相关基本概念

集成电路 Integrated Circuit IC : 把一定数量的常用电子元件，比如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

芯片：集成电路行业口语化说法。

半导体：材料 。集成电路行业是半导体行业（85%）的子集 、器件设备等等。

微电子：材料+器件+工艺。现在也包括集成电路 也专门专业叫集成电路设计专业。

几个概念之间的关系：芯片【成品】的本质是在半导体【材料】衬底上制作实现一系列功能的集成电路【技术实现形式】。

芯片的种类分类及相关有名厂商

按功能分类

处理器芯片

CPU芯片

作用：计算机的“大脑”，用于执行计算、控制和数据处理任务。

示例：Intel和AMD的x86系列处理器芯片、ARM架构的处理器芯片等。

国外英特尔、AMD、IBM、高通

华为海思、龙芯、海光、北京君正

图形处理器芯片（GPU芯片）

作用：用于图形渲染、图像处理和并行计算，广泛应用于图形显示、游戏和科学计算等领域。

英特尔、英伟达、AMD

壁仞科技、摩尔线程、芯动科技、景嘉微

DSP数字信号处理器

作用：用数字信号处理信息的器件

Microchip、德州仪器、analog devices、ARM

MCU微控制器

将计算、存储、接口都集成在一起形成芯片级的计算机  汽车行业常见

瑞萨、恩智浦、士兰微、复旦微电子、ST、华大半导体

存储芯片

作用：用于数据存储，包括内存芯片（RAM、ROM、Flash等）和存储器芯片（硬盘、固态硬盘等）。

易失性存储器：SRAM    DRAM

非易失性存储器：ROM FLASH

巨头垄断：三星、海力士、美光  海外

长江存储、长鑫存储、复旦微电子、兆易创新、华天科技

传感器芯片

作用：用于检测环境中的物理量，如温度、湿度、光照等，广泛应用于物联网设备、汽车等领域。

CIS （CMOS图像传感器）

作用：将光学图像转换成电子信号的电子设备

索尼、三星、豪威科技、格科微

MEMS （微机电系统）

在芯片把微电路和微机械集成于一体的系统  手机 比如磁传感器、指纹传感器、环境传感器

博通、博世、歌尔微电子、敏芯微、士兰微

Touch触摸触控芯片

Atmel、比亚迪、晨星半导体、汇顶半导体

电源芯片

给ASIC、DSP、CPU、Memory、FPGA及其他数字或模拟负载提供供电

DC/DC电源芯片：开关电源芯片  直流转换直流的电源

LDO低压差线性稳压器：稳压器  不同直流电压给不同器件供电

PMU电源管理单元：高度集成更加便携式的电源管理方案

芯源系统、TI、英飞凌、东芝、瑞芯微、圣邦微电子、上海贝岭

通信芯片

作用：用于网络通信、无线通信和数据传输，包括以太网芯片、Wi-Fi芯片、蓝牙芯片等。

蓝牙芯片

近距离无线连接技术、支持声音图像的传输

高通、赛普拉斯、Dialog、ST、紫光展锐

无线芯片

高通、博通、Marvell、联发科、瑞昱、乐鑫

NB-LOT 窄带物联网芯片远距离无线通信 广域网智能抄表、智慧路灯、智慧停车、共享单车

高通、华为海思、中兴微、联发科、紫光展锐

接口芯片

USB 通用串行总线芯片

赛普拉斯、恩智浦、全志

HDMI 高清多媒体接口芯片全数字化视频和声音发送接口

东芝、亚德诺、全志

按工作原理分类

模拟芯片

作用：处理连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号。

举例子，比如声控/红外线控制路灯。

数字芯片

作用：实现数字信息传输，包括存储、计算、运算等功能。

举例子，基本上就是数码产品都是这类芯片。

数模混合芯片

作用：同时包含模拟和数字功能的芯片。

按芯片体系结构分类 【异构计算】

通过硬件加速，采用专用协处理器的异构计算方式来提升处理性能，使得处理器的性能可以满足应用软件的需求。

CPU

CPU作为通用处理器，兼顾计算和控制，70%晶体管用来构建Cache 还有一部分控制单元，用来处理复杂逻辑和提高指令的执行效率，如图所示，所以导致计算通用性强，可以处理计算复杂度高，但计算性能一般。

GPU

GPU主要擅长做类似图像处理的并行计算，所谓的“粗粒度并行（coarse-grain parallelism）”。图形处理计算的特征表现为高密度的计算而计算需要的数据之间较少存在相关性，GPU 提供大量的计算单元（多达几千个计算单元）和大量的高速内存，可以同时对很多像素进行并行处理。

图是GPU的设计结构。GPU的设计出发点在于GPU更适用于计算强度高、多并行的计算。因此，GPU把晶体管更多用于计算单元，而不像CPU用于数据Cache和流程控制器。这样的设计是因为并行计算时每个数据单元执行相同程序，不需要繁琐的流程控制而更需要高计算能力，因此也不需要大的cache容量。

FPGA

FPGA作为一种高性能、低功耗的可编程芯片，可以根据客户定制来做针对性的算法设计。所以在处理海量数据的时候，FPGA 相比于CPU 和GPU，优势在于：FPGA计算效率更高，FPGA更接近IO。

FPGA不采用指令和软件，是软硬件合一的器件。对FPGA进行编程要使用硬件描述语言，硬件描述语言描述的逻辑可以直接被编译为晶体管电路的组合。所以FPGA实际上直接用晶体管电路实现用户的算法，没有通过指令系统的翻译。

FPGA的英文缩写名翻译过来，全称是现场可编程逻辑门阵列，这个名称已经揭示了FPGA的功能，它就是一堆逻辑门电路的组合，可以编程，还可以重复编程。图8展示了可编程FPGA的内部原理图。

ASIC

ASIC是一种专用芯片，与传统的通用芯片有一定的差异。是为了某种特定的需求而专门定制的芯片。ASIC芯片的计算能力和计算效率都可以根据算法需要进行定制，所以ASIC与通用芯片相比，具有以下几个方面的优越性：体积小、功耗低、计算性能高、计算效率高、芯片出货量越大成本越低。但是缺点也很明显：算法是固定的，一旦算法变化就可能无法使用。目前人工智能属于大爆发时期，大量的算法不断涌出，远没有到算法平稳期，ASIC专用芯片如何做到适应各种算法是个最大的问题，如果以目前CPU和GPU架构来适应各种算法，那ASIC专用芯片就变成了同CPU、GPU一样的通用芯片，在性能和功耗上就没有优势了。

我们来看看FPGA 和 ASIC 的区别。FPGA基本原理是在芯片内集成大量的数字电路基本门电路以及存储器，而用户可以通过烧入 FPGA 配置文件来来定义这些门电路以及存储器之间的连线。这种烧入不是一次性的，即用户今天可以把 FPGA 配置成一个微控制器 MCU，明天可以编辑配置文件把同一个 FPGA 配置成一个音频编解码器。ASIC 则是专用集成电路，一旦设计制造完成后电路就固定了，无法再改变。

ref:深入理解CPU和异构计算芯片GPU/FPGA/ASIC - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

按行业用途分类

数据中心级芯片

应用：云计算数据中心，包含CPU、GPU、内存、存储控制器、固态硬盘等。

消费类芯片

应用：日常使用的电脑、手机等产品。

工业芯片

应用：工业产品，需具备稳定性、高可靠性和高安全性。

车规芯片

应用：汽车领域，对温度环境要求严格。

军工芯片

应用：国防军事工业领域，如卫星通信、制导、精准导航等。

按工艺制程分类

芯片还可以根据半导体芯片的工艺制程的演进历史进行分类，例如从早期的10μm工艺到现在的更先进的纳米级工艺。

7nm工艺  14nm  28nm。工艺制程通常以纳米（nm）为单位来表示，例如7纳米（7nm）、5纳米（5nm）等。这些数字代表了晶体管的关键尺寸，特别是栅极长度。如图。

按集成度分类

小型集成电路（SSI）、中型集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）等。

芯片行业上下游供应链及生产工序

简单顺序和对应公司

IC设计 --> 晶圆制造 --> IC封装 --> IC测试 -->成品芯片

纯芯片设计公司，又称为Design House，Fabless公司。比如英伟达、AMD。

设计、制造、封装、测试都有涉及的公司，有Intel、TI、三星。

纯制造的公司，又称为Foundry，TOP1为台积电。

做封测的公司有日月光等。

也有做相关制造设备的公司，比如光刻机最有名ASML。

做芯片材料的公司，掩模版，光刻胶，抛光材料，电子气体，湿电子化学品和靶材等，公司有比如江丰电子、南大广电等等。

芯片设计

对于客户（ODM，Original Design Manufacturer，原始设计制造商，比如华勤，闻泰做AIoT的，还有很多很多啦）提出需求后，在芯片设计部分，主要分模拟芯片设计和数字芯片设计，这里数字芯片设计，基本上都会用到EDA（Electronic design automation）设计工具，EDA服务供应商做得较为有名的有Synopsys（‌新思科技）、‌Cadence（‌楷登电子）和‌Siemens EDA（原‌Mentor Graphics，被‌西门子收购后更名）；模拟芯片巨头德州仪器（TI，Texas Instrument）和英飞凌，这个陆老师比我熟。成熟的IP模块授权的公司里最为有名为ARM。

数字IC设计基本流程：设计—验证—RTL freeze—综合—STA（静态时序分析）—DFT—PR（自动布局布线）—Design sign-off。 当然，有时候前端设计里，也需要做一些DFT的工作。对应岗位有系统架构工程师、前端设计工程师DE和验证工程师DV DFT工程师属于左边粉色队列；后端设计工程师PR属于右边蓝色队列。

模拟芯片设计流程：对应的工程师有系统架构设计师、模拟电路设计工程师、模拟版图设计工程师。

两者对比图

晶圆制造流程

首先需要纯净的是半导体晶圆。半导体晶圆是从大块硅锭切割后的结果，而硅锭是从大块具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来。把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，这就是晶体生长。晶体生长主要通过三种方法：直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法。这里无论是直拉法还是区熔法，使用的设备均为单晶炉，单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成，其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉生产能力的关键

这里用到单晶炉。

然后到切割形状的步骤。晶体生长之后变进入晶圆准备环节，第一步是硅切片加工。硅切片加工的目的在于将硅锭切成一定厚度的薄晶片，切后的参数如晶向偏离度、TTV等精度对后道工序的加工（如研磨、刻蚀和抛光等）起直接作用，主要包括切去两端、硅片定位、精准切割等步骤。

这里用到切割机、滚圆机、截断机。

对原料硅片进行清洗工序。在不破坏硅片表面特性的前提下，使用不同的化学品进行前段清洗，去除半导体硅片表面的尘埃颗粒、有机物残留薄膜和吸附在表面的金属离子，以确保后续热氧化层成长的质量。主要方式为将硅片沉浸在清洗机化学液体槽内或使用化学液体喷雾清洗，再使用超纯水清洗，以避免化学液残留。

这里用到清洗类设备。

氧化、薄膜沉积步骤。氧化是在800-1250℃高温的氧气和惰性携带气体（N2）下使硅片表面的硅氧化生成二氧化硅膜。热氧化层中重要的闸极氧化层(Gateoxide)与场氧化层(Fieldoxide)即以此方法形成。根据反应气体的不同，氧化工艺通常分为干氧氧化和湿氧氧化两种方式。 干氧氧化制备的二氧化硅结构致密，厚度均匀，对于注入和扩散的掩蔽能力强，工艺重复性强，其缺点是生长速率较慢。这种方法一般用于高质量的氧化，如栅介质氧化、薄缓冲层氧化，或者在厚层氧化时用于起始氧化和终止氧化。 在湿氧工艺中，可在氧气中直接携带水汽，也可以通过氢气和氧气反应得到水汽，通过调节氢气或水汽与氧气的分压比改变氧化速率。湿氧氧化由于反应气体中同时存在氧气和水汽，而水汽在高温下将分解为氧化氢(HO)，氧化氢在氧化硅中的扩散速率比氧快得多，所以湿氧氧化速率比干氧氧化速率高约一个数量级。

这里用到管式反应炉、快速热处理设备。

光刻、刻蚀。晶圆表面上的电路设计图案直接由光刻技术决定。首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代表着工艺发展水平。光刻机把图案印上去，然后刻蚀机根据印上去的图案刻蚀掉有图案（或者没有图案）的部分，留下剩余的部分。刻蚀可分为干法刻蚀和湿法刻蚀，它们的区别就在于湿法使用溶剂或溶液来进行刻蚀。

这里用到光刻机和刻蚀机。最有名为ASML光刻机，真卡脖子技术。

去胶、离子注入。离子注入是在真空与低温环境将杂质离子加速以高能离子束植入硅片表面所需特定区域，以植入物质的质量与能量控制在硅表面掺入的浓度与范围。离子注入工序后，通过高温退火，消除前期植入造成的晶格缺陷并使注入离子活化，注入离子起施主或受主的作用。在集成电路制造工艺中，离子注入通常应用于深埋层、倒掺杂阱、阈值电压调节、源漏扩散注入、源漏注入、多晶硅掺杂、形成 PN 结合电阻/电容等。掺杂： 高温环境下在硅表面掺入纯杂质原子的过程，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用，将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块半导体硅片上。

这里使用了离子注入机、等离子去胶机、清洗设备。

薄膜沉积。在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成。主要包括化学气相 (CVD)淀积和物理气相淀积(PVD)两大类工艺，可以在晶圆表面生成了许多薄膜，这些薄膜可以是绝缘体、半导体或导体。它们由不同的材料组成，是使用多种工艺生长或淀积的。从全球范围看，AMAT在CVD设备和PVD设备领域都保持领先。

这里使用了CVD设备、PVD设备等。

抛光。CMP是指利用化学研磨液与机械力使晶圆制造中各层的全面性平坦的方式，以在晶圆的局部与整体各层表面减少凹凸起伏的情况，在已形成图案的硅片上进行化学机械抛光，使之形成整体平面，以减轻多层结构造成的严重不平的表面形态，满足光刻时对焦深的要求。根据对象的不同，CMP工艺主要分为硅抛光、硅氧化物抛光、碳化硅抛光、钨抛光和铜抛光。

这里用到了抛光机、清洗设备、测量设备等。

金属化是在硅片表面上制成金属或合金的导体。在硅片上沉积金属以作为电路的内引线的方法有蒸发、溅射、CVD等。金属溅镀就是将金属薄膜沉积在硅片表面的工艺过程。在此工艺中，薄膜主要以物理填充而不是化学反应。它是通过给金属靶材加上直流电，并利用磁场作用将靶材上的金属溅射出去并沉积到晶圆表面。铝是8英寸硅片常用的金属沉积材料，12英寸硅片常用的金属沉积材料是铜，其它的材料包括金、钛、钼、钨、钛钨合金、钯等。

这里用了物理气相沉积设备、化学气相淀积设备、电镀设备、清洗设备等。

电学测试及包装。电学测试是用探针对生产加工好的硅片产品功能进行测试，验证每个晶圆是否符合产品规格，检测通过的晶圆即可进行包装入库。

这里用了晶圆中测测试机、分选机、探针台。

ref:半导体晶圆制造工艺及设备大全！ (zhihu.com)

晶圆/芯片封装流程

1、硅片减薄：使用物理手段，如磨削、研磨等；或者化学手段，如电化学腐蚀、湿法腐蚀等，使芯片的厚度达到要求。薄的芯片更有利于散热，减小芯片封装体积，提高机械性能等。

2、硅片切割：用多线切割机或其它手段如激光，将整个大圆片分割成单个芯片

3、芯片贴装：将晶粒黏着在导线架上，也叫作晶粒座，预设有延伸IC晶粒电路的延伸脚，用银胶对晶粒进行黏着固定。

4、芯片互联：将芯片焊区与基板上的金属布线焊区相连接，使用球焊的方式，把金线压焊在适当位置。芯片互联常见的方法有，打线键合，载在自动键合（TAB）和倒装芯片键合。

5、包封固化：用树脂体将装在引线框上的芯片封起来，对芯片起保护作用和支撑作用。包封后进一步固化。

6、电镀：在引线条上所有部位镀上一层锡，保证产品管脚的易焊性，增加外引脚的导电性及抗氧化性。

7、打印：在树脂上印制标记，包含产品的型号、生产厂家等信息。

8、切脚成型：将导线架上已封装完成的晶粒，剪切分离并将不需要的连接用材料切除，提高芯片的美观度，便于使用及存储。

9、测试：筛选出符合功能要求的产品，保证芯片的质量可靠性。

10、包装入库：将产品按要求包装好后进入成品库，编带投入市场。

ref: 芯片封装基本流程及失效分析处理方法 - 哔哩哔哩

这涉及的工种有芯片制造、封测、流片过程中涉及多个关键岗位，这些岗位共同确保芯片从设计到最终产品的顺利实现。以下是芯片制造、封测、流片过程中所需的主要岗位：

1.质量QA工程师‌：负责产品实现各阶段的策划和过程控制，包括先期设计开发过程及后续的生产制造过程。处理客户基于产品的相关反应活动，如客户反馈、客户需求、客户满意度等，并跟进产品开发/流片/封装/测试/可靠性及客户使用过程问题，推进制定纠正预防措施，并跟踪验证改善效果‌。

2‌.设备工程师‌ 和 ‌工艺工程师‌：分别负责芯片制造过程中的设备和工艺的维护与管理，确保生产线的稳定运行和产品质量的稳定‌。

3‌.良率工程师‌ 和 ‌质量工程师‌：专注于提高产品的良率和保证产品质量，通过分析和改进生产过程中的问题，以提高产品的可靠性和性能‌。

4‌.封装工程师‌ 和 ‌测试工程师‌：负责芯片的封装和测试工作，确保芯片在封装和测试过程中达到规定的标准和性能要求‌。

这些岗位共同构成了芯片制造、封测、流片的完整链条，确保从设计到最终产品的每一个环节都能得到专业的处理和监控，从而生产出高质量的芯片产品。

ref: 一颗芯片的诞生需要哪些岗位人员共同协作？ - 哔哩哔哩