芯片是怎样制成的

文/小易测评技术

如何制造芯片是一个大而复杂的问题。估计即使是芯片行业的从业者，也不一定能完整准确地解释芯片的设计过程，即使解释了，最后也可能成为晦涩难懂的“专业文章”。对于普通读者来说，就像读天书一样，专业性大于易读性。所以本文就给大家简单生动的描述一下，还原一个芯片从无到有的全过程。

一个芯片从无到有的全过程可以分为四个步骤——芯片设计、晶圆生产、芯片光刻、芯片测试、芯片封装。本文将从这四个步骤告诉你从零开始还原一个真实芯片的全过程。

步骤1芯片电路设计目前，知名的半导体公司如高通、华为海思、苹果、联发科等。实际上是芯片设计师。专业术语是集成电路设计公司。他们的工作是设计芯片本身的电路图和架构(有些低端芯片可能是自产)。你可以简单理解为他们是建筑行业的设计院，画图纸。

在芯片设计之初，首先需要确定芯片的规格结构和用途。这一步称为规范制定。

就像你建楼的时候，你要先确定楼里有几个楼梯，几户人家，户型大小，用途。这一步直接决定了处理器的最终形式。

以麒麟990 5G为例。麒麟990 5G在芯片规划初期就已经决定将5G基带与CPU、GPU整合。所以在设计芯片时需要考虑CPU、GPU、5G基带资源的合理分配(华为为了集成5G基带不惜放大芯片面积。削减原本可以分配给CPU和GPU的资源)。规范做好之后，就需要前端和后端的设计了。这一步需要前端设计工程师根据前期规划的要求，用硬件描述语言(HDL)用代码语言描述芯片的结构(其实和程序员写代码很像)。这一步，考虑什么指令集(相当于处理器界的操作系统)和对应的架构，也是一个非常复杂的过程。

准确的HDL代码完成后，需要放入电子设计自动化工具(EDA工具)生成真实的电路图(EDA设计软件以美国公司为主，国内没有类似工具替代)。然后经过反复的测试和演示，就会生成一个复杂完整的通用电路图，如下图所示，基本接近芯片的真实外观，如下图所示。

这是一个完整的芯片设计整体流程。看似简单，但很多流程非常繁琐复杂，需要大量的人力物力成本，尤其是涉及到高端芯片电路设计时，复杂程度会呈几何级数增长。

第二步晶圆生产其实我们目前看到的芯片都是一步一步用沙子加工的。沙子虽然够便宜，但是加工过程相当复杂。

首先对砂进行高温脱氧，提取砂中的硅元素。然后通过一系列高精度的提纯工艺得到高精度的硅锭或硅柱，再对硅柱进行水平切割，从而得到芯片生产中必须使用的硅片。难点在于硅的提纯，因为芯片对硅的纯度要求非常高，需要达到99.99999999%以上。如此高精度的净化过程不是一个简单的工程。目前，很多高端晶圆生产技术被日本、韩国和台湾省公司垄断，中国的晶圆生产技术还在爬坡过程中。

第三步:通过光刻在晶圆上构建芯片的核心结构。

在芯片设计的第一步，你应该已经知道芯片设计师会通过设计软件来设计一个芯片的电路图。如果这部分设计稿最后显示在一个小晶圆上呢？这需要使用光刻技术。他们会在硅片上覆盖一层光刻胶(日本垄断)然后利用光刻胶会被光刻蚀但不会被腐蚀液刻蚀，金属会被腐蚀液刻蚀但不会被光刻蚀的特性，在硅片上进行非常复杂细致的“雕刻”和“抛光”工作。经过离子注入、光刻胶去除、电镀、表面镀铜、抛光、切割、测试等一系列步骤。晶片被重复蚀刻。

这一步是芯片生产过程中的难点，最重要的机器是光刻机。目前一个顶级的光刻机价格可以卖到上亿人民币，而且还是战略物资，不一定有钱就能买到。目前最顶级的光刻机被荷兰ASML公司垄断，而且目前他们有我们国产光刻机只能稳定生产28nm工艺芯片的技术，和荷兰ASML公司差距很大。

最后一步，测试和封装。最后一步是测试和封装。目前我们能买到的芯片其实都是封装产品。简单来说，我们把成品晶圆固定好，绑好引脚，然后根据用户的应用习惯、应用环境、市场形态等外部因素，采用各种封装形式。同一芯片内核可以有不同的封装形式，如DIP、QFP、PLCC、QFN等。以下是常见的打包方式。

这就是一个芯片从无到有诞生的全过程。实际过程比作者写的内容复杂得多。其实我国早在上世纪70年代就开始布局芯片产业，但最终由于国情原因放弃了，导致我国的芯片RD技术与国外发达国家处于一个位置。不过我相信随着时代的发展和国家资源的倾斜，我们国家的芯片技术会有长足的发展。

最后希望我能帮到你。