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摘 要：在電子信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，各種電子設(shè)備都離不開(kāi)其核心部件——芯片，芯片又稱大規(guī)模集成電路，是在硅片上布置各種電子元器件而形成的片狀器件，有著計(jì)算、控制、存儲(chǔ)等多種功能。本文從芯片的概念講起，就芯片的制造流程和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作了一定分析。

關(guān)鍵詞：芯片;集成電路;封裝

中圖分類號(hào)：TN40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0038-02

1 芯片概述

芯片又稱為大規(guī)模集成電路，是一切由半導(dǎo)體材料制成元器件的稱謂，通常用硅片作為基底，而在基底上則有功能不同的集成電路，集成電路元件包括連接線、電阻、電容、電感等器件。芯片的最小單位是晶元，多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)晶元構(gòu)成了精密的芯片。從宏觀的領(lǐng)域上看，芯片的內(nèi)部可以不含電路等元器件，只要是半導(dǎo)體材料采用一系列精密加工而得來(lái)的有一定功能的元器件都可以稱為芯片，其是一種具有多重電路功能的片體結(jié)構(gòu)。除了一般組成集成電路的元器件，芯片的內(nèi)部一般還包含有其他元器件，包括但不限于晶體管、電子管、二極管、三極管等。[1]

芯片的特點(diǎn)十分鮮明，其有著體積小、元器件密度大、可靠性高、便于隨時(shí)更換等優(yōu)勢(shì)，但是可維修度很低?；谧陨淼膬?yōu)勢(shì)，芯片的使用場(chǎng)景多種多樣，既可以單獨(dú)作為電子元件，也可以和其他元件配合組成各種電子設(shè)備，例如常用的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、移動(dòng)電腦和各種家用電器，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也是衡量一個(gè)國(guó)家高科技技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。[2]芯片的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，布線時(shí)可以達(dá)到10nm工藝（布線時(shí)相鄰兩根線的間距），所以其制造工藝也很復(fù)雜。

2 芯片的制造流程

芯片的固態(tài)器件制造可以劃分為四個(gè)不同的階段。它們分別是材料預(yù)備、晶體生長(zhǎng)、晶圓制造和芯片封裝，下文將詳細(xì)描述各個(gè)過(guò)程，如圖1所示。

（1）材料準(zhǔn)備。芯片的材料一般為基底的硅，硅來(lái)自自然環(huán)境中的石材，將石材經(jīng)過(guò)加工提純而制成的高純度硅為母材，制造芯片的硅晶片具有多晶體的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是良好的半導(dǎo)體材料。用于制作元器件的材料則要根據(jù)元器件性能的不同來(lái)選配，大多以銅、銀、鎳等材料為主。[3]

（2）晶體生長(zhǎng)。這一階段主要是硅晶片上安放有特殊結(jié)構(gòu)的電路晶體，晶體在高光、高溫條件下進(jìn)行生長(zhǎng)，此過(guò)程一般需要提供極為干燥和無(wú)污染的環(huán)境。待晶體生長(zhǎng)完成后，用激光將晶體切割成一個(gè)一個(gè)的晶圓，最終通過(guò)表面處理，形成晶元制造的毛坯。

（3）晶圓制造。晶圓制造也稱為集成電路制造，此過(guò)程旨在在每個(gè)晶圓上制造集成電路部件，例如電阻、電容、電感、二極管、三極管等，一般一個(gè)晶圓上可以制造多達(dá)500個(gè)微型的電子元器件，最后，通過(guò)布線技術(shù)將各個(gè)元器件連接起來(lái)，構(gòu)成完整的電路芯片。

（4）芯片封裝。芯片的元器件和電路都制造完畢后，還不能達(dá)到出廠的標(biāo)準(zhǔn)，必須通過(guò)最為關(guān)鍵的一步——封裝。芯片封裝是指將晶圓上的電路分割為若干個(gè)單元，然后將其密封起來(lái)。此過(guò)程主要是為了使各單元充分隔離，避免互相干擾和外部環(huán)境的污染。

3 芯片的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 集成度加強(qiáng)

在芯片的內(nèi)部布局著多達(dá)上萬(wàn)個(gè)器件，這些器件通過(guò)高度的集成技術(shù)組合在一起，集成技術(shù)的不斷發(fā)揮可以有效降低芯片的大小，同時(shí)有利于在同樣的面積上安放更多的元器件，使芯片的性能可以不斷提高。世界著名的芯片制造企業(yè)——英特爾的CEO戈登在上世紀(jì)曾預(yù)計(jì)，芯片的集成程度每一年半就可以翻倍，這個(gè)預(yù)言后來(lái)被證實(shí)完全正確，這一理論也發(fā)展成后來(lái)的摩爾定律。芯片的集成度程度可以由小規(guī)模集成電路（SSI）到極大規(guī)模集成電路（ULSI）的范圍衡量，其詳細(xì)情況如表1所示。

3.2 特征尺寸不斷減小

在芯片技術(shù)范疇內(nèi)，芯片的設(shè)計(jì)尺寸評(píng)判尺度是以內(nèi)部零部件最小尺寸來(lái)計(jì)算的，此尺寸也叫作芯片的特征尺寸。在上世紀(jì)，芯片的工藝落后，不論是芯片元器件還是布線尺寸都很大，大約只能達(dá)到毫米級(jí)別，而在現(xiàn)在，這一數(shù)字已經(jīng)達(dá)到微米甚至納米級(jí)別。光學(xué)雕刻技術(shù)和層級(jí)連線技術(shù)的不斷發(fā)展是芯片特征尺寸不斷減小的主要原因，而集成電路的尺寸不斷減小也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。芯片特征尺寸的減小給芯片的各方面都帶來(lái)了極大的好處，首先，元器件尺寸的減小意味著可以節(jié)約更多的材料，使成本得以降低，另外，特征尺寸的減小直接減小了芯片的大小，這使得移動(dòng)設(shè)備可以搭載更加輕薄的各類芯片。[4]

3.3 缺陷密度不斷減小

芯片的生產(chǎn)是一件及其精密的工作，而伴隨著元器件尺寸的不斷減小和制程工藝的不斷提高，但是卻要保證其可靠性不能有任何降低。缺陷密度是指芯片中元器件因?yàn)楦鞣N原因（損壞、短路、斷路）而使芯片無(wú)法正常工作的幾率，降低缺陷密度是保證芯片能夠正常工作的基本措施。在一個(gè)一平方厘米的芯片上如果有多許多灰塵，那么會(huì)導(dǎo)致此芯片工作混亂甚至失效，通過(guò)封裝等技術(shù)可以有效降低缺陷密度，但是如何保證零缺陷密度則芯片制造工藝的進(jìn)一步研究。

3.4 布線越來(lái)越精密

芯片的內(nèi)部連線是保證其結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)直徑極小的精密導(dǎo)線將芯片中各元件連接起來(lái)，使其能夠構(gòu)成一個(gè)相互聯(lián)系的片上系統(tǒng)，在這些連線中既有單一的電源性，也有信號(hào)線（占絕大多數(shù)）。芯片之所以能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)指甲蓋大小的面積上布局多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)元器件，都?xì)w功于其布線工藝的提高。但是連線的水平也有最小的限制，就像馬路的寬度也有最低的限度，不然車輛便無(wú)法通行。所以為了進(jìn)一步提高元器件的密度，此時(shí)單層布線顯得不合時(shí)宜，科研工作者開(kāi)始研究多層布線技術(shù)，也就是在原來(lái)的芯片的上部或下部再開(kāi)發(fā)一個(gè)布線區(qū)域，這樣可以在不擴(kuò)大面積的基礎(chǔ)上使元器件密度和性能成倍增加。[5]

3.5 成本降低

工藝和產(chǎn)品提高所帶來(lái)的最大影響就是芯片的成本，很有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)顯示，從本世紀(jì)初到現(xiàn)在，芯片的存儲(chǔ)容量從1G發(fā)展到16G，但是價(jià)格卻是原來(lái)的1/3，不管從什么層次都可以計(jì)算出其性價(jià)比提升了成百上千倍?？v觀芯片成本的發(fā)展史，可以總結(jié)出以下規(guī)律：首先在上世紀(jì)六七十年代，此時(shí)大規(guī)模集成電路才剛剛興起，微型電路的生產(chǎn)工藝很落后，并且還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水線生產(chǎn)，所以成本居高不下，芯片此時(shí)還未進(jìn)入民用的市場(chǎng);到上世紀(jì)八九十年代，自動(dòng)化產(chǎn)線開(kāi)始出現(xiàn)，使得芯片的成本逐漸降低，當(dāng)成本達(dá)到消費(fèi)者可以承受的程度時(shí)，搭載芯片的個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)入到人們的視野中;到本世紀(jì)初，芯片的制造工藝和自動(dòng)化突飛猛進(jìn)，芯片工廠中大部分的工作都被自動(dòng)化設(shè)備所取代，勞動(dòng)力成本大大降低，芯片已經(jīng)變成了價(jià)格親民的高科技器件?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)的芯片可能會(huì)變成和主板一樣廉價(jià)的電子產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)，半導(dǎo)體工業(yè)將會(huì)繼續(xù)飛速發(fā)展，并將到達(dá)硅晶體管基本物理上的極限。在芯片領(lǐng)域，其技術(shù)不僅會(huì)在精密度、性能、功耗上不斷進(jìn)化，同時(shí)也將繼續(xù)吸收電子信息、集成電路、人工智能等領(lǐng)域的成果，和計(jì)算機(jī)的其他技術(shù)一起逐漸進(jìn)步。對(duì)于芯片的基底，也就是材料方面，更多的新材料將會(huì)代替現(xiàn)有的硅用于芯片基底的制造，例如現(xiàn)在已經(jīng)有量產(chǎn)的鎵/砷或復(fù)合材料為基底的芯片，該類芯片往往能夠在不犧牲性能的情況下在散熱性上比硅基底芯片更具優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在已在部分手機(jī)和輕薄筆記本中得到實(shí)際應(yīng)用。另外，人工智能的技術(shù)也將深刻地影響芯片的制造，對(duì)于現(xiàn)在大量的AI計(jì)算和并行計(jì)算，傳統(tǒng)芯片的運(yùn)行模式顯得力不從心，AI芯片的概念應(yīng)運(yùn)而生，其是專指能夠運(yùn)行人工智能程序的芯片，在運(yùn)行AI程序的能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通芯片?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)的芯片技術(shù)將繼續(xù)進(jìn)化，最終幫助人類邁入更加智能的科技新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉超，傅仁利，顧席光，等.芯片級(jí)LED封裝光源結(jié)構(gòu)散熱性能的數(shù)值模擬[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016（12）：234-243.

[2] 叢瑛瑛，陳絲.人工智能芯片發(fā)展態(tài)勢(shì)分析及對(duì)策建議[J].信息通信技術(shù)與政策，2018（8）：65-68.

[3] 石春琦.汽車電子芯片的市場(chǎng)規(guī)模與發(fā)展趨勢(shì)[J].集成電路應(yīng)用，2016，33（9）：15-18.

[4] 陳鋼輝，李駿，張兆新.淺談硅芯片工藝的極限以及發(fā)展方向[J].集成電路應(yīng)用，2016，33（12）：46-48.

[5] 馮洪亮，黃繼華，陳樹(shù)海，等.新一代功率芯片耐高溫封裝連接國(guó)內(nèi)外發(fā)展評(píng)述[J].焊接學(xué)報(bào)，2016，37（1）：120-128.