芯片是我们这个时代最伟大的发明之一。如果没有芯片的出现，我们很难想象当前的电子时代会是什么样子。正是因为芯片的发明，所有的功能都集中在一个小芯片上。

一、芯片概念说明

芯片是集成电路的载体，它与晶片分开，通常是计算机或其他电子设备的重要组成部分。简单地说，该芯片将我们随处可见的电阻器和电容器等电子元件以及由它们组成的电路集成为一个小颗粒。芯片制造的过程就像用积木盖房子一样。首先，晶片作为基础，通过层层堆叠，你可以完成你想要的形状（即各种类型的芯片）。芯片是一种非常精密的仪器，其单位是纳米。对于一个普通的英特尔酷睿CPU来说，核心部分的大小与人类指甲相似，但它集成了数十亿甚至数百亿个晶体管。芯片有很多种。一系列相互关联的芯片可以组合成一个芯片组。它们相互依赖，结合在一起可以发挥更大的作用。例如，智能手机中的信号发送和接收模块由多个芯片组成。更大的集成电路在一起。

芯片广泛应用于我们的日常生活中，不同类型的芯片发挥着不同的作用。芯片就像人脑，接收信息，发出指令，控制人类行为。如果把CPU比作整个计算机系统的大脑，那么由CPU和其他芯片组成的芯片组就构成了整个身体的躯干。对于计算机来说，芯片组几乎决定了整个系统的功能。不仅手机、电脑等智能产品含有芯片，可以说，只要涉及到一些更复杂的功能，它们就会被使用。

二、芯片的分类

下图显示了常见芯片的分类，包括ASIC、ASSP、SoC、FPGA、SoC FPGA、μ控制器、μ处理器等。

通用集成电路

ASIC（专用集成电路）是专门为特定应用或目的构建的集成电路。与可编程逻辑器件或标准逻辑集成电路相比，ASIC可以提高速度，因为它们是专门为完成一件事而设计的，并且可以做到这一点。它也可以做得更小，耗电更少。这种电路的缺点是设计和制造成本更高，尤其是在只需要几个单元的情况下。

ASIC几乎可以在任何电子设备中找到，其用途从自定义图像渲染到声音转换。由于ASIC是定制的，它们只能由设计它们的公司使用，因此它们被视为专有技术。

ASSP：专用标准产品。专用标准产品（ASSP）的设计和实现与ASIC完全相同。这并不奇怪，因为它们本质上是一样的。唯一的区别是ASSP是一种更通用的设备，适用于多个系统设计工作室。例如，独立的USB接口芯片可以被归类为ASSP。

SOC是片上系统的缩写。由于它是一个系统，所以不能将单个系统称为系统。只有多个个体的组合才能称为系统。因此，SOC强调一个整体。SoC模仿了一个计算机系统，并被简化为一个微系统。在我接触过的SOC芯片中，硬件的大致组成部分是核心、存储器、外围接口（高速外围设备和低速外围设备）、总线、中断模块、时钟模块等。

现场可编程门阵列：现场可编程门阵列是一种半导体器件，由可编程互连连接的可配置逻辑块矩阵组成。FPGA制造完成后，可以根据所需的应用或功能要求对其进行重新编程。这一特性是区分FPGA和专用集成电路（ASIC）的关键。您可以针对特定的设计任务定制FPGA设备。尽管市场上有一次性可编程（OTP）FPGA，但它们大多基于SRAM，并且可以随着设计的发展而重新编程。

可编程SoC或SoC FPGA：集成处理器和FPGA架构的IC称为可编程SoC或SoC FPGA。这还包括外围设备、片上存储器、FPGA式逻辑阵列和高速收发器。主要应用于网络、航空航天、国防等领域。

微处理器（μP或MPU）：只包含处理器的IC称为微处理器。它不包含存储器（RAM、ROM等）或任何其他外围设备。

微控制器（μC或MCU）：包含处理器、存储器（RAM、ROM等）和其他外围设备的IC称为微控制器。这是一个通用设备，需要针对应用程序进行编程。微控制器可以用于各种工业产品中。微控制器是SoC的简化版本。

三、芯片是如何设计和制造的？

芯片设计

规范制定

在芯片设计公司内部，设计芯片的第一步是通过管理和数据分析起草提案，以便设计从一开始就满足行业细分要求。此时，高层设计师将开会进行可行性分析，并在此基础上确定芯片的功能和操作模式，确定性能、功能、物理尺寸、制造技术和设计技术等主要设计参数。

体系结构定义

定义系统的基本规范，例如浮点单位；确定要使用的系统，例如精简指令集计算机（RISC）或复杂指令集计算机；最终确定ALU高速缓存大小的数量等。

特色设计

定义系统的主要功能单元，以帮助确定单元之间的互连要求，以及每个单元的物理和电气规格。

逻辑设计

开发布尔表达式、控制流、字宽、寄存器分配等，并使用VHDL或Verilog HDL硬件描述语言在代码中描述函数，形成寄存器传输级（RTL）代码。

电路设计

逻辑设计给出了简化的逻辑实现，而电路设计则以网表的形式进一步表达了逻辑。网表通常由栅极、晶体管和各种互连组成。电路设计的效果可以通过仿真得到。

物理设计

在这一步中，实现了网表到其几何表示的转换，结果被称为布局，可以在功能上验证合成的网表。此步骤遵循一些预定义的固定规则，例如lambda规则，该规则提供确切的细节，如组件大小、比例和间距。下一步是验证已完成布线的物理布局的功能和时序。验证项目通常包括LVS、DRC、ERC等，当然还有一些功耗分析和可制造性分析。

设计过程导出

这是芯片设计的最后一步。根据芯片代工厂的要求导出设计工艺文件。设计公司保留了原始设计草案，可以进行灵活的修改，而相对最终确定的工艺文件物理布局是基于GDS II文件。该格式被移交给芯片代工厂作为制造基础。

制造和测试

精炼单晶硅锭

沙子是硅最便宜的来源，因此半导体材料中使用的硅是从沙子中提取的（二氧化硅₂). 通常，生产单晶硅锭的公司从沙子中提取硅元素，然后经过高温成型和多次纯化，获得纯度为99.9999%的电子级硅（EGS）。然后在1400ºC的锅中熔化纯硅，将含有所需晶体取向的小籽晶插入熔融的硅中，然后缓慢（1mm/min）拉出，使硅晶体制成圆柱形单晶硅锭。单个单晶硅锭的重量约为100kg。

晶圆加工

晶圆加工主要包括两个步骤。第一步是将单晶硅锭水平锯成圆盘，然后抛光结晶，得到镜面状晶片。第二步是对晶片进行热氧化。此时，纯硅将通过充满氧气的高温炉，在表面形成一层非常薄的二氧化硅，作为晶体管的栅极氧化层。

光刻

所谓的光刻工艺包括两部分：掩模和光刻。首先，将具有光刻胶能力的光刻胶施加到晶片上，在硅衬底表面形成电路图案，然后使用光对准器将晶片与掩模对准，晶片将穿过掩模的中空部分。当暴露在紫外光下时，光致抗蚀剂的暴露部分变得可溶，使得掩模上的电路结构被临时复制到硅衬底上。

蚀刻

根据光刻机雕刻的电路结构，在硅片上进行微雕刻，雕刻凹槽或接触孔。具体来说，蚀刻是将显影后的光刻胶图案作为掩模，然后使用化学液体或等离子体蚀刻掉衬底上一定深度的薄膜材料，然后获得与光刻胶图案相同的集成电路图案。

离子注入

离子注入是芯片制造过程中的一项重要掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的重要手段。通常在真空和低温环境中，磷化氢或三氯化硼的杂质离子被加速以获得具有一定动能的杂质离子，然后将离子束拍摄到覆盖有光刻胶掩模的晶片上。被光刻胶覆盖的部分，离子束不能穿透光刻胶而被阻挡；在未被覆盖的部分，离子束将被注入到衬底中以实现掺杂，而掺杂深度取决于离子束的能量。最后，在离子注入完成之后，在进行下一步骤之前，必须彻底去除光致抗蚀剂。

金属化

金属化是指通过沉积等方法在晶片上沉积金属膜，然后通过金属膜光刻形成表面金属连接，将各种部件连接在一起的过程。因此，第一步是蚀刻接触孔。第二步是制备金属膜。主要导电金属材料可以是铝合金或金。方法通常包括蒸发、溅射、金属CVD和电镀。目前，金属CVD具有很强的台阶覆盖率和良好的高纵横比。接触和无间隙填充特性被广泛使用。第三步是使用光刻和蚀刻工艺或剥离技术去除布线以外的部分，以形成互连的金属线。第四步是进行合金化热处理，以确保芯片和金属之间具有良好的导电性。最后是平面化，减少了晶片表面不平整对光传播精度的损害，从而影响了其精确的图案制作。当金属层增加时，该工艺不仅用于表层，也用于中间层。

晶片测试

在承载集成电路的晶片被处理之后，需要对其进行测试。主要目的是降低封装成本，并尽早筛选出有问题的集成电路模块（芯片原型）。具体操作是使用探针测试平台，根据洁净室中预先定义的测试点，测试芯片原型的电气性能。该测试可以通过夹具对测试平台上的晶片进行一次性测试，而不必逐个执行芯片，因此测试效率高。

切割和包装

每个晶片包含数百到数万个芯片。用金刚石锯将晶片切割成单独的片，进行薄化处理，然后对每个单独的芯片（芯片）进行电气测试。如果测试结果有问题，芯片将被丢弃；如果测试结果令人满意，芯片将被送去封装。在封装之前，将使用显微镜对芯片进行重新检查，只有通过重新检查的芯片才会被真正封装。

包装测试

对于芯片，出厂前测试主要包括三个方面。前两个是晶圆测试和芯片测试，在上一节中已经描述过（请参阅“切割和封装”一章）。这里的重点实际上是第三个测试：封装测试，即芯片出厂前的测试。据统计，这三项测试将占整个芯片生产成本的1/4至1/2。

此时，待测试的芯片已经被包裹在一层包装中，并没有那么脆弱。因此，对测试环境的要求没有那么严格，也没有必要进行洁净室测试。然而，对于封装测试，由于封装本身的阻碍，测试探针无法接触芯片内部，测试范围有限，测试的复杂性也增加了。

通用芯片封装测试包括多种电气特性测试，如功耗、发热、运行速度和各种环境下的耐受电压。在测试过程中，经常需要大量的编程和编程验证程序。有时，根据客户的要求，会做一些有针对性的测试，看看客户的需求是否得到满足。当测试结果正常时，芯片将标有规格、型号和生产日期等丝网，并进行包装和装运。

四、总结

IC有很多种类型，每种类型的IC都有一定的特性：可编程或不可编程，有处理器或没有处理器，高速或低速，紧凑或笨重。设计、制造和测试集成电路的过程是复杂而详细的。主要贡献者是设计和验证团队、IP供应商和IC制造商。先进的EDA工具在减少与IC设计周期相关的时间和精力方面发挥着至关重要的作用。