改變我們生活的集成電路

辛妍

沒有這些美妙的產(chǎn)品，很難想象我們的生活方式將會發(fā)生怎樣的轉(zhuǎn)變

在過去的半個世紀，技術(shù)發(fā)展的步伐迅速增加。在這令人印象深刻的進步中，集成電路（Integrated circuit，IC）的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。我們的日常生活中的很多活動都離不開包含集成電路的產(chǎn)品，比如計算機、電視機、收音機、音樂播放器、手機、微波爐、公共交通、電梯、手表、助聽器、計步器等等。沒有這些美妙的產(chǎn)品，很難想象我們的生活方式將會發(fā)生怎樣的轉(zhuǎn)變。

集成電路市場往往是周期性的，總的趨勢是在更多的產(chǎn)品集成更多的集成電路。雖然軍方曾經(jīng)是電子產(chǎn)品的主要驅(qū)動力，但近幾年，智能手機和平板電腦等手持式電子產(chǎn)品極大推動了消費類電子行業(yè)對集成電路的需求。智能手機和平板電腦需要互聯(lián)網(wǎng)連接和越來越大的帶寬，因為有大量的信息和圖像需要共享。同時，汽車工業(yè)也加入潮流，車輛中都在加載半導(dǎo)體器件。

臺灣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究所（MIC）預(yù)測，全球集成電路業(yè)的產(chǎn)值在2014年預(yù)計增長3.8%，將達到3104億美元。而在2013年10月，以其銷售的最終市場價值計算，臺灣半導(dǎo)體制造有限公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Co，TSMC，臺積電）的銷售數(shù)字超過了集成設(shè)備制造商（integrated device manufacturer，IDM）巨頭英特爾（Intel）和三星（Samsung），已成為世界上最大的集成電路芯片供應(yīng)商。而Gartner2013年的報告指出，全球頂尖的三家半導(dǎo)體制造商（臺積電TSMC、英特爾Intel和三星Samsung）的集成電路制造支出占2013年全球支出的一半以上。同時，Gartner還預(yù)測，2014年全球半導(dǎo)體資本支出將增加14.1%。

本文將介紹先進的集成電路設(shè)計和封裝，并展示集成電路產(chǎn)業(yè)的一些最新發(fā)展，如石墨烯集成電路、W波段集成電路和光子集成電路等，從而讓讀者了解這一極大改變了我們的工作和生活方式的產(chǎn)業(yè)。

集成電路設(shè)計

集成電路設(shè)計可分為數(shù)字設(shè)計和模擬設(shè)計兩大類。數(shù)字集成電路設(shè)計用于生產(chǎn)微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGAs）、存儲器（如隨機存儲記憶RAM、只讀存儲器ROM和閃存）和數(shù)字化專用集成電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）等部件，側(cè)重于邏輯的正確性、電路密度最大化和電路設(shè)置，以便有效地傳送時鐘和定時信號。模擬集成電路設(shè)計用于運算放大器、線性穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)、振蕩器和有源濾波器等的設(shè)計，它更測重于半導(dǎo)體器件的物理性，如增益、匹配、功耗和電阻等。通常模擬信號放大和濾波的保真度很關(guān)鍵，其結(jié)果就是相比于數(shù)字集成電路，模擬集成電路經(jīng)常用于更大面積的有源器件，而且電路密度較低。

預(yù)計到2015年，新建一個半導(dǎo)體廠的成本將超過50億美元，而代工廠能讓無晶圓廠的集成電路設(shè)計公司不需要巨額投資而擁有價格合理的先進工藝產(chǎn)能，因此集成電路設(shè)計從2000年只占半導(dǎo)體市場份額的不足10%，發(fā)展到了現(xiàn)在的占25.8%。

隨著2D縮放變得不切實際，3D集成電路集成成為半導(dǎo)體技術(shù)的自然演進。加之半導(dǎo)體技術(shù)走向堆疊異質(zhì)芯片的系統(tǒng)集成，3D集成電路成為一個主流趨勢。TechNavio的分析師預(yù)測，全球3D集成電路市場在2012到2016年間的復(fù)合年增長率約為19.7%，而導(dǎo)致這一市場增長的關(guān)鍵因素之一是對內(nèi)存增強應(yīng)用的巨大需求。

2012年，Synopsys公司發(fā)起的硅驗證電子設(shè)計自動化（Electric Design Automation，EDA）和IP解決方案對在半導(dǎo)體工業(yè)中部署3D集成電路集成技術(shù)作出了重大貢獻。Synopsys公司正在與領(lǐng)先的集成電路設(shè)計和制造公司密切合作，為3D集成電路設(shè)計提供全面的 EDA解決方案。

3D集成電路技術(shù)補充傳統(tǒng)晶體管縮放，使設(shè)計者能夠通過允許多個晶片垂直堆疊實現(xiàn)更高的集成度，或在硅中介層中有比肩“2.5 D”配置。與傳統(tǒng)的單片集成電路相比，3D集成電路使用直通硅晶穿孔（through-silicon via，TSV）技術(shù)（一種新興的、將取代芯片/晶圓堆疊中傳統(tǒng)的引線鍵合工藝的互連技術(shù)），以增加芯片間通信帶寬、提高系統(tǒng)性能、減小外形尺寸并降低多晶片堆疊系統(tǒng)的功耗。3D集成電路集成技術(shù)是一種為大型設(shè)備提供良好的成品率和可靠性的創(chuàng)新方式。3D集成電路集成支持高度異質(zhì)性的工藝技術(shù)融合，補充許多應(yīng)用領(lǐng)域中的晶體管縮放“摩爾定律”，從而通過成本節(jié)約和將產(chǎn)品推向市場的時間優(yōu)勢來延長成熟的半導(dǎo)體工藝技術(shù)的壽命。

3D集成電路集成正在應(yīng)用到很多領(lǐng)域，比如高容量FPGA、高密度內(nèi)存堆疊，以及一些需要將多個半導(dǎo)體技術(shù)用小的、高功效和高成本效益的方式打包到一起的先進的移動和消費產(chǎn)品。

集成電路封裝

近幾年，對便攜式互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備，如手機、平板電腦、GPS設(shè)備、MP3播放器等的需求相當(dāng)大，而這些產(chǎn)品的一個共同點就是將巨大數(shù)量的功能打包到一個很小的空間中。為此，這些產(chǎn)品中的集成電路必須使用更先進的封裝方法，因為封裝將集成電路固定在印刷電路板（PCB）上，進而確定印刷電路板的大小和最終產(chǎn)品的大小。芯片封裝方法還確定芯片的速度和性能，以及電池消耗量。

隨著集成電路封裝重要性的提高和作用的擴大，集成電路封裝已經(jīng)與集成電路自身同等重要。因為在許多情況下，集成電路的性能由封裝來控制，其結(jié)果是大量的精力致力于改善封裝技術(shù)，以應(yīng)對挑戰(zhàn)。對產(chǎn)品功能需求的增加使集成電路封裝的收益增加比集成電路本身還要快。預(yù)計到2016年，集成電路封裝收益的復(fù)合年增長率為9.8%，而單位出貨量的復(fù)合年增長率為7.3%。

臺灣在世界集成電路封裝和測試產(chǎn)業(yè)占有戰(zhàn)略位置，擁有世界上最大的封裝測試公司日月光（ASE），以及世界前十強的矽品（SPIL）、PTI和ChipMOS， 其市場份額超過全球封裝和測試晶圓代工市場的50%。

封裝測試公司通常嚴重依賴于晶圓代工廠和集成設(shè)備制造商（IDM），特別是晶圓代工廠。只有依靠大型晶圓代工廠，封裝測試公司才可以獲得更大的市場份額。比如全球最大的封裝測試供應(yīng)商日月光（ASE）就與世界上最大的晶圓代工廠臺積電（TSMC）密切協(xié)作。日月光幾乎承擔(dān)了臺積電所有的封裝和測試業(yè)務(wù)，這接近全球晶圓代工廠總市場份額的48%，而日月光在全球封裝和測試市場的占有率約為18%。此外，全球第二大封裝測試公司Amkor與Global Foundries合作，第三大公司矽品與聯(lián)華電子（UMC）合作，而第四大公司與英特爾合作。由于大型晶圓代工廠的大力支持，全球封裝測試行業(yè)高度集中，前四大公司占據(jù)了全球大約46%的市場份額。值得一提的是，美國的封裝測試廠更專注于高端產(chǎn)品。

過去幾年，系統(tǒng)級封裝（SiP）、芯片級封裝（chip scale packaging，CSP）、倒裝芯片、堆疊芯片封裝、晶圓級封裝（wafer-level packaging，WLP）以及封裝疊加（package-on-package，PoP）等先進的封裝技術(shù)均被廣泛采用。所有這些技術(shù)都具有添加性能或減小尺寸，這些特性使它們非常適用于目前需求量巨大的手持小電子設(shè)備。比如移動電話和其他便攜式電子產(chǎn)品驅(qū)動了大量的芯片級封裝、堆疊芯片封裝、晶圓級封裝和越來越多的封裝疊加；高性能處理器、芯片組和圖形設(shè)備等應(yīng)用驅(qū)動了倒裝芯片封裝的增長；存儲、集成無源器件（integrated passive devices ，IPD）、模擬設(shè)備和電源設(shè)備等驅(qū)動了晶圓級封裝的需求。鑒于降低成本的壓力，一些先進的封裝技術(shù)，比如無鉛方形扁平封裝（Quad Flat-pack No-lead，QFN）和焊線球柵格陣列封裝（ball grid array，BGA），相對于傳統(tǒng)封裝解決方案日益具有競爭力，因而許多廠商正在集中開發(fā)以降低成本。

值得一提的一種技術(shù)是與2.5D和3D相連的直通硅晶穿孔（TSV）。使用直通硅晶穿孔的3D互連能創(chuàng)建最短互連距離的晶片堆疊，提高速度、降低功耗、減小寄生效應(yīng)，同時能減小尺寸。在小型移動設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)的連接需求很高的當(dāng)今世界中，這些功能相當(dāng)重要。3D 互連可以讓設(shè)備以更少的功耗實現(xiàn)100倍的連接性或帶寬。隨著硅芯片上的線條和痕跡向45nm、32nm和22 nm的光刻技術(shù)轉(zhuǎn)移，使用直通硅晶穿孔是能讓后端互連跟上前端制造步伐的方式。

集成電路封裝所使用的不同的材料也非常重要，其物理、電子和化學(xué)屬性建立了封裝的基礎(chǔ)，并最終決定其性能極限。因此，先進封裝中的材料內(nèi)容在不斷增加。但是，與消費者驅(qū)動的成本降低壓力相反，原材料成本的不斷上漲是材料供應(yīng)商及其客戶面臨的巨大挑戰(zhàn)。具體到封裝材料市場就是不斷上升的重要金屬的成本，如銅、錫、金、銀和鈀等。在過去幾年中，這些金屬的價格急劇上升，這促使研發(fā)努力減少所需消耗的金屬，或在某些情況下找到這些材料的一些替換品。

沒有任何一個單一的封裝技術(shù)能滿足所有的要求或需求，因此封裝類型將繼續(xù)發(fā)展，而封裝材料還會演變。比如，在材料方面，可以選擇具有合適屬性的薄芯材，以減少翹曲變形的影響并提高操控性；開發(fā)合金，以支持持續(xù)向更小直徑的金鍵合線遷移等。

集成電路產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展

IBM的石墨烯集成電路

2014年2月，IBM的研究人員開發(fā)出了世界上最先進的由晶圓級石墨烯（一種新型半導(dǎo)體材料，以碳的單原子層形式存在）制成的全功能集成電路。以石墨烯為基礎(chǔ)的電路能讓移動設(shè)備（如智能手機、平板電腦或可穿戴式電子產(chǎn)品）在彼此間、或向周圍環(huán)境高速地傳輸數(shù)據(jù)，并且比傳統(tǒng)的技術(shù)解決方案更具成本效益、能效更高。這是納米技術(shù)的里程碑，它開辟了新的基于碳的電子設(shè)備和電路應(yīng)用，向真正的石墨烯技術(shù)邁進的重大飛躍，將有可能提供更高性能和更低成本的無線通信系統(tǒng)。

2011年，IBM就展示了第一個基于石墨烯的集成電路，這一“驗證概念”裝置向世界證實了完全有可能制造出有寬帶混頻器的模擬石墨烯集成電路。然而，制造中嚴苛的加工工藝使得設(shè)備性能不可避免地產(chǎn)生了下降。而這一次，IBM的研究人員使用基于主流的硅CMOS制造工藝的新方法，制造和測試了世界上第一臺多級石墨烯射頻接收器。這是迄今為止最先進的石墨烯集成電路，其演示的性能比先前報道的石墨烯集成電路好1萬倍。正如IBM研究物理科學(xué)總監(jiān)Supratik Guha所言，這是第一次有人證明石墨烯器件和電路能執(zhí)行與硅技術(shù)相媲美的現(xiàn)代無線通信功能。

臺灣的“多鰭高度鰭場效應(yīng)晶體管（multiple fin-height FinFET）”

半導(dǎo)體行業(yè)正在進行一場競賽，以縮小集成電路的尺寸并提高其性能。使用現(xiàn)在最先進半導(dǎo)體大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，可以在一平方厘米大小的芯片上產(chǎn)生大約1億個晶體管。而2013年12月，由臺灣納米設(shè)備實驗室和應(yīng)用研究實驗室開發(fā)的“多鰭高度鰭場效應(yīng)晶體管（multiple fin-height FinFET）”工藝技術(shù)可以在一平方厘米大小的芯片上多放2千萬個晶體管。通過將電子產(chǎn)品的存儲容量提高20%，或說是制造成本降低20%，可以大幅提高臺灣半導(dǎo)體廠商的國際競爭力，并且這一研究成果會對半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

在過去的20年，集成電路研發(fā)的結(jié)果普遍符合摩爾定律的預(yù)測，即芯片上容納的晶體管的密度每隔18～24個月會翻倍。因為傳統(tǒng)的平面場效應(yīng)晶體管在物理上已經(jīng)不能進一步縮小，新型的鰭場效應(yīng)晶體管（FinFET）將是未來集成電路制造研發(fā)的主要關(guān)注點。這一新研發(fā)成果體現(xiàn)了創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)化思維，這是未來3D設(shè)計中必需的。

美國加州大學(xué)的集成電路設(shè)計方案

2013年10月，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究人員設(shè)計并推出了一個集成電路設(shè)計方案，其中晶體管和連接器被整體放在石墨烯片上。這一演示聲稱為高效節(jié)能、靈活和透明的電子設(shè)備提供了可能性。

基于石墨烯的晶體管和連接器是很有前景的納米技術(shù)，有可能解決傳統(tǒng)基于硅的晶體管和金屬互連器的問題。除了原子級薄和完好的表面，石墨烯具有可調(diào)諧的帶隙，可以通過光刻草繪的模式進行調(diào)整，窄石墨烯帶可以有半導(dǎo)體性，而更寬的石墨烯帶有金屬性。因此，相鄰的石墨烯帶可以從相同的起始材料著眼，以無縫的方式和較低的界面/接觸電阻同時設(shè)計有源和無源器件。相比于目前的CMOS技術(shù)，加州大學(xué)提出的全石墨烯電路可以達到高1.7 X的噪音容限和低1～2個數(shù)量級的靜態(tài)功耗。

以色列的簡單磁化進程

為實現(xiàn)計算速度的大幅度提高，科學(xué)家們正在開發(fā)高速、低功耗的、更小的、更密集的存儲設(shè)備。2013年8月，耶路撒冷希伯來大學(xué)（Hebrew University of Jerusalem）和以色列魏茨曼科學(xué)研究所（Weizmann Institute of Science）的研究人員開發(fā)一種簡單的磁化進程，稱為無磁旋轉(zhuǎn)存儲器（magnetless spin memory ，MSM），據(jù)稱能讓內(nèi)存設(shè)備中無需使用永久磁鐵，從而能讓存儲器單位微化到單個納米粒子。

新的無磁旋轉(zhuǎn)存儲器技術(shù)通過一種手性材料（一種分子中沒有旋轉(zhuǎn)或反射對稱的材料）驅(qū)動電流，并且有選擇性地將電子傳輸?shù)酱呕募{米磁性層或納米粒子中。與集成電路制造技術(shù)兼容，它可以實現(xiàn)廉價、高密度的通用存儲器芯片生產(chǎn)。由于概念驗證設(shè)備已經(jīng)被設(shè)計和測試，無磁旋轉(zhuǎn)存儲器有潛力成為新一代更快、 更小和更便宜的存儲技術(shù)的基礎(chǔ)。

TowerJazz公司的W波段集成電路

IEEE國際固態(tài)電路會議（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）是最負盛名的IEEE技術(shù)論壇，一直是全球大學(xué)和高科技公司展示集成電路設(shè)計最新進展的最大的技術(shù)論壇。在2014年2月的ISSCC上，全球?qū)I(yè)晶圓代工的領(lǐng)先者TowerJazz公司宣布，由美國加州大學(xué)Irvine分校（UCI）納米通信集成電路 （Nanoscale Communication Integrated Circuits，NCIC）實驗室的研究人員開發(fā)、并使用TowerJazz公司先進的0.18μm SiGe BiCMOS工藝制造的成像接收器芯片是世界上最復(fù)雜的W波段（75-110 GHz）成像集成電路。它由9元完全集成的直接檢測型接收器陣列組成，具有最低的噪聲溫度和最高的性能。

這一完全集成的接收器使用了毫米波（millimeter-wave，MMW）成像應(yīng)用的新概念——空間重疊超級像素，該概念通常用于隱形武器探測、低能見度條件下的飛機導(dǎo)航和衛(wèi)星偵查等?？臻g重疊超級像素的新型應(yīng)用的結(jié)果是改善了像素級別的信噪比，具有補償由于天線遠離中心點的偏焦作用引起的系統(tǒng)相位延遲和幅度變化的能力，能夠補償陣列元素之間的相互耦合效應(yīng)，并能在射頻域處理信號。如果將該芯片的超級性能商業(yè)化，則意味著該成像芯片將在所有安全/監(jiān)控應(yīng)用的商業(yè)產(chǎn)品中具有最好的圖像分辨率。

光子集成電路

電子集成電路可以說是20世紀最重要的技術(shù)。除其他事項以外，它實現(xiàn)了計算機行業(yè)的大發(fā)展，以前所未有的程度改變了我們的工作和生活方式。與這些器件的光子等價器件也在發(fā)展，并且被廣泛應(yīng)用于操縱和控制光纖維中的信號，但卻還沒有充分發(fā)揮其潛力。

2013年11月，位于Pasadena的美國加州理工學(xué)院的研究人員稱，他們已經(jīng)制造了第一個這類裝置，這一光子集成電路具有用于激光波導(dǎo)的氮化硅制成的光子晶體，并將光子晶體集成到一個能提供銫原子的系統(tǒng)中，其結(jié)果是生成能夠操縱單個銫原子的集成電路。納米光子學(xué)與原子物理的整合一直是個長期追求的目標，它將能開辟光學(xué)物理的新天地。加州理工學(xué)院的這一理論驗證性裝置或許可以開創(chuàng)新一代的納米光子技術(shù)實驗。同時，這種裝置將是構(gòu)建量子計算和通信的重要的高質(zhì)量基塊，因為原子可以存儲和操縱由光子攜帶的信息。

光子集成電路是一項突破性的技術(shù)，它使用光子（光的最小單位）作為數(shù)據(jù)載體，而不是像電子集成電路中那樣使用電子。光子集成電路被廣泛應(yīng)用于以非常高的速度傳輸大量的數(shù)據(jù)。因此，基于光子集成電路的產(chǎn)品主要應(yīng)用在光纖通信領(lǐng)域。因為光子集成電路在系統(tǒng)的體積、功耗、可靠性和成本等方面有顯著改善，因此其市場正在以驚人的速度增長。

目前，北美地區(qū)是基于光子集成電路產(chǎn)品的最大的市場，特別是在數(shù)據(jù)中心和光纖通信中的廣域網(wǎng)應(yīng)用。然而，亞太區(qū)是目前光纖通信接入網(wǎng)絡(luò)的最大應(yīng)用市場，北美是光子集成電路市場的領(lǐng)導(dǎo)者，占有49%的市場份額，但預(yù)計到2022年，亞太地區(qū)會成長為市場的領(lǐng)先者。

光學(xué)傳感器是這個市場上一個極具前景的應(yīng)用，它被用于國防、航空航天、能源、交通、醫(yī)藥和其他新興領(lǐng)域中。量子計算是光子集成電路的另一個應(yīng)用，預(yù)計將在2017年商業(yè)化，該技術(shù)有望徹底改變計算行業(yè)。光子集成電路還被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?；诹谆煹奶貏e的光子集成電路被應(yīng)用于診斷分析不透明的皮膚組織，使用的主要技術(shù)是光學(xué)相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography，OCT）或拉曼散射儀（Raman Scatterometry）。

由于集成電路產(chǎn)品走向更高的性能和能效，而產(chǎn)品上市時間在不斷加快，同時新的集成電路設(shè)計也推進技術(shù)極限，在某些情況下甚至需要在制造中對某些進程模塊進行特定的微調(diào)。因此，傳統(tǒng)上被分離的設(shè)計和技術(shù)、設(shè)計/設(shè)備/工藝，已經(jīng)越來越多地交織在一起，未來的集成電路工程師將需要更深刻地理解設(shè)計和技術(shù)之間的相互依賴關(guān)系。

集成電路行業(yè)的發(fā)展趨勢是走向?qū)I(yè)化的系統(tǒng)設(shè)計和制造外包，如無晶圓廠的設(shè)計室、晶圓代工、設(shè)計自動化工具/軟件室和半導(dǎo)體加工設(shè)備供應(yīng)商等。對于半導(dǎo)體行業(yè)而言，用3D集成電路滿足互聯(lián)網(wǎng)、顯卡、無線和計算設(shè)備不斷增長的需求相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，但時間會告訴我們一切。