芯片为啥是方的？它是怎么做出来的……这篇文章都有答案

芯片大家已经听过很多遍了，它是半导体集成电路的另一种说法，也就是在半导体基片上制成千上万及至上亿元件集成电路。由于数字电路的高速发展芯片或微芯片早已渗透到了人们生活的方方面面，除了我们用的电脑手机外，几乎所以有电器特别是称为智能电器的都离不开芯片这些芯片。

一、什么是芯片？

芯片在电子学中是一种把电路（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集成电路。另有一种厚膜集成电路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）、杰弗里·杜默、西德尼·达林顿、樽井康夫都开发了原型，但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的，他因此荣获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。

二、芯片的发展史

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。

近年来，集成电路持续向更小的外型尺寸发展，使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量，可以降低成本和增加功能，见摩尔定律，集成电路中的晶体管数量，每1．5年增加一倍。总之，随着外形尺寸缩小，几乎所有的指标改善了，单位成本和开关功率消耗下降，速度提高。但是，集成纳米级别设备的IC也存在问题，主要是泄漏电流。因此，对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显，制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步，在半导体国际技术路线图中有很好的描述。

三、主流的芯片厂商

1、三星

在最开始的时候做日用品，在上世纪70年代才进入的半导体领域，几十年的发展，让三星电子从一开始给日本企业打下手，成为了现在的全球第一。目前的三星电子仅一个研发半导体，生产芯片的部门产生的利润就占据了整个三星集团的全部利润的七成左右，其存储芯片和显示芯片在全球占据领先地位。

2、英特尔

是美国一家主要以研制CPU处理器的公司，是全球最大的个人计算机零件和CPU制造商，它成立于1968年，具有50年产品创新和市场领导的历史。1971年，英特尔推出了全球第一个微处理器。微处理器所带来的计算机和互联网革命，改变了整个世界。2016年4月底，英特尔公司发言人证实，原定在2016年推出的移动处理器凌动产品线的两个新版本将会取消发布，换言之，英特尔将会退出智能手机芯片市场。

3、博通

是全球领先的有线和无线通信 半导体公司。其产品实现向家庭、 办公室和移动环境以及在这些环境中传递语音、 数据和多媒体。Broadcom 为计算和网络设备、数字娱乐和宽带 接入产品以及移动设备的制造商提供业界最广泛的、 一流的片上系统和软件解决方案。

4、恩智浦

是一家新近独立的半导体公司，由飞利浦公司创立，已拥有五十年的悠久历史，主要提供工程师与设计人员各种半导体产品与软件，为移动通信、消费类电子、安全应用、非接触式付费与连线，以及车内娱乐与网络等产品带来更优质的感知体验。

5、TI

是世界上最大的模拟电路技术部件制造商，全球领先的半导体跨国公司，以开发、制造、销售半导体和计算机技术闻名于世，主要从事创新型数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售。除半导体业务外，还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。

6、ST

是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS－THOMSON Microelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司。意法半导体是世界最大的半导体公司之一。意法半导体拥有世界上最强大的产品阵容，既有知识产权含量较高的专用产品，也有多领域的创新产品，例如分立器件、高性能微控制器、安全型智能卡芯片、微机电系统（MEMS）器件。

7、英飞凌

于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立，是全球领先的半导体公司之一。其前身是西门子集团的半导体部门，于1999年独立，2000年上市。其中文名称为亿恒科技，2002年后更名为英飞凌科技。总部位于德国Neubiberg的英飞凌科技股份公司，为现代社会的三大科技挑战领域——高能效、移动性和安全性提供半导体和系统解决方案。英飞凌专注于迎接现代社会的三大科技挑战：高能效、 移动性和 安全性，为汽车和工业功率器件、芯片卡和安全应用提供半导体和系统解决方案。

8、英伟达

是一家人工智能计算公司  。公司创立于1993年，总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市。Jensen Huang（黄仁勋）是创始人兼首席执行官。1999年，NVIDIA发明了GPU，这极大地推动了PC游戏市场的发展，重新定义了现代计算机图形技术，并彻底改变了并行计算。

9、联发科

是全球著名IC设计厂商，专注于无线通讯及数字多媒体等技术领域。其提供的芯片整合系统解决方案，包含无线通讯、高清数字电视、光储存、DVD及蓝光等相关产品。

10、安华高

是一家设计、研发并向全球客户广泛提供各种模拟半导体设备的供应商，公司主要提供复合 III－V 半导体产品。我们在高性能设计和集成方面拥有超群的实力。我们的产品组合广泛多样，在以下四个主要目标市场中拥有约 6500 种产品，即：无线通信、有线基础设施、工业和汽车电子产品以及消费品与计算机外围设备。

11、海思

是一家半导体公司，海思半导体有限公司成立于2004年10月，前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心。海思公司总部位于深圳，在北京、上海、美国硅谷和瑞典设有设计分部。海思的产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案，成功应用在全球100多个国家和地区；在数字媒体领域，已推出SoC网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案和IPTV芯片及解决方案。（排名不分先后）

四、芯片常见的几大问题

1、芯片为啥是方的？

芯片能按设计者的意图进行工作，执行任务，如最简单充电宝。就可以由微芯片控制充电检测显示。芯片都是大晶圆上切出来的，切割线周围是无法做电路的，所以切割线总长度越短，晶圆面积浪费越小。在芯片面积一定的情况下，周长最短的是正六边形密排。然而晶圆切割的时候划片设备只能切直线，正六边形密排的边界线不是直线，没法用（实际上可行的只有三角形、平行四边形和矩形三种方案），所以最佳方案是正方形。但是有些时候很难把芯片正好设计成正方形，或是设计成正方形反而会浪费更多面积，就会使用矩形。

2、芯片的作用是什么？

芯片好比人的心脏，它其实就是一块高度集成的电路板，也可以叫IC。比如说电脑的CPU其实也是一块芯片不同的IC有不同的作用，比如说视频编码／解码IC及是专门用来处理视频数据的，音频编码／解码IC则是用来处理声音的。如果把中央处理器CPU比喻为整个电脑系统的心脏，那么主板上的芯片组就是整个身体的躯干。对于主板而言，芯片组几乎决定了这块主板的功能，进而影响到整个电脑系统性能的发挥，芯片组是主板的灵魂。一块好的芯片可以最大化的让这个主板发挥出它最好的功能，就跟一名运动员一样，在一个合适的场合你给他一套适合的装备他就可以发挥出他的能力。

芯片的的作用可以很广泛，它不止可以被安装到我们平常使用的电脑里，它的作用其实是非常广阔的，在我们平常的生活里其实到处都有芯片，它在我们的手机、电视机、空调、热水器、遥控器等等产品中。芯片在我们的生活里处处可见，没了芯片的生活里可以说是没了科技，它是一个电器里面的灵魂。

3、芯片是怎么做出来的？

如果问及芯片的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的芯片竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。

芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”。晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99．999％），接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。

光刻工艺的基本流程。首先是在晶圆（或衬底）表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，即所谓的曝光后烘烤，后烘烤是的光化学反应更充分。最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影。显影后，掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响 。

这个过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。

将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式，使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层，但复杂的芯片通常有很多层，这时候将该流程不断的重复，不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似多层PCB板的制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层，这时候通过重复光刻以及上面流程来实现，形成一个立体的结构。

经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的，组织一次针测试模式是非常复杂的过程，这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低，这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。

将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式，这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。

经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。

如今，集成电路变得无处不在，计算机、手机和其他数字电器成为社会结构不可缺少的一部分。这是因为，现代计算、交流、制造和交通系统，包括互联网，全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。IC的成熟将会带来科技的大跃进，不论是在设计的技术上，或是半导体的工艺突破，两者都是息息相关。