02.01 「科技50專題」之 芯片設計、製造、封裝 工藝流程

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芯片,指的是內含集成電路的硅片,所以芯片又被稱集成電路,一般只有 2.5 釐米平方大小,但是卻包含幾千萬個晶體管,而較簡單的處理器可能在幾毫米見方的芯片上刻有幾千個晶體管。芯片是電子設備中最重要的部分,承擔著運算和存儲的功能。

一顆芯片的誕生,可以分為設計、製造、封裝,三個環節:

「科技50專題」之 芯片設計、製造、封裝 工藝流程

芯片工藝流程

(一)芯片設計:在芯片生產流程中,一般多由專業芯片設計公司進行規劃、設計,像是聯發科、高通、Intel 等知名大廠,都自行設計各自的芯片,提供不同規格、效能的芯片給下游廠商選擇。然而,沒有設計圖,擁有再強大的製造能力也無濟於事,所以,芯片設計是整個芯片成型非常重要的一環。

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芯片設計流程圖

主要半導體設計公司有:

英特爾、高通、博通、英偉達、美滿、賽靈思、Altera、聯發科、海思、展訊、中興微電子、華大半導體、大唐半導體、士蘭微、中星微電子等

(二)芯片製造:硅晶圓(wafer),是製造各式電腦芯片的基礎,芯片製造的過程就如同用樂高蓋房子一樣,先有晶圓作為地基,再層層往上疊的芯片製造流程後,就可產出必要的芯片。

在開始前,我們要先認識 IC 芯片是什麼。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 製造比擬成蓋房子。

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IC芯片3D剖面圖

瞭解 IC 的構造後,接下來要介紹該如何製作。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,待油漆乾後,再將遮板拿開。不斷的重複這個步驟後,便可完成整齊且複雜的圖形。製造 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。

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製作 IC 時,可以簡單分成以上 4 種步驟。雖然實際製造時,製造的步驟會有差異,使用的材料也有所不同,但是大體上皆採用類似的原理。這個流程和油漆作畫有些許不同,IC 製造是先塗料再加做遮蓋,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。

塗布光阻: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。

國際上主要晶圓代工廠:

中芯國際、三星、SK 海力士、華潤微電子、華虹宏力、英特爾、臺積電(臺灣)、華力微電子、西安微電子、和艦科技、聯電(臺灣)、力晶(臺灣)、武漢新芯、士蘭微、先進半導體等

(三)芯片封裝:經過漫長的流程,從設計到製造,終於獲得一顆 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。

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,這種封裝法為最早採用的 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。

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此為DIP封裝的芯片OP741,對運作速度要求不高

另一為購買盒裝 CPU 時常見的 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,採用這種封裝法成本較高且連接的方法較複雜,因此大多用在高單價的產品上。

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左圖採用BGA封裝的芯片,右圖使用覆晶封裝的BGA示意圖

主要的半導體封測廠有:

安靠技術(美國)、長電科技、通富微電、日月光、力成、南茂、頎邦、矽品、海太半導體等,國內的長電科技的封裝水平,已經達到國際一流水平。

科技,半導體,芯片,是目前最高端製造業的代表,為了幫助朋友更好理解半導體芯片的投資,本文將芯片的製作流程做了一個簡易的梳理,實際製作的細節,其複雜性遠超過本文所述,在投資中,我們需要理解我們所投資的公司,在整個產業鏈中的位置及未來發展的前景,本文供朋友們參考理解!

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