集成电路技术产业

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集成电路:从发明到应用

集成电路( IC)是指经过特种电路设计,利用半导体加工工艺,集成于一小块半导体(如硅、锗等) 晶片上的一组微型电子电路。 IC被广泛应用之前,传统的分立电路多以导线连接独立的电路元件而构成。 而集成电路相对于此,在体积上, 单片集成电路可比同样功能的分立电路小数倍; 结构上, IC非常紧凑,可使多达数十亿的晶体管等元件存在于一个人类指甲大小的面积上。 半导体优越的技术性能、 半导体设备制造技术的飞速发展、集成电路高效率的大规模生产以及采用结构单元的电路设计方式,使标准化集成电路迅速取代了过去运用分立元件的传统电路设计。

IC巨大的技术优势体现在两方面: 成本与性能。 芯片通过光刻技术被整体印制成独立单元,加上采用极少材料的封装技术——使成本得以大幅降低;微小的体积以及元件的紧密排布使信息切换速度极快并且产生更少的能耗其工作性能亦十分卓越。

如今集成电路已被广泛应用于所有电子设备,并推动了电子时代的到来,传媒、教育、娱乐、医疗、军工、通讯等各领域的发展均离不开性能卓越的集成电路设备。同时正因IC低成本、高性能的特质,才使得计算机、移动电话以及其他家用电子电器变为当今社会生活中不可或缺的组成部分。

集成电路的发明与发展

1947年底第一块晶体管问世,同为主动元件,相对于真空管,晶体管具有体积小、能耗低, 性能优越的特点,并且克服了真空管易碎的缺点,使其很快就成为了新兴产业。在实际运用中, 由于晶体管需要逐一单个生产, 由其构成的分立电路亦十分复杂且体积庞大,造成了大量使用上的不便,于是1952年英国人Dummer就提出集成电路的想法,取得突破的是德州仪器的Kilby在1958年基于锗晶体研制出世界第一块IC,但Kilby使用极细的金属丝作为连接线,这种情况下难以大规模生产IC, 1959年初,仙童公司的Noyce用光刻技术在硅基质上制作金属铝连线,使得整个IC都可以用平面工艺制作,在此基础上工业大规模生产IC成为可能,两人也因此被认为是集成电路的共同发明者。

根据集成电路技术所实现的具体功能,集成电路主要可以分为模拟集成电路、 数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。模拟集成电路又称线性电路, 用来产生、放大和处理各种模拟信号(幅度随时间变化),其输入信号和输出信号成比例关系,应用于各类模拟信号处理单元、放大器、滤波器、调制解调器等等。

数字集成电路则处理各种数字信号(在时间上和幅度上离散取值),应用领域十分广泛,如计算机CPU、内存、各类电器的微控制器等。数/模混合集成电路在同一个电路系统中通过信号转换,结合了模电以及数电单元,以实现复杂的技术控制功能,基于该技术的SoC(系统级芯片)现已成为IC领域最具潜力的发展方向之一。

由于数字集成电路具有数字运算、逻辑处理的功用,该技术被广泛应用于现代集成电路芯片制造领域。其中, CMOS数字集成电路现已成为构建特种运算、逻辑、控制电路的主流技术。

从时间角度划分, 在技术发展的早期,简单的集成电路受技术规模的局限, 单个芯片往往只能承载数个晶体管。过低的电路集成度同时意味着芯片设计过程十分简单、制造产量极低。伴随着科技的进步,数十亿的晶体管得以被臵于一块芯片之上。良好的电路设计要求周密的线路规划,这使得新型的电路设计方法同样实现了飞速的发展。

集成电路产业化过程

IC产业化初期主要用于航天和军事,美国阿波罗11号登月成功和两次海湾战争是IC应用于航天和军事最成功的案例, 1980年IBM研制出第一代商用化PC, IC在民用电子领域的发展逐渐加速,其发展过程主要经历了三次重要的变革,每次变革主要是因为单一公司的资本支出或技术无法支撑IC产业进一步发展,在此过程中,行业内公司的经营模式变得多样化,新的厂商的进入也导致整个行业发生结构性变化。

  • 第一次变革:电脑元件的标准化。 1960年至1970年,系统厂商包办了所有的设计和制造,随着电脑的功能要求越来越多,整个设计过程耗时较长,使得部分系统厂商产品推出时便已落伍, 因此,有许多厂商开始将使用的硬件标准化, 1970年左右,微处理器、存储器和其他小型IC元件逐渐标准化,也由此开始区分系统公司与专业集成电路制造公司。
  • 第二次变革:ASIC(特殊应用集成电路)技术的诞生。虽然有部分集成电路标准化,但在整个电脑系统中仍有不少独立IC,过多的IC使得运行效率不如预期, ASIC技术应运而生,同时系统工程师可以直接利用逻辑门元件资料库设计IC,不必了解晶体管线路设计的细节部分,设计观念上的改变使得专职设计的Fabless公司出现,专业晶圆代工厂Foundry的出现填补了Fabless公司需要的产能。
  • 第三次变革:IP(集成电路设计知识产权模块)的兴起。由于半导体制程的持续收缩,使得单一晶片上的集成度提高,如此一来,只是用ASIC技术,很难适时推出产品,此时IP概念兴起, IP即将具有某种特定功能的电路固定化,当IC设计需要用到这项功能时,可以直接使用这部分电路,随之而来的是专业的IP与设计服务公司的出现。

IC 多采用单片单晶硅作为半导体基质,并在该基质上构建各种复杂电路。单晶硅材料可由常见的富含二氧化硅的砂石经过提炼获得, 同时,硅元素仅次于氧元素,是地壳中第二丰富的元素, 构成地壳总质量的 26.4%。由价格低廉的沙子到性能卓越的芯片,集成电路“点石成金”的制作流程可分为设计、 制造、 封测(封装和测试)三个步骤。

经过提纯得到的多晶硅经过高温熔融,通过拉晶工艺制成纯度高达99.9999999%以上的高纯单晶硅晶柱。切割晶柱并通过抛光、研磨等工艺,得到薄而光滑的晶圆,后进行检测。 按照设计好的电路,对晶圆进行显影、 掺杂、 蚀刻等复杂的加工处理,分小格,将集成电路“印”在晶圆上。经过晶圆测试后,从晶圆上切割出质量合格的晶块,后进行封装。封装测试通过后,得到可以使用的集成电路芯片。

整个IC生产技术的提高体现在这三个领域各自的进化,设计端由早期工程师手工设计进化至如今引入了EDA( 电子设计自动化)技术;制造端体现在晶圆尺寸的增加和集成度的提高;封测端则由芯片层级拓展至系统层级。 下部分也将按该制作流程,介绍每部分技术和市场情况。

IC 设计、制造与封测

初期的IC设计是由工程师们手工绘制版图,电路设计都是从器件的物理版图设计入手,随着计算机软件技术的进步,工程师可以设计出集成度更高的电路图,同时设计方法也发生了改变, Top-Down( 自顶向下)设计方法逐渐取代 Bottom-Up(自底向上)成为主流设计方法。 Top-Down 设计是一开始就进行规格制定,类似于建筑设计时需要确定几个房间和每个房间的用途,以及需要遵守的规则;然后是借助HDL(硬体描述语言)、EDA等工具生成电路图。

IC设计最初作为大公司的一个部分, 1984年 Xilinx 的成立正式开启无工厂代工模式( Fabless),发展至今也仅仅有 30多年的时间, 2015 年IC设计产业的市场规模达842亿美元, 总部设于美国的IC设计公司囊括了全球IC设计产业营收的62%, 台湾IC设计公司占比为18%,排名第二, 中国大陆与欧洲IC设计公司势力此消彼长。大陆IC设计产业近年来急起直追,目前全球市场占比已达10%,排行第三; 欧洲 IC 设计产业则受到当地第二大与第三大IC设计公司CSR、Lantiq分别被高通(Qualcomm)、英特尔 (Intel)收购影响,导致欧洲IC设计公司的全球占比下滑到2%。

目前市场上从事IC设计的公司数量众多,仅仅中国2015年设计企业总数就达到了736家,不同种类的IC设计所用到的软件和需要遵守的规则差别较大,较早进入这个市场的公司先发优势明显,主要包括:丰富的设计经验、参与标准的制定和专利。本部分主要从市场的角度介绍目前各个领域的IC设计情况。IC产品依其功能,主要可分为存储器IC、微元件IC、逻辑IC、模拟IC,各个领域可再进行细分。

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