關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普——集成電路設(shè)計人員給家人的科普課件

1、關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 1 從沙子到芯片 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 2 微電子技術(shù) 20世紀(jì)最偉大的技術(shù) 信息產(chǎn)業(yè)最重要的技術(shù) 進(jìn)步最快的技術(shù) 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 3 微電子技術(shù)應(yīng)用 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 4 芯片，現(xiàn)代社會的基石 PDA：掌上電腦 內(nèi)存條 手機(jī) 計算機(jī)主板 數(shù)碼相機(jī) 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 5 電子產(chǎn)品 世界第一臺通用電子計算機(jī)-ENIAC 19461946年年2 2月月1414日日 在美國賓夕法在美國賓夕法 尼亞

2、大學(xué)的莫尼亞大學(xué)的莫 爾電機(jī)學(xué)院誕爾電機(jī)學(xué)院誕 生生( (莫科里莫科里 ) )， 由由18,800多多個電個電 子管組成，重子管組成，重 量量30多噸，占多噸，占 地面積地面積170多多平平 方米方米 。 大?。捍笮。洪L長30.48m，寬，寬6m，高，高2.5m；速度：速度：5000次次/sec； 功率：功率：150KW；平均無故障運行時間：平均無故障運行時間：7min 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 6 電子產(chǎn)品 智能手機(jī) 20122012年年2 2月月1414日日 在美國蘋果公在美國蘋果公 司發(fā)布司發(fā)布IPHONE5IPHONE5 手機(jī)，手機(jī)， CPU型號：蘋果 A

3、6 CPU頻率： 1024MHz GPU型號： Imagination PowerVR SGX543 MP3 RAM容量：1GB ROM容量：16GB 。 手機(jī)尺寸：123.8x58.6x7.6mm 手機(jī)重量：112g 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 7 微電子技術(shù)飛速進(jìn)步 自從IC誕生以來，IC芯片的發(fā)展基本上 遵循了公司創(chuàng)始人之一的Gordon E. Moore 1965年預(yù)言的摩爾定律。該定律說： 當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體 管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性 能也將提升一倍。換言之，每一美元所能 買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以 上。這一定律

4、揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 8 微電子技術(shù)飛速進(jìn)步 摩爾定律應(yīng)用于汽車行業(yè) 1965年Silver Shadow 售價10000英鎊 ？ 0.0000023英鎊 =0.3分 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 9 起源沙子 沙子沙子：硅是地殼內(nèi)第 二豐富的元素， 而脫氧后的沙子脫氧后的沙子 (尤其是石英尤其是石英)最多最多 包含包含25的硅元的硅元 素素，以二氧化硅二氧化硅 (SiO2)的形式存在， 這也是半導(dǎo)體制 造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 10 硅提純 硅熔煉：12英寸/

5、300 毫米晶圓級，下 同。通過多步凈 化得到可用于半 導(dǎo)體制造質(zhì)量的 硅，學(xué)名電子級 硅(EGS)，平均每 一百萬個硅原子 中最多只有一個 雜質(zhì)原子。此圖 展示了是如何通 過硅凈化熔煉得 到大晶體的，最 后得到的就是硅 錠(Ingot)。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 11 硅錠 單晶硅錠：整體基本 呈圓柱形，重約 100千克，硅純度 99.9999。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 12 硅片 硅錠切割：橫向切割成圓形的 單個硅片，也就是我們常說 的晶圓(Wafer)。順便說，這 下知道為什么晶圓都是圓形 的了吧？ 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普

6、集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 13 加工 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 14 晶圓 晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過 拋光后變得幾乎完美無 瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡 子。事實上，Intel自己 并不生產(chǎn)這種晶圓，而 是從第三方半導(dǎo)體企業(yè) 那里直接購買成品，然 后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn) 一步加工，比如現(xiàn)在主 流的45nm HKMG(高K 金屬柵極)。值得一提的 是，Intel公司創(chuàng)立之初 使用的晶圓尺寸只有2英 寸/50毫米。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 15 涂膠 光刻膠(Photo Resist)：圖 中藍(lán)色部分就是在晶圓 旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光 刻膠液體

7、，類似制作傳 統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋 轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非 常薄、非常平。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 16 光刻 光刻：光刻膠層隨后透過 掩模(Mask)被曝光在紫 外線(UV)之下，變得可 溶，期間發(fā)生的化學(xué)反 應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快 門那一刻膠片的變化。 掩模上印著預(yù)先設(shè)計好 的電路圖案，紫外線透 過它照在光刻膠層上， 就會形成微處理器的每 一層電路圖案。一般來 說，在晶圓上得到的電 路圖案是掩模上圖案的 四分之一。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 17 光刻 光刻：由此進(jìn)入50-200納 米尺寸的晶體管級別。 一塊晶圓上可以切割出 數(shù)百個

8、處理器，不過從 這里開始把視野縮小到 其中一個上，展示如何 制作晶體管等部件。晶 體管相當(dāng)于開關(guān)，控制 著電流的方向?，F(xiàn)在的 晶體管已經(jīng)如此之小， 一個針頭上就能放下大 約3000萬個。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 18 光刻 光刻膠：再次澆上光刻膠 (藍(lán)色部分)，然后光刻， 并洗掉曝光的部分，剩 下的光刻膠還是用來保 護(hù)不會離子注入的那部 分材料。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 19 離子注入 離子注入(Ion Implantation)：在真空 系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、 要摻雜的原子的離子照 射(注入)固體材料，從 而在被注入的區(qū)域形成

9、特殊的注入層，并改變 這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。 經(jīng)過電場加速后，注入 的離子流的速度可以超 過30萬千米每小時。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 20 清除光刻膠 清除光刻膠：離子注入完 成后，光刻膠也被清除， 而注入?yún)^(qū)域(綠色部分) 也已摻雜，注入了不同 的原子。注意這時候的 綠色和之前已經(jīng)有所不 同。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 21 晶體管就緒 晶體管就緒：至此，晶體 管已經(jīng)基本完成。在絕 緣材(品紅色)上蝕刻出 三個孔洞，并填充銅， 以便和其它晶體管互連。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 22 電鍍 電鍍：在晶圓

10、上電鍍一層 硫酸銅，將銅離子沉淀 到晶體管上。銅離子會 從正極(陽極)走向負(fù)極 (陰極)。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 23 電鍍 銅層：電鍍完成后，銅離 子沉積在晶圓表面，形 成一個薄薄的銅層。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 24 拋光 拋光：將多余的銅拋光掉， 也就是磨光晶圓表面。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 25 金屬層 金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。 在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決 于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異 常平滑，但事實上可能包含20多層

11、復(fù)雜的電路，放大之 后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來派的多層高 速公路系統(tǒng)。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 26 晶圓測試 晶圓測試晶圓測試：內(nèi)核級 別，大約10毫米 /0.5英寸。圖中是 晶圓的局部，正 在接受第一次功 能性測試，使用 參考電路圖案和 每一塊芯片進(jìn)行 對比。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 27 晶圓分割 晶圓切片晶圓切片(Slicing)： 晶圓級別，300毫 米/12英寸。將晶 圓切割成塊，每 一塊就是一個處 理器的內(nèi)核(Die)。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 28 分選 丟棄瑕疵內(nèi)核丟棄

12、瑕疵內(nèi)核：晶 圓級別。測試過 程中發(fā)現(xiàn)的有瑕 疵的內(nèi)核被拋棄， 留下完好的準(zhǔn)備 進(jìn)入下一步。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 29 內(nèi)核 單個內(nèi)核單個內(nèi)核：內(nèi)核級 別。從晶圓上切 割下來的單個內(nèi) 核，這里展示的 是Core i7的核心。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 30 封裝 封裝封裝：封裝級別，20毫米 /1英寸。襯底襯底(基片基片)、內(nèi)、內(nèi) 核、散熱片核、散熱片堆疊在一起， 就形成了我們看到的處 理器的樣子。襯底(綠色) 相當(dāng)于一個底座，并為 處理器內(nèi)核提供電氣與 機(jī)械界面，便于與PC系 統(tǒng)的其它部分交互。散 熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi) 核散

13、熱的了。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 31 成品 處理器處理器：至此就得到完整 的處理器了(這里是一顆 Core i7)。這種在世界上 最干凈的房間里制造出 來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實際 上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得 來的，這里只是展示了 其中的一些關(guān)鍵步驟。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 32 包裝 等級測試等級測試：最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特 性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等 級，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低 端型號Core i7-920。 裝箱裝箱：根據(jù)等級測試結(jié)果將同樣級別的

14、處理器放在一起裝運。 零售包裝零售包裝：制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商， 要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場。這里還是以Core i7為例。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 33 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 34 利用利用MEMS技術(shù)可以生產(chǎn)各種復(fù)雜的技術(shù)可以生產(chǎn)各種復(fù)雜的3-D結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 35 發(fā)展趨勢 微循環(huán)陀螺儀微循環(huán)陀螺儀 陀 螺 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 36 電路設(shè)計 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 37 芯片里面

15、是什 么呢？ 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 38 什么是集成電路？ IC Integrated Circuit 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 39 半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體材料-硅、 鍺等 襯底+摻雜 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 40 能不能把這些半導(dǎo)體器件組成的電路做在一起？能不能把這些半導(dǎo)體器件組成的電路做在一起？ -集成電路集成電路 IC 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 41 集成電路就是指 采用半導(dǎo)體工藝， 將一個電路中所 需要的晶體管、 二極管、電阻、 電容等元器件連 同它們之間的電 氣

16、連線在一塊半 導(dǎo)體晶片上制作 出來 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 42 集成電路的發(fā)展 摩爾定律 最典型的IC- -CPU 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 43 IC設(shè)計公司將芯片電路結(jié)構(gòu)設(shè)計好 IC制造公司負(fù)責(zé)制造 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 44 集成電路芯片顯微照片集成電路芯片鍵合 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 45 vIntel 公司公司CPUPentium 4 電路規(guī)模：電路規(guī)模：4千千2百萬個晶體管百萬個晶體管 生產(chǎn)工藝：生產(chǎn)工藝：0.13um 最快速度：最快速度：2.4GHz

17、關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 46 VLSI數(shù)字IC的設(shè)計流圖 模擬IC的設(shè)計流程圖 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 47 門陣列法設(shè)計流程圖門陣列法設(shè)計流程圖 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 48 隨著IC集成度的不斷提高，IC規(guī)模越來越大、復(fù)雜度越來越高， 采用CADCAD輔助設(shè)計輔助設(shè)計是必然趨勢 。 第一代IC設(shè)計CAD工具出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末70年代初，但只能 用于芯片的版圖設(shè)計及版圖設(shè)計規(guī)則的檢查。 第二代CAD系統(tǒng)隨著工作站(Workstation)的推出，出現(xiàn)于80年代。 其不僅具有圖形處理能力，而且

18、還具有原理圖輸入和模擬能力 。 如今CAD工具已進(jìn)入了第三代，稱之為EDAEDA系統(tǒng)系統(tǒng)。其主要標(biāo)志是 系統(tǒng)級設(shè)計工具的推出和邏輯設(shè)計工具的廣泛應(yīng)用。 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 49 工作站平臺上的主流工作站平臺上的主流EDA軟件軟件 Cadence EDA軟件軟件 數(shù)字系統(tǒng)模擬工具數(shù)字系統(tǒng)模擬工具Verilog-XL； 電路圖設(shè)計工具電路圖設(shè)計工具Composer； 電路模擬工具電路模擬工具Analog Artist； 射頻模擬工具射頻模擬工具Spectre RF； 版圖編輯器版圖編輯器Virtuoso Layout； 布局布線工具布局布線工具Preview； 版圖驗證工具版圖驗證工具Dracula等等 關(guān)于芯片和芯片設(shè)計的科普集 成電路設(shè)計人員給家人的科普 50 工作站平臺上的主流工作站平臺上的主流EDA軟