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什么是芯片

發布時間:2017.10.14

      集成電路是我們高新區的重點產業之一,芯片作為集成電路的載體,是由晶元分割而成,今天小編將向大家介紹,芯片的構成和制作流程。

什么是圓晶?

        在半導體的新聞中,總是會提到以尺寸標示的晶圓廠,然而,所謂的晶圓到底是什么東西?以下將逐步介紹半導體最重要的基礎——「晶圓」到底是什么。

        晶圓(wafer),是制造各式電腦芯片的基礎。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子,藉由一層又一層的堆疊,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果沒有良好的地基,蓋出來的房子就會歪來歪去,不合自己所意,為了做出完美的房子,便需要一個平穩的基板。對芯片制造來說,這個基板就是接下來將描述的晶圓。

        首先,先回想一下小時候在玩樂高積木時,積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物,藉由這個構造,我們可將兩塊積木穩固的疊在一起,且不需使用膠水。芯片制造,也是以類似這樣的方式,將后續添加的原子和基板固定在一起。因此,我們需要尋找表面整齊的基板,以滿足后續制造所需的條件。

  在固體材料中,有一種特殊的晶體結構──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性,可以形成一個平整的原子表層。因此,采用單晶做成晶圓,便可以滿足以上的需求。


層層堆疊打造的芯片

      在介紹過硅晶圓是什么東西后,同時,也知道制造 IC 芯片就像是用樂高積木蓋房子一樣,藉由一層又一層的堆疊,創造自己所期望的造型。然而,蓋房子有相當多的步驟,IC 制造也是一樣,制造 IC 究竟有哪些步驟?本文將將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

  在開始前,我們要先認識 IC 芯片是什么。IC,全名積體電路(Integrated Circuit),由它的命名可知它是將設計好的電路,以堆疊的方式組合起來。藉由這個方法,我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖,從圖中可以看出它的結構就像房子的樑和柱,一層一層堆疊,這也就是為何會將 IC 制造比擬成蓋房子。

▲ IC 芯片的 3D 剖面圖。(Source:Wikipedia)


        從上圖中 IC 芯片的 3D 剖面圖來看,底部深藍色的部分就是上一篇介紹的晶圓,從這張圖可以更明確的知道,晶圓基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于紅色以及土黃色的部分,則是于 IC 制作時要完成的地方。

  首先,在這裡可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳,是一棟房子的門戶,出入都由這裡,在掌握交通下通常會有較多的機能性。因此,和其他樓層相比,在興建時會比較復雜,需要較多的步驟。在 IC 電路中,這個大廳就是邏輯閘層,它是整顆 IC 中最重要的部分,藉由將多種邏輯閘組合在一起,完成功能齊全的 IC 芯片。

  黃色的部分,則像是一般的樓層。和一樓相比,不會有太復雜的構造,而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這一層的目的,是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。之所以需要這么多層,是因為有太多線路要連結在一起,在單層無法容納所有的線路下,就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中,不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

        經過分層施工,逐層架構后,終于獲得一顆 IC 芯片了。然而一顆芯片相當小且薄,如果不在外施加保護,會被輕易的刮傷損壞。


告訴你什么是封裝

        經過漫長的流程,從設計到制造,終于獲得一顆 IC 芯片了。然而一顆芯片相當小且薄,如果不在外施加保護,會被輕易的刮傷損壞。此外,因為芯片的尺寸微小,如果不用一個較大尺寸的外殼,將不易以人工安置在電路板上。此為“封裝”。

        例如下圖的雙排直立式封裝(Dual Inline Package;DIP),從下圖可以看到采用此封裝的 IC 芯片在雙排接腳下,看起來會像條黑色蜈蚣,讓人印象深刻,此封裝法為最早采用的 IC 封裝技術,具有成本低廉的優勢,適合小型且不需接太多線的芯片。

         至于球格陣列(Ball Grid Array,BGA)封裝,和 DIP 相比封裝體積較小,可輕易的放入體積較小的裝置中。此外,因為接腳位在芯片下方,和 DIP 相比,可容納更多的金屬接腳,相當適合需要較多接點的芯片。然而,采用這種封裝法成本較高且連接的方法較復雜,因此大多用在高單價的產品上。

        完成封裝后,便要進入測試的階段,在這個階段便要確認封裝完的 IC 是否有正常的運作,正確無誤之后便可出貨給組裝廠,做成我們所見的電子產品。至此,半導體產業便完成了整個生產的任務咯!


(編輯:夏夢)

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