層層堆疊打造的芯片

　　在介紹過硅晶圓是什么東西后，同時，也知道制造 IC 芯片就像是用樂高積木蓋房子一樣，藉由一層又一層的堆疊，創造自己所期望的造型。然而，蓋房子有相當多的步驟，IC 制造也是一樣，制造 IC 究竟有哪些步驟？本文將將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

　　在開始前，我們要先認識 IC 芯片是什么。IC，全名積體電路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來。藉由這個方法，我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖，從圖中可以看出它的結構就像房子的樑和柱，一層一層堆疊，這也就是為何會將 IC 制造比擬成蓋房子。

▲ IC 芯片的 3D 剖面圖。（Source：Wikipedia）

　　從上圖中 IC 芯片的 3D 剖面圖來看，底部深藍色的部分就是上一篇介紹的晶圓，從這張圖可以更明確的知道，晶圓基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于紅色以及土黃色的部分，則是于 IC 制作時要完成的地方。

　　首先，在這裡可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳，是一棟房子的門戶，出入都由這裡，在掌握交通下通常會有較多的機能性。因此，和其他樓層相比，在興建時會比較復雜，需要較多的步驟。在 IC 電路中，這個大廳就是邏輯閘層，它是整顆 IC 中最重要的部分，藉由將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的 IC 芯片。

　　黃色的部分，則像是一般的樓層。和一樓相比，不會有太復雜的構造，而且每層樓在興建時也不會有太多變化。這一層的目的，是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。之所以需要這么多層，是因為有太多線路要連結在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

　　分層施工，逐層架構

　　知道 IC 的構造后，接下來要介紹該如何制作。試想一下，如果要以油漆噴罐做精細作圖時，我們需先割出圖形的遮蓋板，蓋在紙上。接著再將油漆均勻地噴在紙上，待油漆乾后，再將遮板拿開。不斷的重復這個步驟后，便可完成整齊且復雜的圖形。制造 IC 就是以類似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。

　　制作 IC 時，可以簡單分成以上 4 種步驟。雖然實際制造時，制造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆采用類似的原理。這個流程和油漆作畫有些許不同，IC 制造是先涂料再加做遮蓋，油漆作畫則是先遮蓋再作畫。以下將介紹各流程。

　　金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上，形成一薄膜。

　　涂布光阻：先將光阻材料放在晶圓片上，透過光罩（光罩原理留待下次說明），將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結構。接著，再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。

　　蝕刻技術：將沒有受光阻保護的硅晶圓，以離子束蝕刻。

　　光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。

　　最后便會在一整片晶圓上完成很多 IC 芯片，接下來只要將完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封裝廠做封裝，至于封裝廠是什么東西？就要待之后再做說明啰。

▲各種尺寸晶圓的比較。（Source：Wikipedia）

　　其中，主要晶圓代工廠有格羅方德、三星電子、Tower Jazz、Dongbu、美格納、IBM、富士通、英特爾、海力士、臺積電、聯電、中芯國際、力晶、華虹、德茂、武漢新芯、華微、華立、力芯

　　納米制程是什么？

　　三星以及臺積電在先進半導體制程打得相當火熱，彼此都想要在晶圓代工中搶得先機以爭取訂單，幾乎成了 14 納米與 16 納米之爭，然而 14 納米與 16 納米這兩個數字的究竟意義為何，指的又是哪個部位？而在縮小制程后又將來帶來什么好處與難題？以下我們將就納米制程做簡單的說明。

　　納米到底有多細微？

　　在開始之前，要先了解納米究竟是什么意思。在數學上，納米是 0.000000001 公尺，但這是個相當差的例子，畢竟我們只看得到小數點后有很多個零，卻沒有實際的感覺。如果以指甲厚度做比較的話，或許會比較明顯。

　　用尺規實際測量的話可以得知指甲的厚度約為 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是說試著把一片指甲的側面切成 10 萬條線，每條線就約等同于 1 納米，由此可略為想像得到 1 納米是何等的微小了。

　　知道納米有多小之后，還要理解縮小制程的用意，縮小電晶體的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的電晶體，讓芯片不會因技術提升而變得更大；其次，可以增加處理器的運算效率；再者，減少體積也可以降低耗電量；最后，芯片體積縮小后，更容易塞入行動裝置中，滿足未來輕薄化的需求。

　　再回來探究納米制程是什么，以 14 納米為例，其制程是指在芯片中，線最小可以做到 14 納米的尺寸，下圖為傳統電晶體的長相，以此作為例子。縮小電晶體的最主要目的就是為了要減少耗電量，然而要縮小哪個部分才能達到這個目的？左下圖中的L 就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度，電流可以用更短的路徑從 Drain 端到 Source 端（有興趣的話可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋，會有更詳細的解釋）。

（Source：www.slideshare.net）

　　此外，電腦是以 0 和 1 作運算，要如何以電晶體滿足這個目的呢？做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當在 Gate 端（綠色的方塊）做電壓供給，電流就會從 Drain 端到 Source 端，如果沒有供給電壓，電流就不會流動，這樣就可以表示 1 和0。（至于為什么要用 0 和 1 作判斷，有興趣的話可以去查布林代數，我們是使用這個方法作成電腦的）

　　尺寸縮小有其物理限制

　　不過，制程并不能無限制的縮小，當我們將電晶體縮小到 20 納米左右時，就會遇到量子物理中的問題，讓電晶體有漏電的現象，抵銷縮小 L 時獲得的效益。作為改善方式，就是導入 FinFET（Tri-Gate）這個概念，如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中，可以知道藉由導入這個技術，能減少因物理現象所導致的漏電現象。

（Source：www.slideshare.net）

　　更重要的是，藉由這個方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統的做法中（左上圖），接觸面只有一個平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）這個技術后，接觸面將變成立體，可以輕易的增加接觸面積，這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小，對縮小尺寸有相當大的幫助。

　　最后，則是為什么會有人說各大廠進入 10 納米制程將面臨相當嚴峻的挑戰，主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 納米，在 10 納米的情況下，一條線只有不到 100 顆原子，在制作上相當困難，而且只要有一個原子的缺陷，像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質，就會產生不知名的現象，影響產品的良率。

　　如果無法想像這個難度，可以做個小實驗。在桌上用 100 個小珠子排成一個 10×10 的正方形，并且剪裁一張紙蓋在珠子上，接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉，最后使他形成一個 10×5 的長方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境，以及達成這個目標究竟是多么艱巨。

　　隨著三星以及臺積電在近期將完成 14 納米、16 納米 FinFET 的量產，兩者都想爭奪 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我們將看到相當精彩的商業競爭，同時也將獲得更加省電、輕薄的手機，要感謝摩爾定律所帶來的好處呢。

　　告訴你什么是封裝

　　經過漫長的流程，從設計到制造，終于獲得一顆 IC 芯片了。然而一顆芯片相當小且薄，如果不在外施加保護，會被輕易的刮傷損壞。此外，因為芯片的尺寸微小，如果不用一個較大尺寸的外殼，將不易以人工安置在電路板上。因此，本文接下來要針對封裝加以描述介紹。

　　目前常見的封裝有兩種，一種是電動玩具內常見的，黑色長得像蜈蚣的 DIP 封裝，另一為購買盒裝 CPU 時常見的 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。因為有太多種封裝法，以下將對 DIP 以及 BGA 封裝做介紹。

　　傳統封裝，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，看起來會像條黑色蜈蚣，讓人印象深刻，此封裝法為最早采用的 IC 封裝技術，具有成本低廉的優勢，適合小型且不需接太多線的芯片。但是，因為大多采用的是塑料，散熱效果較差，無法滿足現行高速芯片的要求。因此，使用此封裝的，大多是歷久不衰的芯片，如下圖中的 OP741，或是對運作速度沒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，是常見的電壓放大器。右圖為它的剖面圖，這個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，因為接腳位在芯片下方，和 DIP 相比，可容納更多的金屬接腳

　　相當適合需要較多接點的芯片。然而，采用這種封裝法成本較高且連接的方法較復雜，因此大多用在高單價的產品上。

　　▲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）

　　行動裝置興起，新技術躍上舞臺

　　然而，使用以上這些封裝法，會耗費掉相當大的體積。像現在的行動裝置、穿戴裝置等，需要相當多種元件，如果各個元件都獨立封裝，組合起來將耗費非常大的空間，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）。

　　在智慧型手機剛興起時，在各大財經雜誌上皆可發現 SoC 這個名詞，然而 SoC 究竟是什么東西？簡單來說，就是將原本不同功能的 IC，整合在一顆芯片中。藉由這個方法，不單可以縮小體積，還可以縮小不同 IC 間的距離，提升芯片的計算速度。至于制作方法，便是在 IC 設計階段時，將各個不同的 IC 放在一起，再透過先前介紹的設計流程，制作成一張光罩。

　　然而，SoC 并非只有優點，要設計一顆 SoC 需要相當多的技術配合。IC 芯片各自封裝時，各有封裝外部保護，且 IC 與 IC 間的距離較遠，比較不會發生交互干擾的情形。但是，當將所有 IC 都包裝在一起時，就是噩夢的開始。IC 設計廠要從原先的單純設計 IC，變成了解并整合各個功能的 IC，增加工程師的工作量。此外，也會遇到很多的狀況，像是通訊芯片的高頻訊號可能會影響其他功能的 IC 等情形。

　　此外，SoC 還需要獲得其他廠商的 IP（intellectual property）授權，才能將別人設計好的元件放到 SoC 中。因為制作 SoC 需要獲得整顆 IC 的設計細節，才能做成完整的光罩，這同時也增加了 SoC 的設計成本。或許會有人質疑何不自己設計一顆就好了呢？因為設計各種 IC 需要大量和該 IC 相關的知識，只有像 Apple 這樣多金的企業，才有預算能從各知名企業挖角頂尖工程師，以設計一顆全新的 IC，透過合作授權還是比自行研發劃算多了。

　　折衷方案，SiP 現身

　　作為替代方案，SiP 躍上整合芯片的舞臺。和 SoC 不同，它是購買各家的 IC，在最后一次封裝這些 IC，如此便少了 IP 授權這一步，大幅減少設計成本。此外，因為它們是各自獨立的 IC，彼此的干擾程度大幅下降。

▲ Apple Watch 采用 SiP 技術將整個電腦架構封裝成一顆芯片，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）

　　采用 SiP 技術的產品，最著名的非 Apple Watch 莫屬。因為 Watch 的內部空間太小，它無法采用傳統的技術，SoC 的設計成本又太高，SiP 成了首要之選。藉由 SiP 技術，不單可縮小體積，還可拉近各個 IC 間的距離，成為可行的折衷方案。下圖便是 Apple Watch 芯片的結構圖，可以看到相當多的 IC 包含在其中。

▲ Apple Watch 中采用 SiP 封裝的 S1 芯片內部配置圖。（Source：chipworks）

　　完成封裝后，便要進入測試的階段，在這個階段便要確認封裝完的 IC 是否有正常的運作，正確無誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產品。其中主要的半導體封裝與測試企業有安靠、星科金朋、J-devices、Unisem、Nepes、日月光、力成、南茂、頎邦、京元電子、福懋、菱生精密、矽品、長電、優特

　　至此，半導體產業便完成了整個生產的任務。看一遍不夠就收藏起來慢慢看，歡迎留言發表讀后感言！