這篇要討論的重點(diǎn)則是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從上游到下游到底在做些什么。先來看一下關(guān)聯(lián)圖：


我們先從大方向了解，之后再局部解說。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最上游是IC設(shè)計(jì)公司與硅晶圓制造公司，IC設(shè)計(jì)公司依客戶的需求設(shè)計(jì)出電路圖，硅晶圓制造公司則以多晶硅為原料制造出硅晶圓。中游的IC制造公司主要的任務(wù)就是把IC設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)好的電路圖移植到硅晶圓制造公司制造好的晶圓上。完成后的晶圓再送往下游的IC封測廠實(shí)施封裝與測試，即大功告成啰！

局部解說開始！

(1)硅晶圓制造

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最上游是硅晶圓制造。事實(shí)上，上游的硅晶圓產(chǎn)業(yè)又是由三個(gè)子產(chǎn)業(yè)形成的，依序?yàn)楣璧某醪郊兓?→ 多晶硅的制造 → 硅晶圓制造。
硅的初步純化：

將石英砂(SiO2)轉(zhuǎn)化成冶金級硅(硅純度98%以上)。



多晶硅的制造：

將冶金級硅制成多晶硅。這里的多晶硅可分成兩種：高純度(99.999999999%，11N)與低純度(99.99999%，7N)兩種。高純度是用來制做IC等精密電路IC，俗稱半導(dǎo)體等級多晶硅；低純度則是用來制做太陽能電池的，俗稱太陽能等級多晶硅。


硅晶圓制造：
將多晶硅制成硅晶圓。硅晶圓又可分成單晶硅晶圓與多晶硅晶圓兩種。一般來說，IC制造用的硅晶圓都是單晶硅晶圓，而太陽能電池制造用的硅晶圓則是單晶硅晶圓與多晶硅晶圓皆有。一般來說，單晶硅的效率會(huì)較多晶硅高，當(dāng)然成本也較高。


(2)IC設(shè)計(jì)

前面提到硅晶圓制造，投入的是石英砂，產(chǎn)出的是硅晶圓。IC設(shè)計(jì)的投入則是「好人」們超強(qiáng)的腦力(和肝)，產(chǎn)出則是電路圖，最后制成光罩送往IC制造公司，就功德圓滿了！

不過，要讓理工科以外的人了解IC設(shè)計(jì)并不是件容易的事(就像要讓念理工的人了解復(fù)雜的衍生性金融商品一樣)，作者必需要經(jīng)過多次外出取材才有辦法辦到。這里先大概是一下觀念，請大家發(fā)揮一下你們強(qiáng)大的想像力！

簡單來講，IC設(shè)計(jì)可分成幾個(gè)步驟，依序?yàn)椋阂?guī)格制定 → 邏輯設(shè)計(jì) → 電路布局 → 布局后模擬 → 光罩制作。

規(guī)格制定：

品牌廠或白牌廠(沒有品牌的品牌廠)的工程師和IC設(shè)計(jì)工程師接觸，并開出他們需要的IC的規(guī)格給IC設(shè)計(jì)工程師 (譬如說，第一個(gè)腳位和第二個(gè)腳位相加要等于第九個(gè)腳位)。討論好規(guī)格后，工程師們就開始快樂的工作啰！

邏輯設(shè)計(jì)：

藉由軟件的幫助，工程師們終于完成了邏輯設(shè)計(jì)圖了，來看一下：


所謂的「邏輯」設(shè)計(jì)圖，就是指它是由簡單的邏輯元件構(gòu)成。什么是邏輯元件呢？像是AND Gate(故名思意，兩個(gè)輸入都是1的話，輸出才是1，否則輸出就是0)，OR Gate(兩個(gè)輸入只要有一個(gè)輸入是1，輸出就是1)等。邏輯元件會(huì)在IC設(shè)計(jì)單元再和大家做進(jìn)一步的介紹。

電路布局：

基本上，就是利用軟件的幫助，把友善的邏輯設(shè)計(jì)圖，轉(zhuǎn)化成惡心的電路圖。如圖：


大家應(yīng)該很熟悉吧！里面大部分都是二極體和電晶體！

布局后模擬：

就是再經(jīng)由軟件測試看看，結(jié)果是不是和當(dāng)初「規(guī)格制定」是一樣的結(jié)果啰！

光罩制作：

電路完成后，再把電路制作成一片片的光罩就大功告成啰！完成后的光罩即送往IC制造公司。來看一下光罩長什么樣子吧！


(3) IC制造

IC制造的流程較復(fù)雜，但其實(shí)IC制造就只做一件事而已：把光罩上的電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓上。它的過程其實(shí)和傳統(tǒng)相片的制造過程非常類似 (當(dāng)然，精密度差太多了)！你如果上網(wǎng)google一下「IC制造」，會(huì)看到很多火星文的資料，保證你看不懂那些流程到底代表什么意思。

IC制造的步驟是這樣子的：薄膜→光阻→顯影→蝕刻→光阻去除，然后不斷的循環(huán)數(shù)十次。我們來看一下示意圖


薄膜：

鍍上金屬(實(shí)際上不一定是金屬)

光阻：

在晶圓上涂上一層光阻(感光層)

顯影：

用強(qiáng)光透過「光罩」后照在晶圓上。這樣的話，除了「電路」該出現(xiàn)的部分，其余光阻的部分是不是都照到光了？

蝕刻：

把沒有光阻覆蓋的薄膜沖蝕

光阻去除：

把上面的光阻去除，留下的薄膜部分就是電路圖了！(這里假設(shè)電路圖就是「一長條」而已，實(shí)際情況當(dāng)然較復(fù)雜啰！)

很簡單吧！當(dāng)然，實(shí)際的過程沒那么簡單。實(shí)際的情形是光罩是由好幾十層構(gòu)成的，而每層需要的材質(zhì)也不一樣。也就是說，薄膜那一層需用不同的材質(zhì)。譬如說，SiO2。
有趣吧！以上都只是前菜，在「半導(dǎo)體制程」單元會(huì)有更詳細(xì)的介紹喔！

(4)IC封測

IC制造廠商完成的IC大致如下圖：


這一片片的晶圓完成品就被送往IC封測廠，實(shí)行IC的封裝與測試。

封裝：

封裝的流程大致如下：切割→黏貼→焊接→模封。

先講一下觀念好了，來看個(gè)CPU吧！


圖片中央的就是CPU。CPU很大一個(gè)，但仔細(xì)看，中間那個(gè)金屬部分才是CPU裸晶(又稱晶粒，即未封裝前的IC)的真正大小喔！其余的部分就是所謂的印刷電路板-PCB啰！

好！可以開始講IC封裝了！

切割：

第一步就是把IC制造公司送來的一片片晶圓切割成一顆顆長方形的IC啰！

黏貼：

把IC黏貼到PCB上

焊接：

故名思義，把IC的小接腳焊接到PCB上，這樣才和大PCB(如主機(jī)板)相容喔！

模封：

故名思義，就是把接腳模封起來。最近很hot的題材-BT樹脂，就是用在這里喔！

有感覺嗎？來看個(gè)圖就較清楚了：


如圖，中間的是晶粒，往外接到PCB上。

這樣就大致完成啰！

2017-06-27  來源：OFweek電子工程網(wǎng)