[原创] 从无到有，做好一颗芯片要几步？
2022-05-21
14:00:13
来源: 半导体行业观察
把大象放进冰箱需要几步？3步, 打开冰箱门,放入大象,最后关门。那做好一颗芯片又需要几步？也是3步，设计芯片、制造芯片，最后封测芯片。然而，做芯片真的就这么简单吗？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》文章刷屏了众多人的朋友圈，文中有这么一句话，“一个亿烧完的时候，其实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用成熟工艺的芯片，对于先进工艺的芯片来说，所耗资金更是贵的让人直咂舌，5nm芯片仅设计成本就已经高达4.76亿美元。
今天笔者就来科普下，从无到有做好一颗芯片到底需要多少步骤，为何如此“吞金”？
很多人会把制造芯片的过程比喻成建设大楼，那么第一步也是最重要的一步是什么呢？当然就是大楼也就是芯片的设计图。换句话说，芯片设计是做好一颗芯片的基础，哪怕下游的制造、封测能力强无敌，没有设计图都白搭。
作为世界上最细微、也是最宏大的工程之一，芯片设计绝不是在电脑上画画图这么简单。一般来说，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。
规格定义就是工程师在芯片设计之初，做好芯片需求分析，确定芯片的成本控制在什么水平、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。然后察看需要符合的协定，否则芯片将无法和市面上的产品相容，也无法与其他设备连线。最后确立芯片的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连结的方法，如此便完成规格的制定。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。
由于芯片设计要综合考量芯片的系统交互、功能、成本、功耗、性能、安全及可维可测等要素，所以工程师需要基于前期的规格定义，制定设计解决方案和具体实现架构设计，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。
芯片前端设计也成为逻辑设计，可以说是整个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整个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。那么前端设计工作主要包括了什么？
前端设计就是工程师根据系统设计确定的方案，针对各模块开展具体的电路设计，使用Verilog或VHDL代码（硬件描述语言），对具体的电路实现进行RTL（Register Transfer Level）级别的代码描述。简单地说，就是将模块功能以代码来描述实现，也就是将实际的硬件电路功能通过HDL语言描述出来，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，需要知道代码后面会变成什么样的电路。
代码生成后就需要仿真验证，严格按照已制定的规格标准，通过仿真验证来反复检验代码设计的正确性。验证是芯片设计中最为耗时耗力的工序，ARM 技术白皮书统计，一个项目 40% 的资源都用在了验证阶段。
验证完成之后需要进行逻辑综合，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分析，套用特定的时序模型，针对特定电路分析其是否违反设计者给定的时序限制。
前端设计的过程并不是一蹴而就的，需要工程师反复综合、验证，各种设计规则检查，既要确保设计的正确性，又要保证设计的布局布线可行且优化。
后端设计是前端设计的实现，具体来说，就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。
最先要做的就是DFT（Design For Test），即可测性设计，芯片内部往往都自带测试电路，需要预先规划并插入各种用于芯片测试的逻辑电路。
其次是布局规划，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规划的影响。
然后是进行时钟树综合，也就是时钟的布线，把各个元器件连接起来。由于时钟信号在数字芯片起到全局指挥的作用，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，因此往往需要单独布线。
时钟布线之后进行普通信号布线，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，进行再次的分析验证信号完整性问题；最后，就是各种验证，并生成用于芯片生产的GDS版图。
后端设计作为芯片生产前的最后一步，在实际设计中往往面临着较多的挑战和紧迫的工期，进入纳米时代后，随着布局布线复杂度的增长，其重要性也日渐凸显。然而，对于部分中小型设计企业来说，优秀的后端设计团队和最小的资金支出，如同“鱼”和“熊掌”不可兼得，培养完整的后端团队太过昂贵，会让本就不富裕的资金雪上加霜，但倘若没有后端设计，仅靠前端工程师代替，项目经验的缺乏又可能会造成大量的重复工作，甚至影响芯片最终性能和功耗。在此背景下，如何在两者之间找到最佳支点，让资本支出获得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，需要专业团队的加持。
事实上，很多芯片企业都选择将后端设计交给芯片设计服务公司。是的，这里出现了另一种产业链分工，芯片设计服务公司，既不属于芯片设计企业，也不属于下文中的晶圆制造企业，但却是芯片产业发展洪流下的必然产物，在芯片设计公司和晶圆厂之间架起重要的桥梁，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服务企业。
可以说，芯片设计服务在芯片产业链中起着芯片设计代工中心的作用，对于芯片设计企业，尤其是初创型设计企业有着极大的价值，而他们完善的后端设计服务更是其中重要价值之一。一般来说，芯片设计服务公司在后端设计方面都具有丰富的经验，例如创意电子作为一家全流程定制化IC设计服务公司，其在数字后端（DFT、STA、APR）方面也是十分专业，可以提供周延的DFT服务。摩尔精英是国内领先的一站式芯片设计和供应链服务平台，致力于“让中国没有难做的芯片”；在芯片设计服务领域，摩尔精英提供ASIC设计和Turnkey解决方案，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经验，可以提供面向先进工艺节点的数字后端设计。而灿芯半导体业务虽主要包括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复杂、越来越重要，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成本快速将芯片推向市场。
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重要步骤就是流片，也就是人们常说的试生产。
流片之于芯片开发者，相当于考试之于学生，学生“闻考变色”，芯片开发者“闻流片变色”。究其原因在于，流片失败的代价太过严重，一次流片失败往往意味着几百万甚至上千万的损失以及至少半年市场机遇的错失。不少初创型芯片企业就因流片失败而消失在茫茫芯片产业长河里。而造成流片失败的原因也是千奇百怪，可能只是VDD和GND装反了，也可能是wet clean配错了液，总之任何一个小疏忽都可能导致流片失败。
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”？据了解，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介绍，因此只能介绍一些关键步骤。
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，而下文中即将介绍的封装和测试则称为晶圆制造后道工艺。
1.提纯：
沙子/石英经过脱氧提纯以后的得到含硅量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：
晶体硅经过高温熔化，采用旋转拉伸的方法，经过颈部成长、晶冠成长、晶体成长、尾部成长，得到一根完整的晶棒。
3.切片：
将晶棒横向，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片切成厚度基本一致的晶圆片。
4.打磨抛光：
对晶圆外观进行打磨抛光，去掉切割时在晶圆表面产生的锯痕和破损，使晶片表面达到所要求的光洁度。
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辅助层，二是协助隔离电学器件，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，电镀专用于生长铜连线金属层。
9.化学机械研磨：
用化学腐蚀和机械研磨相结合的方式进行磨抛。
10.
最终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。
封测就是上述提到的晶圆制造后道工艺中的封装和测试，其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。
作为芯片生产前的最后一公里，封测对于芯片成品来说也是至关重要的一步。封装可以对芯片起到保护、支撑、连接、散热、可靠性等作用，而测试可以保证芯片质量，甚至提升出货质量，避免瑕疵芯片的流出。具体来看，封测步骤主要分为：
1.背面减薄：
对晶圆进行背面减薄，达到封装需要的厚度。
2.晶圆切割：
将晶圆切割成一个个独立的Dice，再对Dice进行清洗。
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。
11.芯片测试：
分为一般测试和特殊测试，一般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。而特殊测试则是有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求。
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。
芯片制造是名副其实的烧钱产业，想要一颗芯片真正实现量产，上述的每一步步骤都是关键。而对于人、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队伍，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术。
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常人难以想象的，同时也是瞬息万变的，曲折是必然的，但如何绕最少的弯路走向成功却可控的，关键就是要找到最适合自身的解决途径，这也是当前众多芯片初创企业为之所努力的方向。
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