什么是芯片？芯片是如何如何分类的？芯片集成电路设计和制造

集成电路英语：integrated circuit，缩写作 IC；或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、晶片/芯片（chip）在电子学中是一种将电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导晶圆表面上。

电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）集成电路（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动组件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。集成电路的别称非常多，在中文和英文里可直接称它为“芯片（chip，港台作晶片）”，或是“集成电路（integrated circuit）”，缩写为“IC”；也可用“微芯片（microchip）”、“微电路（microcircuit）”等用词称呼。

什么是芯片?

芯片（半导体元件产品的统称）。集成电路英语：integrated circuit，缩写作IC；或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、晶片/芯片（chip）在电子学中是一种将电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）集成电路（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动组件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

从1949年到1957年，维尔纳·雅各比（Werner Jacobi）、杰弗里·杜默（Jeffrey Dummer）、西德尼·达林顿（Sidney Darlington）、樽井康夫（Yasuo Tarui）都开发了原型，但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的。其因此荣获2000年诺贝尔物理奖，但同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯，却早于1990年就过世。

晶体管发明并大量生产之后，各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用，取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步，使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力，可靠性，电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。

集成电路对于离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。2006年，芯片面积从几平方毫米到350 mm²，每mm²可以达到一百万个晶体管。

第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的，其中包括一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器。

根据一个芯片上集成的微电子器件的数量，集成电路可以分为以下几类：

小型集成电路（SSI英文全名为Small Scale Integration）逻辑门10个以下或晶体管100个以下。
中型集成电路（MSI英文全名为Medium Scale Integration）逻辑门11~100个或晶体管101~1k个。
大规模集成电路（LSI英文全名为Large Scale Integration）逻辑门101~1k个或晶体管1,001~10k个。
超大规模集成电路（VLSI英文全名为Very large scale integration）逻辑门1,001~10k个或晶体管10,001~100k个。
极大规模集成电路（ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration）逻辑门10,001~1M个或晶体管100,001~10M个。
GLSI（英文全名为Giga Scale Integration）逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。

芯片（Chip），全称为集成电路芯片（Integrated Circuit, IC），是一种将大量的电子元件（如晶体管、电阻、电容等）高度集成在一块微小的半导体基片（通常是硅）上的微型电子器件。芯片就像一个超小型的“电路工厂”或“大脑”，它可以执行运算、存储数据、控制设备等功能，是现代电子设备的“心脏”。

芯片的构成：

材料：主要是硅（Si），也有使用碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新材料。
内部结构：微观上包含数千到数十亿个晶体管。
封装：将芯片保护起来并提供外部连接的外壳（如BGA、QFP封装等）。

芯片的主要作用：

功能类型	说明	举例
运算处理	执行各种计算和逻辑操作	CPU、GPU、AI芯片
数据存储	保存短期或长期数据	内存（RAM）、闪存（Flash）
信号转换/控制	模拟与数字信号之间的转换、控制设备工作	ADC/DAC、传感器芯片
通信功能	支持无线、有线通信	Wi-Fi芯片、5G基带芯片
电源管理	控制电压电流，确保稳定供电	PMIC（电源管理芯片）

芯片（也称集成电路，IC）按功能和应用可以分为多种分类方式。

芯片分类

芯片分类是很复杂的学问,很多中文网站的芯片分类把功能和电路混为一谈, 有的把不同类型的芯片放在一起分类, 是错误的.以下文章根据芯片功能、集成度、芯片应用场景、芯片设计电路结构、生产工艺、封装方法、制造工艺节点等七个方面对芯片进行分类。是最权威的芯片分类方法。

芯片的主要分类？各类芯片的主要功能？处理器类芯片和逻辑芯片的区别

集成电路的分类方法很多，依照电路属模拟或数字，可以分为：模拟集成电路、数字集成电路和混合信号集成电路（模拟和数字在一个芯片上）。

数字集成电路可以包含任何东西，在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门、触发器、多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比，有更高速度，更低功耗（参见低功耗设计）并降低了制造成本。这些数字IC，以微处理器、数字信号处理器和微控制器为代表，工作中使用二进制，处理1和0信号。

模拟集成电路有，例如传感器、电源控制电路和运放，处理模拟信号。完成放大、滤波、解调、混频的功能等。通过使用专家所设计、具有良好特性的模拟集成电路，减轻了电路设计师的重担，不需凡事再由基础的一个个晶体管处设计起。

集成电路可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上，以做出如模拟数字转换器和数字模拟转换器等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本，但是对于信号冲突必须小心。

芯片设计

芯片设计全流程 ( Full Chip Design Flow )

芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出必要的 IC 芯片（这些会在后面介绍）。然而，没有设计图，拥有再强制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢？本文接下来要针对 IC 设计做介绍。

在 IC 生产流程中，IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计，像是联发科、高通、Intel 等知名大厂，都自行设计各自的 IC 芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计，所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术，工程师的素质影响着一间企业的价值。然而，工程师们在设计一颗 IC 芯片时，究竟有那些步骤？设计流程可以简单分成如下。

设计第一步，订定目标

在 IC 设计中，最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何，对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合，像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规範，不然，这芯片将无法和市面上的产品相容，使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 IC 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。

设计完规格后，接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在 IC 芯片中，便是使用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能为止。

　　有了电脑，事情都变得容易

有了完整规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code，放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。

最后，将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool，进行电路布局与绕线（Place And Route）。在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢？

　　层层光罩，叠起一颗芯片

首先，目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩，这些光罩有上下层的分别，每层有各自的任务。下图为简单的光罩例子，以积体电路中最基本的元件 CMOS 为範例，CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合，形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体（MOS）？这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明，一般读者也较难弄清，在这裡就不多加细究。

下图中，左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图，在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是，便由底层开始，依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐层制作，最后便会产生期望的芯片了。

至此，对于 IC 设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚 IC 设计是一门非常复杂的专业，也多亏了电脑辅助软体的成熟，让 IC 设计得以加速。IC 设计厂十分依赖工程师的智慧，这裡所述的每个步骤都有其专门的知识，皆可独立成多门专业的课程，像是撰写硬体描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言，还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软体是如何将程式转换成逻辑闸等问题。

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芯片制造

从1930年代开始，元素周期表化学元素中的半导体被诸如贝尔实验室威廉·肖克利（William Shockley）的研究者认为是最适合做固态真空管的原料。这些原料在1940至50年代被系统地研究，从氧化铜开始，然后到锗，再到硅。现今，单晶硅是集成电路的主要基层，尽管元素周期表中的一些III-V价化合物（比如砷化镓）有特殊用途，例如发光二极管、激光、太阳能电池和最高速集成电路。发现无缺陷晶体的制造方法需要数十年的时间。

半导体集成电路制程，包括以下步骤，并重复使用：

光刻
刻蚀
薄膜（化学气相沉积或物理气相沉积）
掺杂（热扩散或离子注入）
化学机械平坦化CMP

使用单晶硅晶圆（或III-V族，如砷化镓）用作基层，然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件，再利用薄膜和CMP技术制成导线，如此便完成芯片制作。因产品性能需求及成本考量，导线可分为铝制程（以溅镀为主）和铜制程（以电镀为主参见Damascene）。^[2]^[3]^[4]主要的制程技术可以分为以下几大类：黄光光刻、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。

IC由很多重叠的层组成，每层由影像技术定义，通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层（成为扩散层），一些定义哪里额外的离子灌输（灌输层），一些定义导体（多晶硅或金属层），一些定义传导层之间的连接（过孔或接触层）。所有的组件由这些层的特定组合构成。

在一个自排列（CMOS）过程中，所有门层（多晶硅或金属）穿过扩散层的地方形成晶体管。
电阻结构，电阻结构的长宽比，结合表面电阻系数，决定电阻。
电容结构，由于尺寸限制，在IC上只能产生很小的电容。
更为少见的电感结构，可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。

因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换，CMOS设备比双极型组件（如双极性晶体管）消耗的电流少很多，也是现在主流的组件。透过电路的设计，将多颗的晶体管管画在硅晶圆上，就可以画出不同作用的集成电路。

随机存取存储器是最常见类型的集成电路，所以密度最高的设备是存储器，但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂－几十年来芯片宽度一直减少－但集成电路的层依然比宽度薄很多。组件层的制作非常像照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光组件层，因为他们太大了。高频光子（通常是紫外线）被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小，对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说，电子显微镜是必要工具。

在使用自动测试设备（ATE）包装前，每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块，每个被称为裸晶（“die”）。每个好的die被焊在“pads”上的铝线或金线，连接到封装内，pads通常在die的边上。封装之后，设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本产品的制造成本的25％，但是对于低产出，大型和/或高成本的设备，可以忽略不计。

在2005年，一个制造厂（通常称为半导体工厂，常简称fab，指fabrication facility）建设费用要超过10亿美元，因为大部分操作是自动化的。

芯片封装

最早的集成电路使用陶瓷扁平封装，这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装，简单来说，即开始是陶瓷，之后是塑料。1980年代，VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制，最后导致插针网格阵列和芯片载体的出现。

表面贴着封装在1980年代初期出现，该年代后期开始流行。它的针脚使用更细的间距，引脚形状为海鸥翼型或J型。以小尺寸集成电路（SOIC）为例，比相等的DIP面积少30－50%，厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出，引脚间距为0.05英寸。

小尺寸集成电路（SOIC）和PLCC封装。1990年代，尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP和薄型小尺寸封装（TSOP）成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理器现在从PGA（Pine Grid Array）封装转到了平面网格阵列封装（Land Grid Array，LGA）封装。

球栅阵列封装封装从1970年代开始出现，1990年代开发了比其他封装有更多管脚数的覆晶球栅阵列封装封装。在FCBGA封装中，晶片被上下翻转（flipped）安装，通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列（称为I/O区域）分布在整个芯片的表面，而不是限制于芯片的外围。

如今的市场，封装采用技术与特性已经非常复杂，也已经是独立出来的一环，封装的技术也会影响到产品的质量及良率。

参考文献

引用

拼合集成电路 hybrid integrated circuit （页面存档备份，存于互联网档案馆）、并合集成电路 hybrid integrated circuit – 2003年6月《信息与通信术语辞典》（页面存档备份，存于互联网档案馆），国家教育研究院
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