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集成电路简要概述



集成电路简要概述





集成电路的发展历程

1883年,发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料,曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了,他无意中发现,没有连接在电路里的铜丝,却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统,没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利,并命名为“爱迪生效应”。

1904年,世界上第一只电子二极管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了,这使爱迪生效应具有了实用价值。弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。

1906年,美国发明家德福雷斯特(De Forest Lee),在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只真空三极管.

德福雷斯特

1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世,是20世纪的一项重大发明,是微电子革命的先声。晶体管出现后,人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件,来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角。

美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿

1958年9月12日,德州仪器(TI)工程师杰克·基尔比成功地用热焊方式把元件以极细的导线互接,将20多个元器件集成在一块面积不超过4平方毫米的半导体材料上(锗)。1959年2月6日,杰克·基尔比向美国专利局申报专利,这种由半导体元件构成的微型固体组合件,从此被命名为“集成电路”。

基尔比用锗做出集成电路的消息传到硅谷,仙童半导体公司的创始人罗伯特·诺伊斯提出:可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产。6个月后,诺伊斯就发明了世界上第一块用硅制作的集成电路,比锗集成电路更实用、更容易生产,也申请了发明专利。

这个发明使得仙童半导体公司原来占地170平方米的庞大计算机可以被一块只有火柴盒大小的微处理器所代替。时值冷战高峰期,美苏进入太空竞赛阶段,苏联把宇航员送上了太空,美国奋起直追,急需将各种电子设备小型化,这给仙童带来了巨大的发展机会。


1968年仙童公司的销售额从原来的几千美元上升到1.3亿美元。仙童公司被称为“半导体行业的西点军校”,正如乔布斯所比喻的那样:“仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”

1968年罗伯特·诺伊思和摩尔等科学家离开了仙童公司,创办了英特尔公司。

1958年和杰克·基尔比同年进入德州仪器工作的有一个来自中国台湾的年轻人,27岁的张忠谋,美国麻省理工学院机械系硕士毕业,是德州仪器第一个中国雇员。

入职之后他又赴美国斯坦福大学电机系深造,获博士学位,并重回德州仪器工作。到1972年,张忠谋已升任德州仪器资深副总裁,是德州仪器仅次于董事长和总裁的三号人物。

1985年,张忠谋因德州仪器不采纳其扩大半导体业务投资的建议等原因,辞去工作,返回台湾,并出任台湾工业技术研究院院长。1987年,张忠谋在台湾新竹科学园区创建了台湾积体电路制造公司(即台积电)。

彼时的半导体企业都是全能公司,垂直一体化整合经营,从芯片的设计、制造、封装测试到销售,都由自己完成,一个公司就是一条完整的产业链,德州仪器、英特尔等巨头都是这个模式,称为IDM模式(Integrated Device Manufacturer整合设备生产商)。

在这种情况下,行业技术壁垒相当之高,现有芯片公司对潜在进入者相当警惕,要创办一个全新的垂直一体化的全能半导体公司几乎不可能。张忠谋另辟蹊径,向巨头们提出了一个合作的建议,台积电只做制造这个环节,不碰设计、封测两头的环节,只为大家做代工,而不谋求发展成为全能的IDM芯片公司,不和大家竞争。


1963年,日本电气公司便获得了仙童半导体公司的平面技术授权,而日本政府则要求日本电气将其技术与日本其他厂商分享。以此为起点,日本电气、三菱、夏普、京都电气都进入了集成电路行业。

20世纪70年代,在美国施压下,日本被迫开放其半导体和集成电路市场,而同期IBM正研发高性能、微型化的计算机系统。1974年6月日本电子工业振兴协会向日本通产省提出了由政府、产业及研究机构共同开发“超大规模集成电路”的设想,1976~1979年,日本政府组织了联合攻关计划,即VLSI。4年间取得上千件专利,大幅提升了日本的集成电路水平,为日本20世纪80年代的集成电路竞争铺平了道路。

1986年日本半导体产品已占世界市场的45%,超越美国成为全球第一半导体生产大国。1989年,在存储芯片领域,日本企业的市场份额已达53%,而美国为37%。在日本企业的巅峰时期,日本电气、东芝和日立三家企业排名动态随机存储器领域的全球前三,其市场份额甚至超过90%,而美国德州仪器和镁光科技则苦苦支撑。

1986年10月,韩国政府开始执行《超大规模集成电路技术共同开发计划》,要求以政府为主、民间为辅,投资开发DRAM芯片核心基础技术,投入资金1.1亿美元扶持电子技术的发展。1984年,三星公司完成了64K DRAM芯片的研发,当时其研发速度还落后于美国数年; 1988年,三星宣布完成了4MDRAM芯片的设计,此时其研发速度仅比日本晚6个月; 1992年,三星开发出了64M DRAM芯片,随后开始向惠普、IBM等美国大型企业提供产品,实现了在技术和市场上赶超美日的目标。短短的几年时间,已经将技术发展达到了世界的领先水平。

早在70年代,三星只不过是一家生产家电的小企业,伴随着国家对于芯片发展的扶持和各国芯片的发展状况,三星决定涉足芯片产业,李秉喆一度向美国镁光及日本夏普派遣员工,以获得半导体产业的初期技术,但是过程非常不顺利。

因此,政府出面,上世纪50~60年代前往欧美发达国家留学的韩国学子,在韩国政府的吸引政策下,陆续回到韩国加入产业化过程,三星招聘了近140名人才,并用了将近2年时间向三星的工程师及高管们传授半导体产业的经验及技术。

1983年,历经多年努力,三星的首个芯片工厂在京畿道器兴地区落成,并在投产后很快便开始量产64位芯片。很快,三星开发了256位芯片、486位芯片,并正式进入全球芯片市场的竞争中。

1996~1999年期间,全世界DRAM芯片的年营销额呈现负增长态势时,三星却在此时积极兴建它的四个分厂,该策略对日后三星DRAM芯片产值的丰收起到了相当大的作用。

三星之所以成功还有一个重要的原因,就是其创业者的企业家精神,芯片产业是一种典型的技术密集、资本密集型产业,其很难跳过一代芯片、进入下一代;而进入下一代的研发,则需要非常高的人力资本及研发成本,才能触发量的优势。

集成电路的制造

集成电路的制造过程主要分为五个制造阶段

  • 硅片制备
  • 硅片制造 测试分拣
  • 装配与封装
  • 终测

(1)硅片制备。


首先是将硅从矿物中提纯并纯化,经过特殊工艺产生适当直径的硅锭。然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片。最后按照不同的定位边和沾污水平等参数制成不同规格的硅片。本文讨论的主要内容就是硅片制备环节。

(2)芯片制造。

以下视频来源于

回形针PaperClip


裸露的硅片到达硅片制厂,经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等步骤,硅片上就刻蚀了一整套集成电路。芯片测试/拣选。芯片制造完后将被送到测试与拣选区,在那里对单个芯片进行探测和电学测试,然后拣选出合格的产品,并对有缺陷的产品进行标记。

(3)装配与封装。

硅片经过测试和拣选后就进入了装配和封装环节,目的是把单个的芯片包装在一个保护壳管内。硅片的背面需要进行研磨以减少衬底的厚度,然后把一个后塑料膜贴附在硅片背面,再沿划线片用带金刚石尖的锯刃将硅片上每个芯片分开,塑料膜能保持芯片不脱落。在装配厂,好的芯片被压焊或抽空形成装配包,再将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。

(4)终测。

为确保芯片的功能,需要对每一个被封装的集成电路进行测试,以满足制造商的电学和环节的特性参数要求。

集成电路制造中的职业

半导体制造业中职业途径主要分为三个主要方面:技师 工程师 管理人员

技师:负责操作硅片制造设备,负责设备简单维护,工艺及设备基本故障查询。


设备工程师:负责诊断维护设备,优化设备的性能,减少设备宕机时间

工艺工程师:负责分析制造工艺和设备性能优化参数设置。

现场服务工程师:一般是设备供应商,负责设备安装,后期设备维修保证设备有效生产。

良率工程师:利用测试设备以及分析数据,从事缺陷分析工作,找出引起缺陷根源,提高良率。

厂务工程师:负责工厂内部化学材料 净化空气以及常用设备设施提供工程支持。

主管/经理:在硅片制造厂,将技术技能和人事管理技能结合在一起以达到公司组织目标。















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