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天微電子課堂 | 芯片解構:設計、製造與應用全攻略

一、芯片同集成電路嘅概念同區別

集成電路係20世紀50年代發展起嚟嘅一種半導體微型器件,係經過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等製造工藝,將半導體、電阻、電容等電子元件及連接導線全部集成喺微型硅片上,構成具有一定功能嘅電路,然後焊接封裝成嘅電子微型器件。

根據產品特徵嘅唔同,集成電路分為微處理器、模擬電路、邏輯電路及存儲器等類型。根據產品實現功能及下游領域嘅唔同,集成電路行業又可分為通信晶片、傳感器晶片、安全類晶片、存儲器晶片、應用處理器晶片、電源管理晶片、開發及控制晶片、驅動晶片等類型。其中,通信晶片主要用於無線、微波通訊,終端應用場景眾多,廣泛應用於手機、電腦、智能家居、智能支付工具等電子產品。隨住Wi-Fi等通信技術嘅普及應用,通信晶片市場規模逐年擴大,通信晶片亦都正向住體積細、速度快、功能多同低功耗嘅方向發展。

晶片同集成電路係兩個相關但唔完全相同嘅概念。雖然喺好多場合下可以互相替代使用。晶片通常係指非常小型化嘅電子元件,佢集成咗好多嘅晶體管、電容、電阻、電感等元件以及相關嘅電路,用嚟實現某種特定嘅功能。例如,中央處理器(CPU)就係一種晶片,佢集成咗大量嘅晶體管同相關電路,用嚟完成電腦嘅基本運算同控制任務。晶片通常係由單晶片材料上製造而成,具有高度集成同小型化嘅特點。

集成電路則係一種製造技術同應用技術,係透過將多個電子元件(晶體管、電容、電阻等)同電路集成到一個晶片上,從而實現更高嘅集成度同更細嘅體積。集成電路常常使用半導體工藝製造,因為半導體材料嘅導電性能可控,製造工藝更加成熟,仲可以生產出高質量、高穩定性嘅晶片。

晶片同集成電路雖然有重疊嘅部分,但佢哋嘅本質唔同。晶片更強調嘅係功能,而集成電路更強調嘅係製造技術同應用。當然,喺實際生產同使用中,呢兩個概念通常係相互關聯嘅。

二、晶片嘅製造

▌晶片設計

硬件描述語言:以文本形式描述數字系統硬件嘅結構同行為嘅語言軟件,常用嘅語言為Verilog HDL同VHDL兩種。使用EDA軟件將HDL code一鍵轉化成邏輯電路圖,再用EDA軟件將邏輯電路圖變成物理電路圖。(目前設計22nm以下晶片,只有正版晶片嘅物理電路圖廠家可以先製作掩膜,工廠識別電路圖需要兩次驗證EDA正版代碼)

▌物理製作環節

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直拉法:一種晶體生長方法,將多晶硅放入密封坩堝,用氬氣排空空氣,將多晶硅加熱至1420℃融化,將長條單晶硅晶種放入已融化硅,緩慢旋轉拉升,冷凝後形成單晶硅。

光刻膠:對紫外線光非常敏感,普通燈光嘅微弱紫外線光都會令光刻膠提前反應,所以製作環節需要在黃光環境進行。

光刻機:利用紫外線光透過掩膜照射到光刻膠上進行曝光,曝光嘅光刻膠利用掩膜將電路圖刻印喺晶體上。

刻蝕機:利用等離子體物理衝擊,將未被光刻膠覆蓋嘅氧化膜同下方嘅硅片刻蝕掉,形成鰭式場效應晶體管中嘅鰭。

離子注入機:高速度高能量離子束流,注入硅片改變載流子濃度同導電類型。

氣相沉積技術:對晶片塗上絕緣保護層,令佢有更強嘅耐蝕能力。

CMP化學研磨技術:打磨憑證拋光。

焊線處理:熱超聲鍵合技術:透過高頻振動波傳遞到兩個需要焊接嘅表面,使兩個金屬表面相互摩擦融合。

三、晶片嘅用途

▌邏輯晶片

邏輯晶片,亦稱可編程邏輯器件,係作為一種通用集成電路產生嘅,佢嘅邏輯功能按照用戶對器件編程嚟確定。邏輯晶片總伴隨住邏輯電路,基本上係由與門、或門同非門電路組合而成。PLD晶片屬於數字類型嘅電路晶片,而非模擬或混合信號(同時具有數字電路與模擬電路)晶片。

當前,邏輯晶片可分為:通用處理器晶片、存儲器晶片、專用集成電路晶片同現場可編程邏輯陣列晶片;其中,通用處理器晶片又可細分為中央處理晶片CPU、圖形處理晶片GPU以及數字信號處理晶片DSP。

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▌根據晶片製程唔同,邏輯晶片應用領域唔同。

(1)7nm及以下嘅邏輯晶片常用於:中高端移動設備、人工智能、網絡、5G基礎設施、GPU同高性能計算。

(2)7-20nm嘅邏輯晶片常用於:應用處理器、蜂窩基帶同ASIC設計、高端移動計算、網絡通信、消費類同汽車電子應用。

(3)20-28nm嘅邏輯晶片常用於:CPU、GPU、高速網絡晶片、智能電話、應用處理器(AP)、平板電腦、家庭娛樂、消費電子、汽車、物聯網。

(4)28-45nm嘅邏輯晶片常用於:CPU、圖形處理器、遊戲機、網絡、FPGA、硬碟驅動器、智能手機、數字電視(DTV)、機頂盒、遊戲同無線連接應用、物聯網、可穿戴應用。

(5)55-90nm嘅邏輯晶片常用於:移動設備、電腦、汽車電子、物聯網、智能可穿戴設備。

(6)90nm及以上嘅邏輯晶片常用於:光電傳感、消費電子、電腦、移動計算、汽車電子、物聯網、智能可穿戴設備。

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