn)行速度和各種環(huán)境下的耐受電壓。在測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常需要大量的編程和編程驗(yàn)證程序。有時(shí)，根據(jù)客戶的要求，會(huì)做一些有針對(duì)性的測(cè)試，看看客戶的需求是否得到滿足。當(dāng)測(cè)試結(jié)果正常時(shí)，芯片將標(biāo)有規(guī)格、型號(hào)和生產(chǎn)日期等絲網(wǎng)，并進(jìn)行包裝和裝運(yùn)。
四、總結(jié)
IC有很多種類型，每種類型的IC都有一定的特性：可編程或不可編程，有處理器或沒(méi)有處理器，高速或低速，緊湊或笨重。設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試集成電路的過(guò)程是復(fù)雜而詳細(xì)的。主要貢獻(xiàn)者是設(shè)計(jì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)、IP供應(yīng)商和IC制造商。先進(jìn)的EDA工具在減少與IC設(shè)計(jì)周期相關(guān)的時(shí)間和精力方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
