从无到有做好一颗芯片要几步？_芯片_半导体

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从无到有做好一颗芯片要几步？_芯片_半导体互联网

把大象放进冰箱须要几步？3步, 打开冰箱门,放入大象,末了关门。
那做好一颗芯片又须要几步？也是3步，设计芯片、制造芯片，末了封测芯片。
然而，做芯片真的就这么大略吗？显然不是。
前不久，一篇《一个亿的融资在一家芯片初创公司可以烧多久》文章刷屏了浩瀚人的朋友圈，文中有这么一句话，“一个亿烧完的时候，实在很多公司连芯片的影儿都没见着，有模有样的demo可能都没搞出来。
”

是的，一个亿或许能买汤臣一品一套房，但却不一定能支撑一颗芯片从设计到量产出货。
而这也只是针对那些采取成熟工艺的芯片，对付前辈工艺的芯片来说，所耗资金更是贵的让人直咂舌，5nm芯片仅设计本钱就已经高达4.76亿美元。

本日笔者就来科普下，从无到有做好一颗芯片到底须要多少步骤，为何如此“吞金”？

芯片设计

很多人会把制造芯片的过程比喻成培植大楼，那么第一步也是最主要的一步是什么呢？当然便是大楼也便是芯片的设计图。
换句话说，芯片设计是做好一颗芯片的根本，哪怕下贱的制造、封测能力强无敌，没有设计图都白搭。

作为天下上最细微、也是最伟大的工程之一，芯片设计绝不是在电脑上画画图这么大略。
一样平常来说，芯片设计阶段可分为规格定义、系统级设计、前端设计和后端设计4大过程。

规格定义

规格定义便是工程师在芯片设计之初，做好芯片需求剖析，确定芯片的本钱掌握在什么水平、目的以及效能为何，完成产品规格定义，以确定设计的整体方向。
然后察看须要符合的协定，否则芯片将无法和市情上的产品相容，也无法与其他设备连线。
末了确立芯片的实作方法，将不同功能分配身分歧的单元，并确立不同单元间贯串衔接的方法，如此便完成规格的制订。
芯片规格定义的目的就在于确保设计出来的芯片不会有任何差错。

系统级设计

由于芯片设计要综合考量芯片的系统交互、功能、本钱、功耗、性能、安全及可维可测等要素，以是工程师须要基于前期的规格定义，制订设计办理方案和详细实现架构设计，划分模块功能，明确芯片架构、业务模块、供电等系统级设计，例如CPU、GPU、NPU、RAM、联接、接口等。

前端设计

芯片前端设计也成为逻辑设计，可以说是全体芯片设计阶段的灵魂所在，真正实现了芯片的从无到有的过程，因此芯片前端设计工程师也成为了全体行业最紧俏的人才类型，薪酬自然也水涨船高，当然这些都是题外话了。
那么前端设计事情紧张包括了什么？

前端设计便是工程师根据系统设计确定的方案，针对各模块开展详细的电路设计，利用Verilog或VHDL代码（硬件描述措辞），对详细的电路实现进行RTL（Register Transfer Level）级别的代码描述。
大略地说，便是将模块功能以代码来描述实现，也便是将实际的硬件电路功能通过HDL措辞描述出来，形成RTL代码。
而代码背后对应的是电路，因此前端设计工程师在写代码时，须要知道代码后面会变成什么样的电路。

代码天生后就须要仿真验证，严格按照已制订的规格标准，通过仿真验证来反复考验代码设计的精确性。
验证是芯片设计中最为耗时耗力的工序，ARM 技能白皮书统计，一个项目 40% 的资源都用在了验证阶段。

验证完成之后须要进行逻辑综合，用 EDA 工具把寄存器传输级设计 RTL 描述变网表（Netlist），以确保电路在面积、时序等目标参数上达到标准。
然后再进行静态时序剖析，套用特定的时序模型，针对特定电路剖析其是否违反设计者给定的时序限定。

前端设计的过程并不是一挥而就的，须要工程师反复综合、验证，各种设计规则检讨，既要确保设计的精确性，又要担保设计的布局布线可行且优化。

后端设计

后端设计是前端设计的实现，详细来说，便是将逻辑综合转换成的物理网表，再转换成制造工厂可以用来制造光罩的图形文件。

最先要做的便是DFT（Design For Test），即可测性设计，芯片内部每每都自带测试电路，须要预先方案并插入各种用于芯片测试的逻辑电路。

其次是布局方案，放置芯片的宏单元模块，在总体上确定各种功能电路的摆放位置，如IP模块，RAM，I/O引脚等，芯片的面积、时序收敛、稳定性、走线难易等都会受道布局方案的影响。

苹果 A11 布局方案

然后是进行时钟树综合，也便是时钟的布线，把各个元器件连接起来。
由于时钟旗子暗记在数字芯片起到全局指挥的浸染，对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小，因此每每须要单独布线。

时钟布线之后进行普通旗子暗记布线，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线；提取寄生参数，进行再次的剖析验证旗子暗记完全性问题；末了，便是各种验证，并天生用于芯片生产的GDS版图。

后端设计作为芯片生产前的末了一步，在实际设计中每每面临着较多的寻衅和紧迫的工期，进入纳米时期后，随着布局布线繁芜度的增长，其主要性也日渐凸显。
然而，对付部分中小型设计企业来说，精良的后端设计团队和最小的资金支出，犹如“鱼”和“熊掌”不可兼得，培养完全的后端团队太过昂贵，会让本就不富余的资金雪上加霜，但倘若没有后端设计，仅靠前端工程师代替，项目履历的缺少又可能会造成大量的重复事情，乃至影响芯片终极性能和功耗。
在此背景下，如何在两者之间找到最佳支点，让成本支出得到最高回报效率成为关键，而这个支点仅凭企业本身是难以实现的，须要专业团队的加持。

事实上，很多芯片企业都选择将后端设计交给芯片设计做事公司。
是的，这里涌现了另一种家当链分工，芯片设计做事公司，既不属于芯片设计企业，也不属于下文中的晶圆制造企业，但却是芯片家当发展年夜水下的一定产物，在芯片设计公司和晶圆厂之间架起主要的桥梁，像如今大家耳熟能详的创意电子、芯原股份、摩尔精英、智原科技、灿芯半导体等都属于芯片设计做事企业。

可以说，芯片设计做事在芯片家当链中起着芯片设计代工中央的浸染，对付芯片设计企业，尤其是初创型设计企业有着极大的代价，而他们完善的后端设计做事更是个中主要代价之一。
一样平常来说，芯片设计做事公司在后端设计方面都具有丰富的履历，例如创意电子作为一家全流程定制化IC设计做事公司，其在数字后端（DFT、STA、APR）方面也是十分专业，可以供应周延的DFT做事。
摩尔精英是海内领先的一站式芯片设计和供应链做事平台，致力于“让中国没有难做的芯片”；在芯片设计做事领域，摩尔精英供应ASIC设计和Turnkey办理方案，其稳定的后端设计团队，在SoC设计和项目管理方面拥有丰富履历，可以供应面向前辈工艺节点的数字后端设计。
而灿芯半导体业务虽紧张包括IP和芯片定制服务，但其芯片定制服务也是涵盖前端到后端，实力也不容小觑。

随着摩尔定律不断发展，加之微型化、集成化的发展趋势，后端设计也变得越来越繁芜、越来越主要，不同于那些财大气粗的系统厂商和互联网企业，初创型芯片企业更要懂得如何“轻装上阵”，以尽可能低的风险和本钱快速将芯片推向市场。

芯片制造

芯片制造是将芯片从图纸变成实物的关键一步，但在芯片量产之前还有个主要步骤便是流片，也便是人们常说的试生产。

流片之于芯片开拓者，相称于考试之于学生，学生“闻考变色”，芯片开拓者“闻流片变色”。
究其缘故原由在于，流片失落败的代价太过严重，一次流片失落败每每意味着几百万乃至上千万的丢失以及至少半年市场机遇的错失落。
不少初创型芯片企业就因流片失落败而消逝在茫茫芯片家当长河里。
而造成流片失落败的缘故原由也是千奇百怪，可能只是VDD和GND装反了，也可能是wet clean配错了液，总之任何一个小轻忽都可能导致流片失落败。

言归正传，那芯片制造到底又有多少步骤，为啥能让企业“闻流片变色”？据理解，一条芯片生产线大约涉及2000-5000道工序，笔者可能无法面面俱到得全部先容，因此只能先容一些关键步骤。

从大方面来讲，晶圆生产包括晶棒制造和晶片制造两大步骤，再加上晶圆针测工序，统称为晶圆制造前道工艺，而下文中即将先容的封装和测试则称为晶圆制造后道工艺。

1.提纯：沙子/石英经由脱氧提纯往后的得到含硅量25％的二氧化硅，再经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并蒸馏后，得到纯度高达99%以上的晶体硅。

2.晶棒制造：晶体硅经由高温熔化，采取旋转拉伸的方法，经由颈部发展、晶冠发展、晶体发展、尾部发展，得到一根完全的晶棒。

3.切片：将晶棒横向，采取环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片切成厚度基本同等的晶圆片。

4.打磨抛光：对晶圆外不雅观进行打磨抛光，去掉切割时在晶圆表面产生的锯痕和破损，使晶片表面达到所哀求的光洁度。

5.氧化：其表面进行氧化及化学气相沉积，一是可做后期工艺的赞助层，二是帮忙隔离电学器件，防止短路。

6.光刻和刻蚀：在氧化后的晶圆表面旋涂一层光刻胶，随后对其进行曝光，再通过显影把电路图显现出来。
再用化学反应或用等离子体轰击晶圆表面，实现电路图形的转移。

7.离子注入、退火：把杂质离子轰入半导体晶格，再将离子注入后的半导体放在一定温度下加热，从而激活半导体材料的不同电学性能。

8.气相沉积、电镀：气相沉积用于形成各种金属层以及绝缘层，电镀专用于成长铜连线金属层。

9.化学机器研磨：用化学堕落和机器研磨相结合的办法进行磨抛。

10.终极在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。

11.晶圆针测工序：用针测仪对每个晶粒检测其电气特性，舍弃不合格晶粒。

芯片封测

封测便是上述提到的晶圆制造后道工艺中的封装和测试，个中封装是指将通过测试的晶圆加工得到芯片的过程，测试是检测不良芯片，包括封装前的晶圆测试和成品测试。

作为芯片生产前的末了一公里，封测对付芯片成品来说也是至关主要的一步。
封装可以对芯片起到保护、支撑、连接、散热、可靠性等浸染，而测试可以担保芯片质量，乃至提升出货质量，避免瑕疵芯片的流出。
详细来看，封测步骤紧张分为：

1.背面减薄：对晶圆进行背面减薄，达到封装须要的厚度。

2.晶圆切割：将晶圆切割成一个个独立的Dice，再对Dice进行洗濯。

3.光检讨：检讨是否涌现废品。

4.芯片粘接：芯片粘接，银浆固化（防止氧化），引线焊接。

5.注塑：防止外部冲击，用EMC（塑封料）把产品封装起来，同时加热硬化。

6.激光打字：在产品上刻上生产日期、批次等内容。

7.高温固化：保护IC内部构造，肃清内部应力。

8.去溢料：修剪边角。

9.电镀：提高导电性能，增强可焊接性。

10.切片成型检讨废品。

11.芯片测试：分为一样平常测试和分外测试，一样平常测试是测试芯片的电气特性，依其电气特性划分为不同等级。
而分外测试则是有针对性的专门测试，看是否能知足客户的分外需求。

12.测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。

写在末了

芯片制造是名副实在的烧钱家当，想要一颗芯片真正实现量产，上述的每一步步骤都是关键。
而对付人、钱、资源什么都缺的初创型企业来说，不说IDM模式，仅芯片设计阶段的4大过程都难以均培养出一支专业的军队，正如《一个亿的融资在一家芯片初创公司可以烧多久》提到的，很多创始人白天开会，管理，拉融资，晚上还要回公司一线做技能。

没有一家初创型企业的成功是一帆风顺的，他们所面临的压力是凡人弗成思议的，同时也是变化多端的，弯曲是一定的，但如何绕最少的弯路走向成功却可控的，关键便是要找到最适宜自身的办理路子，这也是当前浩瀚芯片初创企业为之所努力的方向。

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