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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從上游到下游都在做什么

這篇要討論的重點(diǎn)則是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從上游到下游到底在做些什么。先來看一下關(guān)聯(lián)圖:


圖片來源:自制

我們先從大方向了解,之后再局部解說。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最上游是IC設(shè)計(jì)公司與硅晶圓制造公司,IC設(shè)計(jì)公司依客戶的需求設(shè)計(jì)出電路圖,硅晶圓制造公司則以多晶硅為原料制造出硅晶圓。中游的IC制造公司主要的任務(wù)就是把IC設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)好的電路圖移植到硅晶圓制造公司制造好的晶圓上。完成后的晶圓再送往下游的IC封測廠實(shí)施封裝與測試,即大功告成啰!

局部解說開始!

(1)硅晶圓制造

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最上游是硅晶圓制造。事實(shí)上,上游的硅晶圓產(chǎn)業(yè)又是由三個(gè)子產(chǎn)業(yè)形成的,依序?yàn)楣璧某醪郊兓?→ 多晶硅的制造 → 硅晶圓制造。
硅的初步純化:

將石英砂(SiO2)轉(zhuǎn)化成冶金級硅(硅純度98%以上)。


石英砂。資料來源:農(nóng)村信息網(wǎng)


冶金級硅。資料來源:Jimmybook

多晶硅的制造:

將冶金級硅制成多晶硅。這里的多晶硅可分成兩種:高純度(99.999999999%,11N)與低純度(99.99999%,7N)兩種。高純度是用來制做IC等精密電路IC,俗稱半導(dǎo)體等級多晶硅;低純度則是用來制做太陽能電池的,俗稱太陽能等級多晶硅。


多晶硅。資料來源:太陽能單多晶硅材料

硅晶圓制造:
將多晶硅制成硅晶圓。硅晶圓又可分成單晶硅晶圓與多晶硅晶圓兩種。一般來說,IC制造用的硅晶圓都是單晶硅晶圓,而太陽能電池制造用的硅晶圓則是單晶硅晶圓與多晶硅晶圓皆有。一般來說,單晶硅的效率會(huì)較多晶硅高,當(dāng)然成本也較高。


硅晶圓。資料來源:臺灣研準(zhǔn)股份有限公司

(2)IC設(shè)計(jì)

前面提到硅晶圓制造,投入的是石英砂,產(chǎn)出的是硅晶圓。IC設(shè)計(jì)的投入則是「好人」們超強(qiáng)的腦力(和肝),產(chǎn)出則是電路圖,最后制成光罩送往IC制造公司,就功德圓滿了!

不過,要讓理工科以外的人了解IC設(shè)計(jì)并不是件容易的事(就像要讓念理工的人了解復(fù)雜的衍生性金融商品一樣),作者必需要經(jīng)過多次外出取材才有辦法辦到。這里先大概是一下觀念,請大家發(fā)揮一下你們強(qiáng)大的想像力!

簡單來講,IC設(shè)計(jì)可分成幾個(gè)步驟,依序?yàn)椋阂?guī)格制定 → 邏輯設(shè)計(jì) → 電路布局 → 布局后模擬 → 光罩制作。

規(guī)格制定:

品牌廠或白牌廠(沒有品牌的品牌廠)的工程師和IC設(shè)計(jì)工程師接觸,并開出他們需要的IC的規(guī)格給IC設(shè)計(jì)工程師 (譬如說,第一個(gè)腳位和第二個(gè)腳位相加要等于第九個(gè)腳位)。討論好規(guī)格后,工程師們就開始快樂的工作啰!

邏輯設(shè)計(jì):

藉由軟件的幫助,工程師們終于完成了邏輯設(shè)計(jì)圖了,來看一下:


控制器邏輯圖

所謂的「邏輯」設(shè)計(jì)圖,就是指它是由簡單的邏輯元件構(gòu)成。什么是邏輯元件呢?像是AND Gate(故名思意,兩個(gè)輸入都是1的話,輸出才是1,否則輸出就是0),OR Gate(兩個(gè)輸入只要有一個(gè)輸入是1,輸出就是1)等。邏輯元件會(huì)在IC設(shè)計(jì)單元再和大家做進(jìn)一步的介紹。

電路布局:

基本上,就是利用軟件的幫助,把友善的邏輯設(shè)計(jì)圖,轉(zhuǎn)化成惡心的電路圖。如圖:


積體電路圖。圖片來源:ddvip

大家應(yīng)該很熟悉吧!里面大部分都是二極體和電晶體!

布局后模擬:

就是再經(jīng)由軟件測試看看,結(jié)果是不是和當(dāng)初「規(guī)格制定」是一樣的結(jié)果啰!

光罩制作:

電路完成后,再把電路制作成一片片的光罩就大功告成啰!完成后的光罩即送往IC制造公司。來看一下光罩長什么樣子吧!


光罩

(3) IC制造

IC制造的流程較復(fù)雜,但其實(shí)IC制造就只做一件事而已:把光罩上的電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓上。它的過程其實(shí)和傳統(tǒng)相片的制造過程非常類似 (當(dāng)然,精密度差太多了)!你如果上網(wǎng)google一下「IC制造」,會(huì)看到很多火星文的資料,保證你看不懂那些流程到底代表什么意思。

IC制造的步驟是這樣子的:薄膜→光阻→顯影→蝕刻→光阻去除,然后不斷的循環(huán)數(shù)十次。我們來看一下示意圖


IC制程。圖片來源:財(cái)報(bào)狗產(chǎn)業(yè)分析師Jeff

薄膜:

鍍上金屬(實(shí)際上不一定是金屬)

光阻:

在晶圓上涂上一層光阻(感光層)

顯影:

用強(qiáng)光透過「光罩」后照在晶圓上。這樣的話,除了「電路」該出現(xiàn)的部分,其余光阻的部分是不是都照到光了?

蝕刻:

把沒有光阻覆蓋的薄膜沖蝕

光阻去除:

把上面的光阻去除,留下的薄膜部分就是電路圖了!(這里假設(shè)電路圖就是「一長條」而已,實(shí)際情況當(dāng)然較復(fù)雜啰!)

很簡單吧!當(dāng)然,實(shí)際的過程沒那么簡單。實(shí)際的情形是光罩是由好幾十層構(gòu)成的,而每層需要的材質(zhì)也不一樣。也就是說,薄膜那一層需用不同的材質(zhì)。譬如說,SiO2。
有趣吧!以上都只是前菜,在「半導(dǎo)體制程」單元會(huì)有更詳細(xì)的介紹喔!

(4)IC封測

IC制造廠商完成的IC大致如下圖:


晶圓完成品。圖片來源:中國科普博覽

這一片片的晶圓完成品就被送往IC封測廠,實(shí)行IC的封裝與測試。

封裝:

封裝的流程大致如下:切割→黏貼→焊接→模封。

先講一下觀念好了,來看個(gè)CPU吧!


CPU。圖片來源:tom's hardware

圖片中央的就是CPU。CPU很大一個(gè),但仔細(xì)看,中間那個(gè)金屬部分才是CPU裸晶(又稱晶粒,即未封裝前的IC)的真正大小喔!其余的部分就是所謂的印刷電路板-PCB啰!

好!可以開始講IC封裝了!

切割:

第一步就是把IC制造公司送來的一片片晶圓切割成一顆顆長方形的IC啰!

黏貼:

把IC黏貼到PCB上

焊接:

故名思義,把IC的小接腳焊接到PCB上,這樣才和大PCB(如主機(jī)板)相容喔!

模封:

故名思義,就是把接腳模封起來。最近很hot的題材-BT樹脂,就是用在這里喔!

有感覺嗎?來看個(gè)圖就較清楚了:


IC成品。圖片來源:電子工程專輯

如圖,中間的是晶粒,往外接到PCB上。

這樣就大致完成啰!

2017-06-27  來源:OFweek電子工程網(wǎng)
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