从IC芯片设计到制造与封装

01

复杂繁琐的芯片设计流程

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，芯片制造流程后，就可产出必要的IC芯片。然而，没有设计图，拥有再强的制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。但是IC设计中的建筑师究竟是谁呢？本文接下来要针对IC设计做介绍。

在IC生产流程中，IC多由专业IC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IC芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为IC是由各厂自行设计，所以IC设计十分仰赖工程师的技术，工程师的素质影响着一间企业的价值。然而，工程师们在设计一颗IC芯片时，究竟有那些步骤？设计流程可以简单分成如下。

设计第一步，订定目标

在IC设计中，最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

规格制定的第一步便是确定IC的目的、效能为何，对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合，像无线网卡的芯片就需要符合IEEE 802.11等规范，不然，这芯片将无法和市面上的产品相容，使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗IC的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连接的方法，如此便完成规格的制定。

设计完规格后，接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规划，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在IC芯片中，便是使用硬件描述语言（HDL）将电路描写出来。常使用的HDL有Verilog、VHDL等，借由程序码便可轻易的将一颗IC的功能表达出来。接着就是检查程序功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能为止。

▲32 bits加法器的Verilog范例

有了电脑，事情都变得容易

有了完整规划后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在IC设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定无误的HDL code，放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将HDL code转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。

▲控制单元合成后的结果

最后，将合成完的程序码再放入另一套EDA tool，进行电路布局与绕线（Place And Route）。再经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢？

▲常用的演算芯片-FFT芯片，完成电路布局与绕线的结果

层层光罩，叠起一颗芯片

首先，目前已经知道一颗IC会产生多张光罩，这些光罩有上下层的分别，每层有各自的任务。下图为简单的光罩例子，以集成电路中最基本的元件CMOS为范例，CMOS全名为互补式金属氧化物半导体（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是将NMOS和PMOS两者做结合，形成CMOS。

下图中，左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图，在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是，由底层开始，依循上一篇IC芯片的制造中所提的方法，逐层制作，最后便会产生期望的芯片了。

至此，对于IC设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚IC设计是一门非常复杂的专业，也多亏了电脑辅助软件的成熟，让IC设计得以加速。IC设计厂十分依赖工程师的智慧，这里所述的每个步骤都有其专门的知识，皆可独立成多门专业的课程，像是撰写硬件描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言，还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软件是如何将程式转换成逻辑闸等问题。

02

什么是晶圆？

在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如8寸或是12寸晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？其中8寸指的是什么部分？要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢？以下将逐步介绍半导体最重要的基础——“晶圆”到底是什么。

晶圆（wafer），是制造各式电脑芯片的基础。我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，借由一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去，不合自己所意，为了做出完美的房子，便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说，这个基板就是接下来将描述的晶圆。

（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）

首先，先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件。

在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求。然而，该如何产生这样的材料呢，主要有2个步骤，分别为纯化以及拉晶，之后便能完成这样的材料。

如何制造单晶的晶圆

纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成98%以上纯度的硅。大部份的金属提炼，像是铁或铜等金属，皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是，98%对于芯片制造来说依旧不够，仍需要进一步提升。因此，将再进一步采用西门子制程（Siemens process）作纯化，如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。

▲硅柱制造流程（Source：Wikipedia）

接着，就是拉晶的步骤。首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，形成液态的硅。之后，以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人知道该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了。

▲单晶硅柱（Souse：Wikipedia）

然而，8寸、12寸又代表什么东西呢？他指的是我们产生的晶柱，长得像铅笔笔杆的部分，表面经过处理并切成薄圆片后的直径。至于制造大尺寸晶圆又有什么难度？

如前面所说，晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样，一边旋转一边成型。有制作过棉花糖的话，应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的，而拉晶的过程也是一样，旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的品质。也因此，尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高，因此要做出高品质12寸晶圆的难度就比8寸晶圆还来得高。

只是，一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶圆，接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆。经过这么多步骤，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆叠房子的步骤，也就是芯片制造。至于该如何制作芯片呢？

层层堆叠打造的芯片

在介绍过硅晶圆是什么东西后，同时，也知道制造IC芯片就像是用乐高积木盖房子一样，借由一层又一层的堆叠，创造自己所期望的造型。然而，盖房子有相当多的步骤，IC制造也是一样，制造IC究竟有哪些步骤？本文将将就IC芯片制造的流程做介绍。

在开始前，我们要先认识IC芯片是什么。IC，全名集成电路（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。借由这个方法，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梁和柱，一层一层堆叠，这也就是为何会将IC制造比拟成盖房子。

▲IC芯片的3D剖面图。（Source：Wikipedia）

从上图中IC芯片的3D剖面图来看，底部深蓝色的部分就是上一篇介绍的晶圆，从这张图可以更明确的知道，晶圆基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于红色以及土黄色的部分，则是于IC制作时要完成的地方。

首先，在这里可以将红色的部分比拟成高楼中的一楼大厅。一楼大厅，是一栋房子的门户，出入都由这里，在掌握交通下通常会有较多的机能性。因此，和其他楼层相比，在兴建时会比较复杂，需要较多的步骤。在IC电路中，这个大厅就是逻辑闸层，它是整颗IC中最重要的部分，借由将多种逻辑闸组合在一起，完成功能齐全的IC芯片。

黄色的部分，则像是一般的楼层。和一楼相比，不会有太复杂的构造，而且每层楼在兴建时也不会有太多变化。这一层的目的，是将红色部分的逻辑闸相连在一起。之所以需要这么多层，是因为有太多线路要连接在一起，在单层无法容纳所有的线路下，就要多叠几层来达成这个目标了。在这之中，不同层的线路会上下相连以满足接线的需求。

分层施工，逐层架构

知道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，待油漆干后，再将遮板拿开。不断地重复这个步骤后，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。

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，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。

最后便会在一整片晶圆上完成很多IC芯片，接下来只要将完成的方形IC芯片剪下，便可送到封装厂做封装。

▲各种尺寸晶圆的比较。（Source：Wikipedia）

03

纳米制程是什么？

三星以及台积电在先进半导体制程打得相当火热，彼此都想要在晶圆代工中抢得先机以争取订单，几乎成了14纳米与16纳米之争，然而14纳米与16纳米这两个数字的究竟意义为何，指的又是哪个部位？而在缩小制程后又将来带来什么好处与难题？以下我们将就纳米制程做简单的说明。

纳米到底有多细微？

在开始之前，要先了解纳米究竟是什么意思。在数学上，纳米是0.000000001公尺，但这个例子比较抽象，毕竟我们只看得到小数点后有很多个零，却没有实际的感觉。如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显。

用尺规实际测量的话可以得知指甲的厚度约为0.0001公尺（0.1毫米），也就是说试着把一片指甲的侧面切成10万条线，每条线就约等同于1纳米，由此可略为想像得到1纳米是何等的微小了。

知道纳米有多小之后，还要理解缩小制程的用意，缩小电晶体的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体，让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，可以增加处理器的运算效率；再者，减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后，更容易塞入移动设备中，满足未来轻薄化的需求。

再回来探究纳米制程是什么，以14纳米为例，其制程是指在芯片中，线最小可以做到14纳米的尺寸，下图为传统电晶体的长相，以此作为例子。缩小电晶体的最主要目的就是为了要减少耗电量，然而要缩小哪个部分才能达到这个目的？左下图中的L就是我们期望缩小的部分。藉由缩小闸极长度，电流可以用更短的路径从Drain端到Source端。

（Source：www.slideshare.net）

此外，电脑是以0和1作运算，要如何以电晶体满足这个目的呢？做法就是判断电晶体是否有电流流通。当在Gate端（绿色的方块）做电压供给，电流就会从Drain端到Source端，如果没有供给电压，电流就不会流动，这样就可以表示1和0。

尺寸缩小有其物理限制

不过，制程并不能无限制的缩小，当我们将电晶体缩小到20纳米左右时，就会遇到量子物理中的问题，让电晶体有漏电的现象，抵销缩小L时获得的效益。作为改善方式，就是导入FinFET（Tri-Gate）这个概念，如右图。在Intel以前所做的解释中，可以知道藉由导入这个技术，能减少因物理现象所导致的漏电现象。

（Source：www.slideshare.net）

更重要的是，藉由这个方法可以增加Gate端和下层的接触面积。在传统的做法中，接触面只有一个平面，但是采用FinFET（Tri-Gate）这个技术后，接触面将变成立体，可以轻易的增加接触面积，这样就可以在保持一样的接触面积下让Source-Drain端变得更小，对缩小尺寸有相当大的帮助。

最后，则是为什么会有人说各大厂进入10纳米制程将面临相当严峻的挑战，主因是1颗原子的大小大约为0.1纳米，在10纳米的情况下，一条线只有不到100颗原子，在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象，影响产品的良率。

如果无法想像这个难度，可以做个小实验。在桌上用100个小珠子排成一个10×10的正方形，并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉，最后使他形成一个10×5的长方形。这样就可以知道各大厂所面临到的困境，以及达成这个目标究竟是多么艰巨。

04

告诉你什么是封装

封装，IC芯片的最终防护与统整

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。此外，因为芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，将不易由人工安置在电路板上。因此，本文接下来要针对封装加以描述介绍。

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，另一为购买盒装CPU时常见的BGA封装。至于其他的封装法，还有早期CPU使用的PGA（Pin Grid Array；Pin Grid Array）或是DIP的改良版QFP（塑料方形扁平封装）等。因为有太多种封装法，以下将对DIP以及BGA封装做介绍。

传统封装，历久不衰

首先要介绍的是双排直立式封装（Dual Inline Package；DIP），从下图可以看到采用此封装的IC芯片在双排接脚下，看起来会像条黑色蜈蚣，让人印象深刻，此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。因此，使用此封装的，大多是历久不衰的芯片，如下图中的OP741，或是对运作速度没那么要求且芯片较小、接孔较少的IC芯片。

▲左图的IC芯片为OP741，是常见的电压放大器，右图为它的剖面图，这个封装是以金线将芯片接到金属接脚（Leadframe）（Source：左图Wikipedia、右图Wikipedia）

至于球格阵列（Ball Grid Array，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。

▲左图为采用BGA封装的芯片，右图为使用覆晶封装的BGA示意图（Source：左图Wikipedia）

移动设备兴起，新技术跃上舞台

然而，使用以上这些封装法，会耗费掉相当大的体积。像现在的移动设备、穿戴设备等，需要相当多种元件，如果各个元件都独立封装，组合起来将耗费非常大的空间，因此目前有两种方法，可满足缩小体积的要求，分别为SoC（System On Chip）以及SiP（System In Packet）。

在智能手机刚兴起时，在各大财经杂志上皆可发现SoC这个名词，然而SoC究竟是什么东西？简单来说，就是将原本不同功能的IC，整合在一颗芯片中。借由这个方法，不单可以缩小体积，还可以缩小不同IC间的距离，提升芯片的计算速度。至于制作方法，便是在IC设计阶段时，将各个不同的IC放在一起，再透过先前介绍的设计流程，制作成一张光罩。

然而，SoC并非只有优点，要设计一颗SoC需要相当多的技术配合。IC芯片各自封装时，各有封装外部保护，且IC与IC间的距离较远，比较不会发生交互干扰的情形。但是，当将所有IC都包装在一起时，就是噩梦的开始。IC设计厂要从原先的单纯设计IC，变成整合各个功能的IC，增加工程师的工作量。此外，也会遇到很多的状况，像是通讯芯片的高频讯号可能会影响其他功能的IC等情形。

此外，SoC还需要获得其他厂商的IP（intellectual property）授权，才能将别人设计好的元件放到SoC中。因为制作SoC需要获得整颗IC的设计细节，才能做成完整的光罩，这同时也增加了SoC的设计成本。或许会有人质疑何不自己设计一颗就好了呢？因为设计各种IC需要大量和该IC相关的知识，只有像Apple这样多金的企业，才有预算能从各知名企业挖角顶尖工程师，以设计一颗全新的IC，透过合作授权还是比自行研发划算多了。

折衷方案，SiP现身

作为替代方案，SiP跃上整合芯片的舞台。和SoC不同，它是购买各家的IC，在最后一次封装这些IC，如此便少了IP授权这一步，大幅减少设计成本。此外，因为它们是各自独立的IC，彼此的干扰程度大幅下降。

▲Apple Watch采用SiP技术将整个电脑架构封装成一颗芯片，不单满足期望的效能还缩小体积，让手表有更多的空间放电池（Source：Apple官网）

采用SiP技术的产品，最著名的非Apple Watch莫属。因为Watch的内部空间太小，它无法采用传统的技术，SoC的设计成本又太高，SiP成了首要之选。借由SiP技术，不单可缩小体积，还可拉近各个IC间的距离，成为可行的折衷方案。下图便是Apple Watch芯片的结构图，可以看到相当多的IC包含在其中。

▲Apple Watch中采用SiP封装的S1芯片内部配置图（Source：chipworks）

完成封装后，便要进入测试的阶段，在这个阶段便要确认封装完的IC是否有正常的运作，正确无误之后便可出货给组装厂，做成我们所见的电子产品。至此，半导体产业便完成了整个生产的任务。