每年几万亿的芯片是如何设计制造出来的?_4
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小编作为一名硬件开发工程师,说实话对芯片的设计与制造不是太懂,于是乎查阅了相关文档,和大家一起分享下芯片的设计与制造流程。

芯片制作完整过程包括:芯片设计、晶片制作、封装制作、成本测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。

一、芯片设计

每年几万亿的芯片是如何设计制造出来的?

1、芯片的HDL设计

芯片构架的设计一般是通过专门的硬件设计语言Hardware Description Languages (HDL)来完成,所谓硬件设计语言( HDL),是一种用来描述硬件工作过程的语言。现在被使用的比较多的有 Verilog 、 VHDL。 这些语言写成的代码能够用专门的合成器生成逻辑门电路的连线表和布局图,这些都是将来发给芯片代工厂的主要生产依据。对于硬件设计语言( HDL)一般人都不会接触到,在这里只给大家介绍一下:在程序代码的形式上HDL和C也没有太大的不同,但实际功能完全不同,比如Verilog语言中基本的一条语句:

always@(posedge clock) Q = D;

这相当于C里面的一条条件判断语句,意思就是在时钟有上升沿信号的时候,输出信号 D 被储存在Q。

通过此类的语句描述了触发器电路组成的缓存和显存之间数据交换的基本方式,综合软件依靠这些代码描述出来的门电路的工作方式生成电路的。在芯片的设计阶段基本上都是通过工程师们通过Verilog语言编制HDL代码来设计芯片中的所有工作单元,也决定该芯片所能支持的所有技术特征。这个阶段一般要持续3到4个月(这取决于芯片工程的规模),是整个设计过程的基础。

2、芯片设计的debug

在上述的工作完成后,就进入了产品设计的验证阶段,一般也有一两个月的时间。这个阶段的任务就是保证在芯片最后交付代工厂的设计方案没有缺陷的,就是我们平时所说的产品的“bug”。这一个阶段对于任何芯片设计公司来说都是举足轻重的一步,因为如果芯片设计在投片生产出来以后验证出并不能像设计的那样正常工作,那就不仅意味着重新设计。整个验证工作分为好几个过程,基本功能测试验证芯片内的所有的门电路能正常工作,工作量模拟测试用来证实门电路组合能达到的性能。当然,这时候还没有真正物理意义上真正的芯片存在,这些所有的测试依旧是通过HDL 编成的程序模拟出来的。

3、芯片设计的分析

接下来的验证工作开始进行分支的并行运作,一个团队负责芯片电路的静态时序分析,保证成品芯片能够达到设计的主频 ;另外一个主要由模拟电路工程师组成的团队进行关于储存电路,供电电路的分析修改。 和数字电路的修正工作相比,模拟工程师们的工作要辛苦的多,他们要进行大量的复数,微分方程计算和信号分析,即便是借助计算机和专门的软件也是一件很头疼的事情。同样,这时候的多有测试和验证工作都是在模拟的状态下进行的,最终,当上述所有的工作完成后,一份由综合软件生成的用来投片生产门电路级别的连线表和电路图就完成了。

4、FPGA验证

但是,图形芯片设计者不会立即把这个方案交付厂家,因为它还要接受最后一个考验,那就是我们通常所说的FPGA (Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列来对设计进行的最终功能进行验证。 对于集成一亿多个晶体管超级复杂芯片,在整个使用硬件设计语言( HDL)设计和模拟测试的过程中,要反复运行描述整个芯片的数十亿条的指令和进行真正“海量”的数据储存,因此对执行相关任务的的硬件有着近乎变态的考验。

二、芯片制造

根据设计的需求,生成的芯片方案设计,接下来就是打样了。

每年几万亿的芯片是如何设计制造出来的?

1、 芯片的原料晶圆

晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体需要的晶圆。晶圆越薄,成产的成本越低,但对工艺就要求的越高。

2、晶圆涂膜

晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种,

3、晶圆光刻显影、蚀刻

该过程使用了对紫外光敏感的化学物质,即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂,使得其遇紫外光就会溶解。这是可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了,而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。

4、搀加杂质

将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。

具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式,使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,这时候将这一流程不断的重复,不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似所层PCB板的制作制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层,这时候通过重复光刻以及上面流程来实现,形成一个立体的结构。

5、晶圆测试

经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。 一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。

6、封装

将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。

7、测试、包装

经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。

三、芯片功能测试

每年几万亿的芯片是如何设计制造出来的?

完成了上面的一步,芯片就已经制造完成,接下来就是芯片的验证

通常需要将芯片贴到PCB上,逐步验证每一个功能是否正常。

如有不正之处,还请指正,让我们共同进步,谢谢


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