【E課堂】詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

　　告訴你什么是封裝

　　經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的流程，從設(shè)計(jì)到制造，終于獲得一顆 IC 芯片了。然而一顆芯片相當(dāng)小且薄，如果不在外施加保護(hù)，會(huì)被輕易的刮傷損壞。此外，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/芯片">芯片的尺寸微小，如果不用一個(gè)較大尺寸的外殼，將不易以人工安置在電路板上。因此，接下來(lái)要針對(duì)封裝加以描述介紹。

　　目前常見(jiàn)的封裝有兩種，一種是電動(dòng)玩具內(nèi)常見(jiàn)的，黑色長(zhǎng)得像蜈蚣的 DIP 封裝，另一為購(gòu)買(mǎi)盒裝 CPU 時(shí)常見(jiàn)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?yàn)橛刑喾N封裝法，以下將對(duì) 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(lái)會(huì)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(shì)，適合小型且不需接太多線的芯片。但是，因?yàn)榇蠖嗖捎玫氖撬芰?，散熱效果較差，無(wú)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(duì)運(yùn)作速度沒(méi)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(jiàn)的電壓放大器。右圖為它的剖面圖，這個(gè)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?yàn)榻幽_位在芯片下方，和 DIP 相比，可容納更多的金屬接腳。相當(dāng)適合需要較多接點(diǎn)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(jià)的產(chǎn)品上。

　　▲ 左圖為采用 BGA 封裝的芯片。右圖為使用覆晶封裝的 BGA 示意圖。(Source： 左圖 Wikipedia)

　　行動(dòng)裝置興起，新技術(shù)躍上舞臺(tái)

　　然而，使用以上這些封裝法，會(huì)耗費(fèi)掉相當(dāng)大的體積。像現(xiàn)在的行動(dòng)裝置、穿戴裝置等，需要相當(dāng)多種元件，如果各個(gè)元件都獨(dú)立封裝，組合起來(lái)將耗費(fèi)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)。

　　在智慧型手機(jī)剛興起時(shí)，在各大財(cái)經(jīng)雜志上皆可發(fā)現(xiàn) SoC 這個(gè)名詞，然而 SoC 究竟是什么東西?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將原本不同功能的 IC，整合在一顆芯片中。藉由這個(gè)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(jì)算速度。至于制作方法，便是在 IC 設(shè)計(jì)階段時(shí)，將各個(gè)不同的 IC 放在一起，再透過(guò)先前介紹的設(shè)計(jì)流程，制作成一張光罩。

　　然而，SoC 并非只有優(yōu)點(diǎn)，要設(shè)計(jì)一顆 SoC 需要相當(dāng)多的技術(shù)配合。IC 芯片各自封裝時(shí)，各有封裝外部保護(hù)，且 IC 與 IC 間的距離較遠(yuǎn)，比較不會(huì)發(fā)生交互干擾的情形。但是，當(dāng)將所有 IC 都包裝在一起時(shí)，就是噩夢(mèng)的開(kāi)始。IC 設(shè)計(jì)廠要從原先的單純?cè)O(shè)計(jì) IC，變成了解并整合各個(gè)功能的 IC，增加工程師的工作量。此外，也會(huì)遇到很多的狀況，像是通訊芯片的高頻訊號(hào)可能會(huì)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(jì)好的元件放到 SoC 中。因?yàn)橹谱?nbsp;SoC 需要獲得整顆 IC 的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，才能做成完整的光罩，這同時(shí)也增加了 SoC 的設(shè)計(jì)成本?；蛟S會(huì)有人質(zhì)疑何不自己設(shè)計(jì)一顆就好了呢?因?yàn)樵O(shè)計(jì)各種 IC 需要大量和該 IC 相關(guān)的知識(shí)，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(jì)一顆全新的 IC，透過(guò)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(tái)。和 SoC 不同，它是購(gòu)買(mǎi)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(jì)成本。此外，因?yàn)樗鼈兪歉髯元?dú)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(gè)電腦架構(gòu)封裝成一顆芯片，不單滿足期望的效能還縮小體積，讓手錶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?yàn)?nbsp;Watch 的內(nèi)部空間太小，它無(wú)法采用傳統(tǒng)的技術(shù)，SoC 的設(shè)計(jì)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(gè) 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(dāng)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(jìn)入測(cè)試的階段，在這個(gè)階段便要確認(rèn)封裝完的 IC 是否有正常的運(yùn)作，正確無(wú)誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見(jiàn)的電子產(chǎn)品。至此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)便完成了整個(gè)生產(chǎn)的任務(wù)。