從無到有，做好一顆芯片要幾步？
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來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
把大象放進冰箱需要幾步？3步, 打開冰箱門,放入大象,最后關(guān)門。那做好一顆芯片又需要幾步？也是3步，設(shè)計芯片、制造芯片，最后封測芯片。然而，做芯片真的就這么簡單嗎？顯然不是。前不久，一篇《一個億的融資在一家芯片初創(chuàng)公司可以燒多久》文章刷屏了眾多人的朋友圈，文中有這么一句話，“一個億燒完的時候，其實很多公司連芯片的影兒都沒見著，有模有樣的demo可能都沒搞出來?！?/span>
是的，一個億或許能買湯臣一品一套房，但卻不一定能支撐一顆芯片從設(shè)計到量產(chǎn)出貨。而這也只是針對那些采用成熟工藝的芯片，對于先進工藝的芯片來說，所耗資金更是貴的讓人直咂舌，5nm芯片僅設(shè)計成本就已經(jīng)高達4.76億美元。
今天筆者就來科普下，從無到有做好一顆芯片到底需要多少步驟，為何如此“吞金”？
芯片設(shè)計
很多人會把制造芯片的過程比喻成建設(shè)大樓，那么第一步也是最重要的一步是什么呢？當(dāng)然就是大樓也就是芯片的設(shè)計圖。換句話說，芯片設(shè)計是做好一顆芯片的基礎(chǔ)，哪怕下游的制造、封測能力強無敵，沒有設(shè)計圖都白搭。
作為世界上最細微、也是最宏大的工程之一，芯片設(shè)計絕不是在電腦上畫畫圖這么簡單。一般來說，芯片設(shè)計階段可分為規(guī)格定義、系統(tǒng)級設(shè)計、前端設(shè)計和后端設(shè)計4大過程。
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規(guī)格定義
規(guī)格定義就是工程師在芯片設(shè)計之初，做好芯片需求分析，確定芯片的成本控制在什么水平、目的以及效能為何，完成產(chǎn)品規(guī)格定義，以確定設(shè)計的整體方向。然后察看需要符合的協(xié)定，否則芯片將無法和市面上的產(chǎn)品相容，也無法與其他設(shè)備連線。最后確立芯片的實作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結(jié)的方法，如此便完成規(guī)格的制定。芯片規(guī)格定義的目的就在于確保設(shè)計出來的芯片不會有任何差錯。
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系統(tǒng)級設(shè)計
由于芯片設(shè)計要綜合考量芯片的系統(tǒng)交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可維可測等要素，所以工程師需要基于前期的規(guī)格定義，制定設(shè)計解決方案和具體實現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計，劃分模塊功能，明確芯片架構(gòu)、業(yè)務(wù)模塊、供電等系統(tǒng)級設(shè)計，例如CPU、GPU、NPU、RAM、聯(lián)接、接口等。
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前端設(shè)計
芯片前端設(shè)計也成為邏輯設(shè)計，可以說是整個芯片設(shè)計階段的靈魂所在，真正實現(xiàn)了芯片的從無到有的過程，因此芯片前端設(shè)計工程師也成為了整個行業(yè)最緊俏的人才類型，薪酬自然也水漲船高，當(dāng)然這些都是題外話了。那么前端設(shè)計工作主要包括了什么？
前端設(shè)計就是工程師根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計確定的方案，針對各模塊開展具體的電路設(shè)計，使用Verilog或VHDL代碼（硬件描述語言），對具體的電路實現(xiàn)進行RTL（Register Transfer Level）級別的代碼描述。簡單地說，就是將模塊功能以代碼來描述實現(xiàn)，也就是將實際的硬件電路功能通過HDL語言描述出來，形成RTL代碼。而代碼背后對應(yīng)的是電路，因此前端設(shè)計工程師在寫代碼時，需要知道代碼后面會變成什么樣的電路。
代碼生成后就需要仿真驗證，嚴格按照已制定的規(guī)格標準，通過仿真驗證來反復(fù)檢驗代碼設(shè)計的正確性。驗證是芯片設(shè)計中最為耗時耗力的工序，ARM 技術(shù)白皮書統(tǒng)計，一個項目 40% 的資源都用在了驗證階段。
驗證完成之后需要進行邏輯綜合，用 EDA 工具把寄存器傳輸級設(shè)計 RTL 描述變網(wǎng)表（Netlist），以確保電路在面積、時序等目標參數(shù)上達到標準。然后再進行靜態(tài)時序分析，套用特定的時序模型，針對特定電路分析其是否違反設(shè)計者給定的時序限制。
前端設(shè)計的過程并不是一蹴而就的，需要工程師反復(fù)綜合、驗證，各種設(shè)計規(guī)則檢查，既要確保設(shè)計的正確性，又要保證設(shè)計的布局布線可行且優(yōu)化。
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后端設(shè)計
后端設(shè)計是前端設(shè)計的實現(xiàn)，具體來說，就是將邏輯綜合轉(zhuǎn)換成的物理網(wǎng)表，再轉(zhuǎn)換成制造工廠可以用來制造光罩的圖形文件。
最先要做的就是DFT（Design For Test），即可測性設(shè)計，芯片內(nèi)部往往都自帶測試電路，需要預(yù)先規(guī)劃并插入各種用于芯片測試的邏輯電路。
其次是布局規(guī)劃，放置芯片的宏單元模塊，在總體上確定各種功能電路的擺放位置，如IP模塊，RAM，I/O引腳等，芯片的面積、時序收斂、穩(wěn)定性、走線難易等都會受道布局規(guī)劃的影響。
蘋果 A11 布局規(guī)劃然后是進行時鐘樹綜合，也就是時鐘的布線，把各個元器件連接起來。由于時鐘信號在數(shù)字芯片起到全局指揮的作用，對稱式的連到各個寄存器單元，從而使時鐘從同一個時鐘源到達各個寄存器時，時鐘延遲差異最小，因此往往需要單獨布線。
時鐘布線之后進行普通信號布線，包括各種標準單元（基本邏輯門電路）之間的走線；提取寄生參數(shù)，進行再次的分析驗證信號完整性問題；最后，就是各種驗證，并生成用于芯片生產(chǎn)的GDS版圖。
后端設(shè)計作為芯片生產(chǎn)前的最后一步，在實際設(shè)計中往往面臨著較多的挑戰(zhàn)和緊迫的工期，進入納米時代后，隨著布局布線復(fù)雜度的增長，其重要性也日漸凸顯。然而，對于部分中小型設(shè)計企業(yè)來說，優(yōu)秀的后端設(shè)計團隊和最小的資金支出，如同“魚”和“熊掌”不可兼得，培養(yǎng)完整的后端團隊太過昂貴，會讓本就不富裕的資金雪上加霜，但倘若沒有后端設(shè)計，僅靠前端工程師代替，項目經(jīng)驗的缺乏又可能會造成大量的重復(fù)工作，甚至影響芯片最終性能和功耗。在此背景下，如何在兩者之間找到最佳支點，讓資本支出獲得最高回報效率成為關(guān)鍵，而這個支點僅憑企業(yè)本身是難以實現(xiàn)的，需要專業(yè)團隊的加持。
事實上，很多芯片企業(yè)都選擇將后端設(shè)計交給芯片設(shè)計服務(wù)公司。是的，這里出現(xiàn)了另一種產(chǎn)業(yè)鏈分工，芯片設(shè)計服務(wù)公司，既不屬于芯片設(shè)計企業(yè)，也不屬于下文中的晶圓制造企業(yè)，但卻是芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展洪流下的必然產(chǎn)物，在芯片設(shè)計公司和晶圓廠之間架起重要的橋梁，像如今大家耳熟能詳?shù)膭?chuàng)意電子、芯原股份、摩爾精英、智原科技、燦芯半導(dǎo)體等都屬于芯片設(shè)計服務(wù)企業(yè)。
可以說，芯片設(shè)計服務(wù)在芯片產(chǎn)業(yè)鏈中起著芯片設(shè)計代工中心的作用，對于芯片設(shè)計企業(yè)，尤其是初創(chuàng)型設(shè)計企業(yè)有著極大的價值，而他們完善的后端設(shè)計服務(wù)更是其中重要價值之一。一般來說，芯片設(shè)計服務(wù)公司在后端設(shè)計方面都具有豐富的經(jīng)驗，例如創(chuàng)意電子作為一家全流程定制化IC設(shè)計服務(wù)公司，其在數(shù)字后端（DFT、STA、APR）方面也是十分專業(yè)，可以提供周延的DFT服務(wù)。摩爾精英是國內(nèi)領(lǐng)先的一站式芯片設(shè)計和供應(yīng)鏈服務(wù)平臺，致力于“讓中國沒有難做的芯片”；在芯片設(shè)計服務(wù)領(lǐng)域，摩爾精英提供ASIC設(shè)計和Turnkey解決方案，其穩(wěn)定的后端設(shè)計團隊，在SoC設(shè)計和項目管理方面擁有豐富經(jīng)驗，可以提供面向先進工藝節(jié)點的數(shù)字后端設(shè)計。而燦芯半導(dǎo)體業(yè)務(wù)雖主要包括IP和芯片定制服務(wù)，但其芯片定制服務(wù)也是涵蓋前端到后端，實力也不容小覷。
隨著摩爾定律不斷發(fā)展，加之微型化、集成化的發(fā)展趨勢，后端設(shè)計也變得越來越復(fù)雜、越來越重要，不同于那些財大氣粗的系統(tǒng)廠商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，初創(chuàng)型芯片企業(yè)更要懂得如何“輕裝上陣”，以盡可能低的風(fēng)險和成本快速將芯片推向市場。
芯片制造
芯片制造是將芯片從圖紙變成實物的關(guān)鍵一步，但在芯片量產(chǎn)之前還有個重要步驟就是流片，也就是人們常說的試生產(chǎn)。
流片之于芯片開發(fā)者，相當(dāng)于考試之于學(xué)生，學(xué)生“聞考變色”，芯片開發(fā)者“聞流片變色”。究其原因在于，流片失敗的代價太過嚴重，一次流片失敗往往意味著幾百萬甚至上千萬的損失以及至少半年市場機遇的錯失。不少初創(chuàng)型芯片企業(yè)就因流片失敗而消失在茫茫芯片產(chǎn)業(yè)長河里。而造成流片失敗的原因也是千奇百怪，可能只是VDD和GND裝反了，也可能是wet clean配錯了液，總之任何一個小疏忽都可能導(dǎo)致流片失敗。
言歸正傳，那芯片制造到底又有多少步驟，為啥能讓企業(yè)“聞流片變色”？據(jù)了解，一條芯片生產(chǎn)線大約涉及2000-5000道工序，筆者可能無法面面俱到得全部介紹，因此只能介紹一些關(guān)鍵步驟。
從大方面來講，晶圓生產(chǎn)包括晶棒制造和晶片制造兩大步驟，再加上晶圓針測工序，統(tǒng)稱為晶圓制造前道工藝，而下文中即將介紹的封裝和測試則稱為晶圓制造后道工藝。
1.提純：沙子/石英經(jīng)過脫氧提純以后的得到含硅量25％的二氧化硅，再經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并蒸餾后，得到純度高達99%以上的晶體硅。
2.晶棒制造：晶體硅經(jīng)過高溫熔化，采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方法，經(jīng)過頸部成長、晶冠成長、晶體成長、尾部成長，得到一根完整的晶棒。
3.切片：將晶棒橫向，采用環(huán)狀、其內(nèi)徑邊緣鑲嵌有鉆石顆粒的薄片鋸片切成厚度基本一致的晶圓片。
4.打磨拋光：對晶圓外觀進行打磨拋光，去掉切割時在晶圓表面產(chǎn)生的鋸痕和破損，使晶片表面達到所要求的光潔度。
5.氧化：其表面進行氧化及化學(xué)氣相沉積，一是可做后期工藝的輔助層，二是協(xié)助隔離電學(xué)器件，防止短路。
6.光刻和刻蝕：在氧化后的晶圓表面旋涂一層光刻膠，隨后對其進行曝光，再通過顯影把電路圖顯現(xiàn)出來。再用化學(xué)反應(yīng)或用等離子體轟擊晶圓表面，實現(xiàn)電路圖形的轉(zhuǎn)移。
7.離子注入、退火：把雜質(zhì)離子轟入半導(dǎo)體晶格，再將離子注入后的半導(dǎo)體放在一定溫度下加熱，從而激活半導(dǎo)體材料的不同電學(xué)性能。
8.氣相沉積、電鍍：氣相沉積用于形成各種金屬層以及絕緣層，電鍍專用于生長銅連線金屬層。
9.化學(xué)機械研磨：用化學(xué)腐蝕和機械研磨相結(jié)合的方式進行磨拋。
10.最終在晶圓上完成數(shù)層電路及元件加工與制作。
11.晶圓針測工序：用針測儀對每個晶粒檢測其電氣特性，舍棄不合格晶粒。
芯片封測
封測就是上述提到的晶圓制造后道工藝中的封裝和測試，其中封裝是指將通過測試的晶圓加工得到芯片的過程，測試是檢測不良芯片，包括封裝前的晶圓測試和成品測試。
作為芯片生產(chǎn)前的最后一公里，封測對于芯片成品來說也是至關(guān)重要的一步。封裝可以對芯片起到保護、支撐、連接、散熱、可靠性等作用，而測試可以保證芯片質(zhì)量，甚至提升出貨質(zhì)量，避免瑕疵芯片的流出。具體來看，封測步驟主要分為：
1.背面減?。?/strong>對晶圓進行背面減薄，達到封裝需要的厚度。
2.晶圓切割：將晶圓切割成一個個獨立的Dice，再對Dice進行清洗。
3.光檢查：檢查是否出現(xiàn)廢品。
4.芯片粘接：芯片粘接，銀漿固化（防止氧化），引線焊接。
5.注塑：防止外部沖擊，用EMC（塑封料）把產(chǎn)品封裝起來，同時加熱硬化。
6.激光打字：在產(chǎn)品上刻上生產(chǎn)日期、批次等內(nèi)容。
7.高溫固化：保護IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)部應(yīng)力。
8.去溢料：修剪邊角。
9.電鍍：提高導(dǎo)電性能，增強可焊接性。
10.切片成型檢查廢品。
11.芯片測試：分為一般測試和特殊測試，一般測試是測試芯片的電氣特性，依其電氣特性劃分為不同等級。而特殊測試則是有針對性的專門測試，看是否能滿足客戶的特殊需求。
12.測試合格的產(chǎn)品貼上規(guī)格、型號及出廠日期等標識的標簽并加以包裝后即可出廠。
寫在最后
芯片制造是名副其實的燒錢產(chǎn)業(yè)，想要一顆芯片真正實現(xiàn)量產(chǎn)，上述的每一步步驟都是關(guān)鍵。而對于人、錢、資源什么都缺的初創(chuàng)型企業(yè)來說，不說IDM模式，僅芯片設(shè)計階段的4大過程都難以均培養(yǎng)出一支專業(yè)的隊伍，正如《一個億的融資在一家芯片初創(chuàng)公司可以燒多久》提到的，很多創(chuàng)始人白天開會，管理，拉融資，晚上還要回公司一線做技術(shù)。
沒有一家初創(chuàng)型企業(yè)的成功是一帆風(fēng)順的，他們所面臨的壓力是常人難以想象的，同時也是瞬息萬變的，曲折是必然的，但如何繞最少的彎路走向成功卻可控的，關(guān)鍵就是要找到最適合自身的解決途徑，這也是當(dāng)前眾多芯片初創(chuàng)企業(yè)為之所努力的方向。
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