集成电路产业链介绍

2024-07-30 16:37:14

　　Bsports集成电路产业是技术含量高、产业链长、涵盖范围广，国际分工合作程度高的巨大产业。例如美国英特尔拥有超过16000家供应商，其中8500家分布于世界各地。一条完整的集成电路产业链除了设计、芯片制造和封装测试以外，还包括技术研发、集成电路设计软件提供、集成电路设备制造、关键材料生产等相关支撑产业。集成电路产业链由图1表示。

　　技术研发是指集成电路产业链中的企业为了提高产品质量或产品更新换代、增加产品线而进行的研究与开发工作。随着集成电路工艺技术的发展，企业用于半导体材料、工艺技术、加工设备、设计技术、测试设备等的研发极为活跃，贯穿于集成电路产业链的全部环节。技术研发费用一般占企业销售收入的15%-20%。

　　集成电路设计是指根据客户需求，制定产品功能及规格进行芯片设计的全过程，集成电路设计流程如图2所示。

　　集成电路设计主要包括设计方案确定、设计工艺确定、电路设计、仿真、版图设计、设计文档提交等环节。在确定设计工艺时需要集成电路制造厂商提供使用工艺的物理设计库和标准单元库（Process Design Kit,PDK），例如采用90纳米工艺进行电路设计，需要集成电路制造厂商提供90纳米工艺电路元器件的物理模型。在电路设计、仿真和版图设计阶段需要由EDA软件供应商提供集成电路设计及仿真软件，集成电路制造厂商提供电路元器件设计及版图规则，根据集成电路功能要求还有可能需要IP厂商提供IP用以实现电路整体设计。

　　集成电路制造是世界上最复杂的工程之一，有200-300道生产工序，使用30-60个掩模版，一般生产过程耗时6-8周。集成电路制造的过程就是将版图信息通过掩膜版（模具）在晶圆上刻制成集成电路的过程。目前，绝大多数厂商采用CMOS工艺进行集成电路制造。其基本工艺流程如3所示。

　　首先集成电路制造厂商获得设计厂商提供的芯片版图信息，从晶圆制造厂获得晶圆片，根据芯片的版图信息制作掩膜版，通过光刻、氧化、沉淀、刻蚀、掺杂等工艺流程的循环完成集成电路制作的过程。集成电路制造完成后在硅基板上出现多层的金属层、绝缘层。集成电路制造各流程及相关名词介绍如下：

　　1）CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）:互补金属氧化物半导体的简称，其有PMOS（P型金属氧化物半导体）和NMOS（N型金属氧化物半导体）构成，是现代集成电路构成的基本器件。

　　2）晶圆：抛光过的纯硅基片，其直径在50毫米-300毫米（2-12英寸）之间，其厚度约为600微米，是芯片制作的衬底。

　　3）掩模版：作为制造模具将版图数据定义的图形固化到铬板等材料上。图2-5显示了一个拥有七层掩膜版的集成电路例子。

　　4）光刻：把掩模版上的图形利用紫外线通过涂胶、曝光、显影、烘干等流程转换为晶圆上的器件结构的工序过程。

　　6）沉淀：将二氧化硅、金属一层层铺垫至硅基板，作为层间绝缘和金属导线）刻蚀：将二氧化硅和金属层根据电路版图要求进行刻画，变成相应的金属线和线间绝缘层，刻蚀过程中使用到强酸及有毒气体等。

　　图5(a)为NMOS的电路模型，其电子通道长度为源极到漏极的距离L，图2-6(b)为NMOS的立体器件模型中L表示电子通道长度、W代表NMOS器件的宽度。1965年英特尔创始人摩尔对集成电路工艺发展做出了经验性总结，即“每18-24个月集成电路中的半导体数量将增加一倍”，这就是著名的摩尔定理。它说明集成电路的制造尺寸将每个18-24个月减小一倍。由于MOS的制造尺寸为电子通道长度L和MOS器件宽度W的乘积，因此电子沟通长度L以的比例缩小。这一经验性总结在50年的时间里成为集成电路工艺技术发展的指标，各集成电路制造厂商基本遵循摩尔定理进行集成电路工艺的生产与研发。图2-7显示了近20年集成电路工艺发展的路径，例如65纳米即为90纳米的倍。（厦门联芯55纳米,40纳米,28纳米工艺线纳米的缩小版本）集成电路尺寸的减小的对于逻辑电路、存储器、微处理器等集成电路而言，其优点在于

　　由集成电路制造厂商生产出的集成电路通常以晶圆片的形式送还集成电路设计企业，不能够直接使用。晶圆片上集成电路裸露在空气中，称之为裸片。裸片受外界环境影响较大，无法保证其工作可靠性，必须经过晶圆切割、封装、测试后才能够流向市场。通常集成电路封装由单独的封装厂进行。传统集成电路封装的基本工艺流程如图2-8所示

　　集成电路封装流程大体分为两个环节，前段工序环节和后段工序环节。其中前段工序环节需要在净化环境下完成，后段工序在洁净车间完成。封装厂商接收晶圆后先进行表面缺陷检查，确保晶圆片正常，随后进行将晶圆片切割成集成电路的工序，由于晶圆片较厚（通过600微米），为了方便切割，先将晶圆片背面通过打磨降低其厚度。随后进行晶圆切割，获得集成电路单体。随后将集成电路单体固定在封装基板上，这一工序称之为贴片。贴片后将集成电路内部的输入、输出接口通过焊接金属线的形式引出作为封装管脚，这一过程成为焊线，焊线保证了封装后集成电路与芯片内部的信号链接。焊接金属线后在集成电路四周填充材料（通常为聚酯材料），使芯片与外界绝缘，保护芯片，这一过程称之为塑封，然后通过整形，镀锡，打印产品标识，管脚切割、成型后完成封装过程。在封装的所有工序中都要进行产品检测。

　　为保证集成电路的工作特性，集成电路根据用途需要进行相应的测试。测试基本上分为功能测试和性能测试，一般成品测试以功能测试为主，包括电测辐射测试，温度测试，老化测试等。