納米到底有多細微,?
在開始之前,,要先了解納米究竟是什么意思,。在數(shù)學上,,納米是 0.000000001 米,,但這是個相當差的例子,,畢竟我們只看得到小數(shù)點后有很多個零,卻沒有實際的感覺,。如果以指甲厚度做比較的話,,或許會比較明顯。
用標尺實際測量的話可以得知指甲的厚度約為 0.0001 米(0.1 毫米),,也就是說試著把一片指甲的側(cè)面切成 10 萬條線,,每條線就約等同于 1 納米,由此可略為想象得到 1 納米是何等的微小了,。
知道納米有多小之后,,還要理解縮小工藝的用意,縮小晶體管的最主要目的,,就是可以在更小的芯片中塞入更多的晶體管,,讓芯片不會因技術(shù)提升而變得更大;其次,,可以增加處理器的運算效率,;再者,減少體積也可以降低耗電量,;最后,,芯片體積縮小后,更容易塞入行動裝置中,,滿足未來輕薄化的需求,。
再回來探究納米工藝是什么,以 14 納米為例,,其工藝是指在芯片中,,線最小可以做到 14 納米的尺寸,下圖為傳統(tǒng)晶體管的長相,,以此作為例子,。縮小晶體管的最主要目的就是為了要減少耗電量,,然而要縮小哪個部分才能達到這個目的,?左下圖中的 L 就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度,,電流可以用更短的路徑從 Drain 端到 Source 端(有興趣的話可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋,,會有更詳細的解釋),。
此外,,計算機是以 0 和 1 作運算,,要如何以晶體管滿足這個目的呢?做法就是判斷晶體管是否有電流流通,。當在 Gate 端(綠色的方塊)做電壓供給,,電流就會從 Drain 端到 Source 端,如果沒有供給電壓,,電流就不會流動,,這樣就可以表示 1 和 0。(至于為什么要用 0 和 1 作判斷,,有興趣的話可以去查布爾代數(shù),,我們是使用這個方法作成計算機的)
尺寸縮小有其物理限制
不過,工藝并不能無限制的縮小,,當我們將晶體管縮小到 20 納米左右時,,就會遇到量子物理中的問題,讓晶體管有漏電的現(xiàn)象,,抵銷縮小 L 時獲得的效益,。作為改善方式,就是導(dǎo)入 FinFET(Tri-Gate)這個概念,,如右上圖,。在 Intel 以前所做的解釋中,可以知道藉由導(dǎo)入這個技術(shù),,能減少因物理現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象,。
更重要的是,藉由這個方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積,。在傳統(tǒng)的做法中(左上圖),,接觸面只有一個平面,但是采用 FinFET(Tri-Gate)這個技術(shù)后,,接觸面將變成立體,,可以輕易的增加接觸面積,這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小,,對縮小尺寸有相當大的幫助,。
最后,則是為什么會有人說各大廠進入 10 納米制程將面臨相當嚴峻的挑戰(zhàn),,主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 納米,,在 10 納米的情況下,一條線只有不到 100 顆原子,,在制作上相當困難,,而且只要有一個原子的缺陷,像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質(zhì),,就會產(chǎn)生不知名的現(xiàn)象,,影響產(chǎn)品的良率,。
如果無法想象這個難度,可以做個小實驗,。在桌上用 100 個小珠子排成一個 10×10 的正方形,,并且剪裁一張紙蓋在珠子上,接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉,,最后使他形成一個 10×5 的長方形,。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境,以及達成這個目標究竟是多么艱巨,。
隨著三星以及臺積電在近期將完成 14 納米,、16 納米 FinFET 的量產(chǎn),兩者都想爭奪 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工,,我們將看到相當精彩的商業(yè)競爭,,同時也將獲得更加省電、輕薄的手機,,要感謝摩爾定律所帶來的好處呢,。
【半導(dǎo)體科普】半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基:硅晶圓是什么?
在半導(dǎo)體的新聞中,,總是會提到以尺寸標示的晶圓廠,,如 8 吋或是 12 吋晶圓廠,然而,,所謂的晶圓到底是什么東西,?其中 8 吋指的是什么部分?要產(chǎn)出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢,?以下將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——「晶圓」到底是什么,。
何謂晶圓?
晶圓(wafer),,是制造各式計算機芯片的基礎(chǔ),。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棧,,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(wěn)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(gòu)造,,我們可將兩塊積木穩(wěn)固的迭在一起,且不需使用膠水,。芯片制造,,也是以類似這樣的方式,將后續(xù)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(xù)制造所需的條件,。
在固體材料中,,有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──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,。然而,該如何產(chǎn)生這樣的材料呢,,主要有二個步驟,,分別為純化以及拉晶,之后便能完成這樣的材料,。
如何制造單晶的晶圓
純化分成兩個階段,,第一步是冶金級純化,此一過程主要是加入碳,,以氧化還原的方式,,將氧化硅轉(zhuǎn)換成 98% 以上純度的硅。大部份的金屬提煉,,像是鐵或銅等金屬,,皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是,,98% 對于芯片制造來說依舊不夠,,仍需要進一步提升。因此,,將再進一步采用西門子制程(Siemens process)作純化,,如此,將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶硅,。
▲硅柱制造流程(Source: Wikipedia)
接著,,就是拉晶的步驟,。首先,將前面所獲得的高純度多晶硅融化,,形成液態(tài)的硅,。之后,以單晶的硅種(seed)和液體表面接觸,,一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起,。至于為何需要單晶的硅種,是因為硅原子排列就和人排隊一樣,,會需要排頭讓后來的人該如何正確的排列,,硅種便是重要的排頭,讓后來的原子知道該如何排隊,。最后,,待離開液面的硅原子凝固后,排列整齊的單晶硅柱便完成了,。
單晶硅柱(Souse:Wikipedia)
然而,,8吋、12吋又代表什么東西呢,?他指的是我們產(chǎn)生的晶柱,,長得像鉛筆筆桿的部分,表面經(jīng)過處理并切成薄圓片后的直徑,。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢,?如前面所說,晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣,,一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型,。有制作過棉花糖的話,應(yīng)該都知道要做出大而且扎實的棉花糖是相當困難的,,而拉晶的過程也是一樣,,旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會影響到晶柱的質(zhì)量。也因此,,尺寸愈大時,,拉晶對速度與溫度的要求就更高,因此要做出高質(zhì)量 12 吋晶圓的難度就比 8 吋晶圓還來得高,。
只是,,一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板,為了產(chǎn)生一片一片的硅晶圓,,接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片,,圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過這么多步驟,芯片基板的制造便大功告成,,下一步便是堆棧房子的步驟,,也就是芯片制造。至于該如何制作芯片呢,?接著往下看,。
【半導(dǎo)體科普】IC 芯片的制造,層層打造的高科技工藝
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棧,,創(chuàng)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,。
層層堆棧的芯片架構(gòu)
在開始前,我們要先認識 IC 芯片是什么,。IC,,全名集成電路(Integrated Circuit),由它的命名可知它是將設(shè)計好的電路,,以堆棧的方式組合起來,。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(jié)構(gòu)就像房子的梁和柱,一層一層堆棧,,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。
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,,在這里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,出入都由這里,,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(fù)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(fù)雜的構(gòu)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(jié)在一起,,在單層無法容納所有的線路下,就要多迭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。
分層施工,,逐層架構(gòu)
知道 IC 的構(gòu)造后,,接下來要介紹該如何制作。試想一下,,如果要以油漆噴罐做精細作圖時,,我們需先割出圖形的遮蓋板,蓋在紙上,。接著再將油漆均勻地噴在紙上,,待油漆干后,再將遮板拿開,。不斷的重復(fù)這個步驟后,,便可完成整齊且復(fù)雜的圖形。制造 IC 就是以類似的方式,,藉由遮蓋的方式一層一層的堆棧起來,。
制作 IC 時,可以簡單分成以上 4 種步驟。雖然實際制造時,,制造的步驟會有差異,,使用的材料也有所不同,但是大體上皆采用類似的原理,。這個流程和油漆作畫有些許不同,,IC 制造是先涂料再加做遮蓋,油漆作畫則是先遮蓋再作畫,。以下將介紹各流程,。
1.金屬濺鍍:將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上,形成一薄膜,。
2.涂布光阻:先將光阻材料放在晶圓片上,,透過光罩(光罩原理留待下次說明),將光束打在不要的部分上,,破壞光阻材料結(jié)構(gòu),。接著,再以化學藥劑將被破壞的材料洗去,。
3.蝕刻技術(shù):將沒有受光阻保護的硅晶圓,,以離子束蝕刻,。
4.光阻去除:使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉,,如此便完成一次流程。
最后便會在一整片晶圓上完成很多 IC 芯片,,接下來只要將完成的方形 IC 芯片剪下,,便可送到封裝廠做封裝,至于封裝廠是什么東西,?就要待之后再做說明啰,。
▲ 各種尺寸晶圓的比較。(Source:Wikipedia)
【半導(dǎo)體科普】IC 功能的關(guān)鍵,,復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計流程
在前面已經(jīng)介紹過芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣,,先有晶圓作為地基,再層層往上迭的芯片制造流程后,,就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片,。然而,沒有設(shè)計圖,,擁有再強制造能力都沒有用,,因此,建筑師的角色相當重要,。但是 IC 設(shè)計中的建筑師究竟是誰呢,?接下來要針對 IC 設(shè)計做介紹。
在 IC 生產(chǎn)流程中,IC 多由專業(yè) IC 設(shè)計公司進行規(guī)劃,、設(shè)計,,像是聯(lián)發(fā)科、高通,、Intel 等知名大廠,,都自行設(shè)計各自的 IC 芯片,提供不同規(guī)格,、效能的芯片給下游廠商選擇,。因為 IC 是由各廠自行設(shè)計,所以 IC 設(shè)計十分仰賴工程師的技術(shù),,工程師的素質(zhì)影響著一間企業(yè)的價值,。然而,工程師們在設(shè)計一顆 IC 芯片時,,究竟有那些步驟,?設(shè)計流程可以簡單分成如下。
設(shè)計第一步,,訂定目標
在 IC 設(shè)計中,,最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個步驟就像是在設(shè)計建筑前,,先決定要幾間房間,、浴室,有什么建筑法規(guī)需要遵守,,在確定好所有的功能之后在進行設(shè)計,,這樣才不用再花額外的時間進行后續(xù)修改。IC 設(shè)計也需要經(jīng)過類似的步驟,,才能確保設(shè)計出來的芯片不會有任何差錯,。
規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何,,對大方向做設(shè)定,。接著是察看有哪些協(xié)議要符合,像無線網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)范,,不然,,這芯片將無法和市面上的產(chǎn)品兼容,使它無法和其他設(shè)備聯(lián)機,。最后則是確立這顆 IC 的實作方法,,將不同功能分配成不同的單元,并確立不同單元間鏈接的方法,,如此便完成規(guī)格的制定,。
設(shè)計完規(guī)格后,,接著就是設(shè)計芯片的細節(jié)了。這個步驟就像初步記下建筑的規(guī)畫,,將整體輪廓描繪出來,,方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中,,便是使用硬件描述語言(HDL)將電路描寫出來,。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等,,藉由程序代碼便可輕易地將一顆 IC 地菜單達出來,。接著就是檢查程序功能的正確性并持續(xù)修改,直到它滿足期望的功能為止,。
▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例,。
有了計算機,事情都變得容易
有了完整規(guī)畫后,,接下來便是畫出平面的設(shè)計藍圖,。在 IC 設(shè)計中,邏輯合成這個步驟便是將確定無誤的 HDL code,,放入電子設(shè)計自動化工具(EDA tool),,讓計算機將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路,產(chǎn)生如下的電路圖,。之后,,反復(fù)的確定此邏輯閘設(shè)計圖是否符合規(guī)格并修改,直到功能正確為止,。
▲ 控制單元合成后的結(jié)果,。
最后,,將合成完的程序代碼再放入另一套 EDA tool,,進行電路布局與繞線(Place And Route)。在經(jīng)過不斷的檢測后,,便會形成如下的電路圖,。圖中可以看到藍、紅,、綠,、黃等不同顏色,每種不同的顏色就代表著一張光罩,。至于光罩究竟要如何運用呢,?
▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片,完成電路布局與繞線的結(jié)果,。
層層光罩,,迭起一顆芯片
首先,,目前已經(jīng)知道一顆 IC 會產(chǎn)生多張的光罩,這些光罩有上下層的分別,,每層有各自的任務(wù),。下圖為簡單的光罩例子,以集成電路中最基本的組件 CMOS 為范例,,CMOS 全名為互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal–oxide–semiconductor),,也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結(jié)合,形成 CMOS,。至于什么是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS),?這種在芯片中廣泛使用的組件比較難說明,一般讀者也較難弄清,,在這里就不多加細究,。
下圖中,左邊就是經(jīng)過電路布局與繞線后形成的電路圖,,在前面已經(jīng)知道每種顏色便代表一張光罩,。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。制作是,,便由底層開始,,依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法,逐層制作,,最后便會產(chǎn)生期望的芯片了,。
至此,對于 IC 設(shè)計應(yīng)該有初步的了解,,整體看來就很清楚 IC 設(shè)計是一門非常復(fù)雜的專業(yè),,也多虧了計算機輔助軟件的成熟,讓 IC 設(shè)計得以加速,。IC 設(shè)計廠十分依賴工程師的智能,,這里所述的每個步驟都有其專門的知識,皆可獨立成多門專業(yè)的課程,,像是撰寫硬件描述語言就不單純的只需要熟悉程序語言,,還需要了解邏輯電路是如何運作、如何將所需的算法轉(zhuǎn)換成程序,、合成軟件是如何將程序轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問題,。
在了解 IC 設(shè)計師如同建筑師,晶圓代工廠是建筑營造廠之后,,接下來該暸解最終如何把芯片包裝成一般用戶所熟知的外觀,,也就是「封裝」。下面將介紹 IC 封裝是什么以及幾個重要的技術(shù),。
【半導(dǎo)體科普】封裝,,IC 芯片的最終防護與統(tǒng)整
經(jīng)過漫長的流程,,從設(shè)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,。因此,本文接下來要針對封裝加以描述介紹,。
目前常見的封裝有兩種,,一種是電動玩具內(nèi)常見的,黑色長得像蜈蚣的 DIP 封裝,,另一為購買盒裝 CPU 時常見的 BGA 封裝,。至于其他的封裝法,還有早期 CPU 使用的 PGA(Pin Grid Array,;Pin Grid Array)或是 DIP 的改良版 QFP(塑料方形扁平封裝)等,。因為有太多種封裝法,以下將對 DIP 以及 BGA 封裝做介紹,。
傳統(tǒng)封裝,,歷久不衰
首先要介紹的是雙排直立式封裝(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(shù),,具有成本低廉的優(yōu)勢,適合小型且不需接太多線的芯片,。但是,,因為大多采用的是塑料,,散熱效果較差,,無法滿足現(xiàn)行高速芯片的要求。因此,,使用此封裝的,,大多是歷久不衰的芯片,如下圖中的 OP741,,或是對運作速度沒那么要求且芯片較小,、接孔較少的 IC 芯片,。
▲ 左圖的 IC 芯片為 OP741,是常見的電壓放大器,。右圖為它的剖面圖,,這個封裝是以金線將芯片接到金屬接腳(Leadframe)。(Source :左圖Wikipedia,、右圖Wikipedia)
至于球格數(shù)組(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(fù)雜,因此大多用在高單價的產(chǎn)品上,。
▲ 左圖為采用 BGA 封裝的芯片,,主流的 X86 CPU 大多使用這種封裝法。右圖為使用覆晶封裝的 BGA 示意圖,。(Source: 左圖Wikipedia)
行動裝置興起,,新技術(shù)躍上舞臺
然而,使用以上這些封裝法,,會耗費掉相當大的體積,。像現(xiàn)在的行動裝置、穿戴裝置等,,需要相當多種組件,,如果各個組件都獨立封裝,組合起來將耗費非常大的空間,,因此目前有兩種方法,,可滿足縮小體積的要求,分別為 SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet),。
在智能型手機剛興起時,,在各大財經(jīng)雜志上皆可發(fā)現(xiàn) SoC 這個名詞,然而 SoC 究竟是什么東西,?簡單來說,,就是將原本不同功能的 IC,整合在一顆芯片中,。藉由這個方法,,不單可以縮小體積,,還可以縮小不同 IC 間的距離,提升芯片的計算速度,。至于制作方法,,便是在 IC 設(shè)計時間時,將各個不同的 IC 放在一起,,再透過先前介紹的設(shè)計流程,,制作成一張光罩。
然而,,SoC 并非只有優(yōu)點,,要設(shè)計一顆 SoC 需要相當多的技術(shù)配合。IC 芯片各自封裝時,,各有封裝外部保護,,且 IC 與 IC 間的距離較遠,比較不會發(fā)生交互干擾的情形,。但是,,當將所有 IC 都包裝在一起時,就是噩夢的開始,。IC 設(shè)計廠要從原先的單純設(shè)計 IC,,變成了解并整合各個功能的 IC,增加工程師的工作量,。此外,,也會遇到很多的狀況,像是通訊芯片的高頻訊號可能會影響其他功能的 IC 等情形,。
此外,,SoC 還需要獲得其他廠商的 IP(intellectual property)授權(quán),才能將別人設(shè)計好的組件放到 SoC 中,。因為制作 SoC 需要獲得整顆 IC 的設(shè)計細節(jié),,才能做成完整的光罩,這同時也增加了 SoC 的設(shè)計成本,?;蛟S會有人質(zhì)疑何不自己設(shè)計一顆就好了呢?因為設(shè)計各種 IC 需要大量和該 IC 相關(guān)的知識,,只有像 Apple 這樣多金的企業(yè),,才有預(yù)算能從各知名企業(yè)挖角頂尖工程師,以設(shè)計一顆全新的 IC,,透過合作授權(quán)還是比自行研發(fā)劃算多了,。
折衷方案,SiP 現(xiàn)身
作為替代方案,,SiP 躍上整合芯片的舞臺,。和 SoC 不同,它是購買各家的 IC,,在最后一次封裝這些 IC,,如此便少了 IP 授權(quán)這一步,大幅減少設(shè)計成本,。此外,,因為它們是各自獨立的 IC,彼此的干擾程度大幅下降,。
▲ Apple Watch 采用 SiP 技術(shù)將整個計算機架構(gòu)封裝成一顆芯片,,不單滿足期望的效能還縮小體積,讓手表有更多的空間放電池,。(Source:Apple 官網(wǎng))
采用 SiP 技術(shù)的產(chǎn)品,,最著名的非 Apple Watch 莫屬。因為 Watch 的內(nèi)部空間太小,,它無法采用傳統(tǒng)的技術(shù),,SoC 的設(shè)計成本又太高,SiP 成了首要之選,。藉由 SiP 技術(shù),,不單可縮小體積,還可拉近各個 IC 間的距離,,成為可行的折衷方案,。下圖便是 Apple Watch 芯片的結(jié)構(gòu)圖,可以看到相當多的 IC 包含在其中,。
▲ Apple Watch 中采用 SiP 封裝的 S1 芯片內(nèi)部配置圖,。(Source:chipworks)
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(chǎn)品,。至此,,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)便完成了整個生產(chǎn)的任務(wù)。