02.01 「科技50专题」之 芯片设计、制造、封装 工艺流程

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芯片,指的是内含集成电路的硅片,所以芯片又被称集成电路,一般只有 2.5 厘米平方大小,但是却包含几千万个晶体管,而较简单的处理器可能在几毫米见方的芯片上刻有几千个晶体管。芯片是电子设备中最重要的部分,承担着运算和存储的功能。

一颗芯片的诞生,可以分为设计、制造、封装,三个环节:

「科技50专题」之 芯片设计、制造、封装 工艺流程

芯片工艺流程

(一)芯片设计:在芯片生产流程中,一般多由专业芯片设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel 等知名大厂,都自行设计各自的芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。然而,没有设计图,拥有再强大的制造能力也无济于事,所以,芯片设计是整个芯片成型非常重要的一环。

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芯片设计流程图

主要半导体设计公司有:

英特尔、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、联发科、海思、展讯、中兴微电子、华大半导体、大唐半导体、士兰微、中星微电子等

(二)芯片制造:硅晶圆(wafer),是制造各式电脑芯片的基础,芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样,先有晶圆作为地基,再层层往上叠的芯片制造流程后,就可产出必要的芯片。

在开始前,我们要先认识 IC 芯片是什么。IC,全名积体电路(Integrated Circuit),由它的命名可知它是将设计好的电路,以堆叠的方式组合起来。藉由这个方法,我们可以减少连接电路时所需耗费的面积。下图为 IC 电路的 3D 图,从图中可以看出它的结构就像房子的樑和柱,一层一层堆叠,这也就是为何会将 IC 制造比拟成盖房子。

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IC芯片3D剖面图

了解 IC 的构造后,接下来要介绍该如何制作。试想一下,如果要以油漆喷罐做精细作图时,我们需先割出图形的遮盖板,盖在纸上。接着再将油漆均匀地喷在纸上,待油漆乾后,再将遮板拿开。不断的重复这个步骤后,便可完成整齐且复杂的图形。制造 IC 就是以类似的方式,藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。

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制作 IC 时,可以简单分成以上 4 种步骤。虽然实际制造时,制造的步骤会有差异,使用的材料也有所不同,但是大体上皆采用类似的原理。这个流程和油漆作画有些许不同,IC 制造是先涂料再加做遮盖,油漆作画则是先遮盖再作画。以下将介绍各流程。

金属溅镀:将欲使用的金属材料均匀洒在晶圆片上,形成一薄膜。

涂布光阻:先将光阻材料放在晶圆片上,透过光罩(光罩原理留待下次说明),将光束打在不要的部分上,破坏光阻材料结构。接着,再以化学药剂将被破坏的材料洗去。

蚀刻技术:将没有受光阻保护的硅晶圆,以离子束蚀刻。

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。

国际上主要晶圆代工厂:

中芯国际、三星、SK 海力士、华润微电子、华虹宏力、英特尔、台积电(台湾)、华力微电子、西安微电子、和舰科技、联电(台湾)、力晶(台湾)、武汉新芯、士兰微、先进半导体等

(三)芯片封装:经过漫长的流程,从设计到制造,终于获得一颗 IC 芯片了。然而一颗芯片相当小且薄,如果不在外施加保护,会被轻易的刮伤损坏。

目前常见的封装有两种,一种是电动玩具内常见的,黑色长得像蜈蚣的 DIP 封装,这种封装法为最早采用的 IC 封装技术,具有成本低廉的优势,适合小型且不需接太多线的芯片。但是,因为大多采用的是塑料,散热效果较差,无法满足现行高速芯片的要求。

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此为DIP封装的芯片OP741,对运作速度要求不高

另一为购买盒装 CPU 时常见的 BGA 封装,和 DIP 相比封装体积较小,可轻易的放入体积较小的装置中。此外,因为接脚位在芯片下方,和 DIP 相比,可容纳更多的金属接脚。相当适合需要较多接点的芯片。然而,采用这种封装法成本较高且连接的方法较复杂,因此大多用在高单价的产品上。

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左图采用BGA封装的芯片,右图使用覆晶封装的BGA示意图

主要的半导体封测厂有:

安靠技术(美国)、长电科技、通富微电、日月光、力成、南茂、颀邦、矽品、海太半导体等,国内的长电科技的封装水平,已经达到国际一流水平。

科技,半导体,芯片,是目前最高端制造业的代表,为了帮助朋友更好理解半导体芯片的投资,本文将芯片的制作流程做了一个简易的梳理,实际制作的细节,其复杂性远超过本文所述,在投资中,我们需要理解我们所投资的公司,在整个产业链中的位置及未来发展的前景,本文供朋友们参考理解!

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