这篇要讨论的重点则是半导体产业从上游到下游到底在做些什么。先来看一下关联图:

图片来源:自制

我们先从大方向了解,之后再局部解说。

半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司,IC设公司计依客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试,即大功告成啰!

局部解说开始!

(1)硅晶圆制造

半导体产业的最上游是硅晶圆制造。事实上,上游的硅晶圆产业又是由三个子产业形成的,依序为硅的初步纯化 → 多晶硅的制造 → 硅晶圆制造。

硅的初步纯化:

将石英砂(SiO2)转化成冶金级硅(硅纯度98%以上)。

石英砂。资料来源:农村信息网

冶金级硅。资料来源:Jimmybook

多晶硅的制造:

将冶金级硅制成多晶硅。这里的多晶硅可分成两种:高纯度(99.999999999%,11N)与低纯度(99.99999%,7N)两种。高纯度是用来制做IC等精密电路IC,俗称半导体等级多晶硅;低纯度则是用来制做太阳能电池的,俗称太阳能等级多晶硅。

多晶硅。资料来源:太阳能单多晶硅材料

硅晶圆制造:

将多晶硅制成硅晶圆。硅晶圆又可分成单晶硅晶圆与多晶硅晶圆两种。一般来说,IC制造用的硅晶圆都是单晶硅晶圆,而太阳能电池制造用的硅晶圆则是单晶硅晶圆与多晶硅晶圆皆有。一般来说,单晶硅的效率会较多晶硅高,当然成本也较高。

硅晶圆。资料来源:台湾研准股份有限公司

(2)IC设计

前面提到硅晶圆制造,投入的是石英砂,产出的是硅晶圆。IC设计的投入则是「好人」们超强的脑力(和肝),产出则是电路图,最后制成光罩送往IC制造公司,就功德圆满了!

不过,要让理工科以外的人了解IC设计并不是件容易的事(就像要让念理工的人了解复杂的衍生性金融商品一样),作者必需要经过多次外出取材才有办法办到。这里先大概是一下观念,请大家发挥一下你们强大的想像力!

简单来讲,IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定 → 逻辑设计 → 电路布局 → 布局后模拟 → 光罩制作。

规格制定:

品牌厂或白牌厂(没有品牌的品牌厂)的工程师和IC设计工程师接触,并开出他们需要的IC的规格给IC设计工程师 (譬如说,第一个脚位和第二个脚位相加要等于第九个脚位)。讨论好规格后,工程师们就开始快乐的工作啰!

逻辑设计:

藉由软件的帮助,工程师们终于完成了逻辑设计图了,来看一下:

控制器逻辑图,资料来源:这里

所谓的「逻辑」设计图,就是指它是由简单的逻辑元件构成,而不是由半导体种类这篇提到的恶心的半导体电路元件 (如二极体、电晶体等,忘记得去复习一下喔!)所构成。什么是逻辑元件呢?像是AND Gate(故名思意,两个输入都是1的话,输出才是1,否则输出就是0),OR Gate(两个输入只要有一个输入是1,输出就是1)等。逻辑元件会在IC设计单元再和大家做进一步的介绍。

电路布局:

基本上,就是利用软件的帮助,把友善的逻辑设计图,转化成恶心的电路图。如图:

积体电路图。图片来源:ddvip

大家应该很熟悉吧!里面大部分都是我们在半导体种类是到的二极体和电晶体啰!

布局后模拟:

就是再经由软件测试看看,结果是不是和当初「规格制定」是一样的结果啰!

光罩制作:

电路完成后,再把电路制作成一片片的光罩就大功告成啰!完成后的光罩即送往IC制造公司。来看一下光罩长什么样子吧!

光罩。图片来源:这里

(3) IC制造

IC制造的流程较复杂,但其实IC制造就只做一件事而已:把光罩上的电路图转移到晶圆上。它的过程其实和传统相片的制造过程非常类似 (当然,精密度差太多了)!你如果上网google一下「IC制造」,会看到很多火星文的资料,保证你看不懂那些流程到底代表什么意思。

IC制造的步骤是这样子的:薄膜→光阻→显影→蚀刻→光阻去除,然后不断的循环数十次。我们来看一下示意图

IC制程。图片来源:财报狗产业分析师Jeff

薄膜:

镀上金属(实际上不一定是金属)

光阻:

在晶圆上涂上一层光阻(感光层)

显影:

用强光透过「光罩」后照在晶圆上。这样的话,除了「电路」该出现的部分,其余光阻的部分是不是都照到光了?

蚀刻:

把没有光阻覆盖的薄膜冲蚀

光阻去除:

把上面的光阻去除,留下的薄膜部分就是电路图了!(这里假设电路图就是「一长条」而已,实际情况当然较复杂啰!)

很简单吧!当然,实际的过程没那么简单。实际的情形是光罩是由好几十层构成的,而每层需要的材质也不一样。也就是说,薄膜那一层需用不同的材质。譬如说,SiO2。

有趣吧!以上都只是前菜,在「半导体制程」单元会有更详细的介绍喔!

(4)IC封测

IC制造厂商完成的IC大致如下图:

晶圆完成品。图片来源:中国科普博览

这一片片的晶圆完成品就被送往IC封测厂,实行IC的封装与测试。

封装:

封装的流程大致如下:切割→黏贴→焊接→模封。

先讲一下观念好了,来看个CPU吧!

CPU。图片来源:tom’s hardware

图片中央的就是CPU。CPU很大一个,但仔细看,中间那个金属部分才是CPU裸晶(又称晶粒,即未封装前的IC)的真正大小喔!其余的部分就是所谓的印刷电路板-PCB啰!

好!可以开始讲IC封装了!

切割:

第一步就是把IC制造公司送来的一片片晶圆切割成一颗颗长方形的IC啰!

黏贴:

把IC黏贴到PCB上

焊接:

故名思义,把IC的小接脚焊接到PCB上,这样才和大PCB(如主机板)相容喔!

模封:

故名思义,就是把接脚模封起来。最近很hot的题材-BT树脂,就是用在这里喔!

有感觉吗?来看个图就较清楚了:

IC成品。图片来源:电子工程专辑

如图,中间的是晶粒,往外接到PCB上。

这样就大致完成啰!详细的封装与测试流程图,我们在IC封测单原会详细介绍,敬请期待啰!

好不容易呀!终于介绍完一颗IC的大致生产流程了!下一篇要介绍的就是IC产业链最上游:硅晶圆产业介绍。硅晶圆制造除了和半导体产业有关,也和最近最热门的太阳能产业有很大的关系,像是绿能、中美晶的公司都是生产硅晶圆的。记得要来看喔!

来源:半导体观察

作者 scforum

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