集成電路的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)

張慶利

（深圳市高辰泰電子科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）集成電路產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化速度下降。由世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（WSTS）發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，全球大規(guī)模集成電路產(chǎn)品銷售額占所有半導(dǎo)體產(chǎn)品銷售額的80%。然而，與2018年的銷售額相比，2019年的銷售額比例下降了3.1%，改變了此前這一銷售比例呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其主要有以下兩個(gè)原因:①在智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等新興電子應(yīng)用和場(chǎng)景技術(shù)開發(fā)階段的早期，對(duì)高端半導(dǎo)體分離器件、半導(dǎo)體光電子器件、半導(dǎo)體超敏感功能器件材料等半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)的應(yīng)用需求明顯增加所致；②智能終端產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新進(jìn)程的步伐開始放緩，導(dǎo)致了其他相關(guān)集成電路產(chǎn)品應(yīng)用的需求降低。

從半導(dǎo)體和集成電路行業(yè)的內(nèi)部產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，存儲(chǔ)器和邏輯電路之間的銷售份額差距開始縮小。在2018年，存儲(chǔ)器的銷售份額超越邏輯電路的銷售份額，占行業(yè)銷售額的40.2%；2019年存儲(chǔ)器的銷售份額占行業(yè)銷售額的32.5%；近幾年，邏輯電路產(chǎn)品的銷售比例基本穩(wěn)定在30%左右，而微器件和模擬電路器件的銷售比在16%～20%。高科技存儲(chǔ)器銷售比例的逐年下降表明，集成電路行業(yè)高級(jí)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的步伐已經(jīng)放緩。

（2）中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在合格的IC 產(chǎn)業(yè)中，完整的集成電路價(jià)值鏈應(yīng)該由工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、開發(fā)、EDA 工具和測(cè)試服務(wù)組成。在整個(gè)嵌入式IC價(jià)值鏈中，利潤(rùn)最高的是設(shè)計(jì)和產(chǎn)品營(yíng)銷。封裝測(cè)試技藝因其工藝難度小、投資范圍小、回收周期短等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)在中國(guó)IC 產(chǎn)業(yè)鏈中占有較大份額。中國(guó)通過(guò)提高IC 產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)水平，使設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)營(yíng)收在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈各方面的比重從2010年的27%上升到2015年的37%。

（3）美國(guó)領(lǐng)先集成電路研發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)，掌握產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)。據(jù)知名分析機(jī)ICInsights 統(tǒng)計(jì)，2018年全球的集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)到1094億美元，同比增長(zhǎng)8.2%（如圖1所示）。其中，美國(guó)IC 設(shè)計(jì)行業(yè)總產(chǎn)值的年度營(yíng)業(yè)額總計(jì)約為743.9億美元，占了全球所有IC 設(shè)計(jì)行業(yè)總價(jià)值的68%，位居世界領(lǐng)先地區(qū)之列。根據(jù)DIGITIMESResearch 市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)調(diào)查數(shù)據(jù)，全球前十大的集成電路芯片設(shè)計(jì)研發(fā)公司排行榜中有接近一半或以上的是來(lái)自美國(guó)集成電路公司。集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)的主要環(huán)節(jié)，市場(chǎng)上主流的指令系統(tǒng)框架如MIPS、PowerPC、SPARC 和RISC-V 等，屬于或由美國(guó)公司和研究機(jī)構(gòu)主導(dǎo)。

圖1 2010—2018年世界集成電路設(shè)計(jì)業(yè)銷售收入規(guī)模及發(fā)展情況

（4）中國(guó)集成電路市場(chǎng)發(fā)展持續(xù)增長(zhǎng)。雖然中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)的增幅略低于其他地區(qū)，但中國(guó)的市場(chǎng)規(guī)模在過(guò)去3年中也保持了較高的增長(zhǎng)率，特別是2016—2017年，增長(zhǎng)率達(dá)到18.9%，增長(zhǎng)最快的是儲(chǔ)存器。其主要應(yīng)用領(lǐng)域是網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子等。表1顯示了2015—2019年中國(guó)集成電路市場(chǎng)的規(guī)模和增長(zhǎng)情況。

表1 中國(guó)集成電路市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)

在2010—2020年，中國(guó)集成電路市場(chǎng)價(jià)格的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)7.58%，高于世界增長(zhǎng)率的4.95%。2018年，中國(guó)的半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模所占比例為同期世界的48.9%，表明中國(guó)已正式成為當(dāng)前世界最大規(guī)模的半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)。這也為中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展帶來(lái)了良好的機(jī)遇。近年來(lái)，中國(guó)大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速，但仍與其他國(guó)家存在較大差距。

隨著技術(shù)的快速進(jìn)步和產(chǎn)品的快速更新，人們對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量的要求開始增加，集成電路產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出從單一技術(shù)創(chuàng)新向系統(tǒng)化多技術(shù)集成創(chuàng)新轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。從目前國(guó)際發(fā)展的形式來(lái)看，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)力的必要基礎(chǔ)需依托于完整產(chǎn)業(yè)鏈的整合和完善提高。從中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看，雖然整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模，但產(chǎn)業(yè)鏈的整合還比較薄弱和不完善。

2 發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的重要性

在信息時(shí)代背景下，集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開始作為全世界評(píng)價(jià)整體國(guó)力的重要指標(biāo)。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，信息時(shí)代推動(dòng)著世界GDP 的快速增長(zhǎng)。隨著并購(gòu)范圍的拓展，減少了集成電路廠家和供貨商的數(shù)量，使得整個(gè)IC 市場(chǎng)的供需基礎(chǔ)也出現(xiàn)了很大改變。合并與收購(gòu)企業(yè)數(shù)量的上升造成了“強(qiáng)者越強(qiáng)，弱者易敗”的惡性循環(huán)狀況，而行業(yè)集中度與產(chǎn)品成熟度的提升，直接支撐著全國(guó)GDP 的整體提升以及企業(yè)IC 內(nèi)部與市場(chǎng)間更密切的聯(lián)系。集成電路市場(chǎng)正逐步發(fā)展成為消費(fèi)主導(dǎo)型市場(chǎng)。20年前，約60%的IC 市場(chǎng)用于商業(yè)應(yīng)用，40%的市場(chǎng)用于消費(fèi)者。然而，這些數(shù)據(jù)發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，隨著以消費(fèi)者為導(dǎo)向的IC 市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，全球GDP 水平在IC 市場(chǎng)預(yù)測(cè)中扮演著日益關(guān)鍵的角色。

5G 通信的發(fā)展有助于下游集成電路產(chǎn)業(yè)的繁榮。相較于4G，5G 通信具有更好的用戶體驗(yàn)、更低的延遲、更高的設(shè)備連接密度、更高的傳輸速率等特點(diǎn)。5G 的3種應(yīng)用場(chǎng)景分別是提升移動(dòng)帶寬、高可靠性、低延遲連接。2020年6月6日，中國(guó)工業(yè)和信息化部向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)廣播電視臺(tái)頒發(fā)了5G業(yè)務(wù)許可證，標(biāo)志著中國(guó)5G 業(yè)務(wù)進(jìn)入了一個(gè)新階段。商業(yè)許可證的頒發(fā)將加快商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和相關(guān)終端的開發(fā)生產(chǎn)。

未來(lái)，集成電路產(chǎn)業(yè)始終是國(guó)家信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要核心，加快全國(guó)大型集成電路產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，不僅要確保我國(guó)集成電路核心技術(shù)的發(fā)展水平穩(wěn)步提高，而且要提高核心競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)。

3 集成電路關(guān)鍵技術(shù)

3.1 集成電路的ESD防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

靜電放電問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生在集成電路中，其機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單。在集成電路的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生不同的電子引力，并且在集成電路中的不同物質(zhì)分離和接觸的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生摩擦電荷。這些電荷的電量相對(duì)較大，如果系統(tǒng)無(wú)法快速有效地中和它們，將進(jìn)一步增加集成電路中的電荷數(shù)量，最終導(dǎo)致集成電路中的高壓環(huán)境，導(dǎo)致靜電放電，即ESD 現(xiàn)象。

在集成電路的生產(chǎn)過(guò)程中，靜電放電會(huì)給集成電路帶來(lái)不同程度的損壞。目前，全球集成電路制造技術(shù)已朝著納米化方向發(fā)展。過(guò)去的一些生產(chǎn)工藝會(huì)對(duì)集成電路產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象，降低對(duì)ESD 現(xiàn)象的防護(hù)能力，進(jìn)而影響集成電路的耐久性和產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，安全芯片防護(hù)技術(shù)已成為集成電路設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的常用技術(shù)。在全芯片保護(hù)技術(shù)中，通過(guò)在PAD 周圍安裝防護(hù)電路保護(hù)集成電路，提高了集成電路的靜電保護(hù)性能。為了避免對(duì)集成電路造成重大損壞，提高ESD 集成電路的保護(hù)水平。在集成電路ESD 防護(hù)技術(shù)中，通常在PAD 周圍設(shè)置ESD 保護(hù)電路。雖然這種方法在一定程度上提高了ESD 保護(hù)能力，但并不能解決集成電路中的電路損壞問(wèn)題。因此，使用安全芯片保護(hù)技術(shù)已成為集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)。在安全芯片保護(hù)電路的技術(shù)方案中，必須使用電源鉗將保護(hù)芯片電路分為靜態(tài)電路和動(dòng)態(tài)電路。通過(guò)靜態(tài)保護(hù)電路，保證了集成電路的高穩(wěn)定工作電流特性，并預(yù)先設(shè)定了固定的觸發(fā)保護(hù)電壓，如果電流電壓超過(guò)觸發(fā)源電壓，靜電保護(hù)電路即將完全接通，從而將有效地釋放出靜電電流，激活保護(hù)裝置二極管內(nèi)部的SCR 保護(hù)電路，并最終發(fā)揮其ESD 防護(hù)的效果。

3.2 低功耗集成電路技術(shù)

集成電路是指一種設(shè)計(jì)集成度比較強(qiáng)、內(nèi)部元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密的微電子器件或元件，由于電源線路的設(shè)置、電流等級(jí)和輸入電壓、基底技術(shù)和工作環(huán)境等綜合因素，故障問(wèn)題時(shí)常發(fā)生，使系統(tǒng)功能參數(shù)無(wú)法充分發(fā)揮重要作用，影響生產(chǎn)效率。由于電池內(nèi)部電阻和電池外部電壓導(dǎo)致的瞬間充電或放電現(xiàn)象，在集成電路的實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和高能耗現(xiàn)象。

有效地合理設(shè)計(jì)電源是低功耗集成電路實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)運(yùn)行能力的主要前提，集成電路功耗的持續(xù)優(yōu)化調(diào)整可以確保每個(gè)集成電路時(shí)刻達(dá)到相對(duì)低功耗運(yùn)行的良好狀態(tài)，功率的消耗是集成電路的每一個(gè)單位時(shí)間需要消耗大量的能源。要成功設(shè)計(jì)有效運(yùn)行的低功耗集成電路，需要注意以下幾個(gè)方面：①需要有效合理控制芯片電源電壓，通過(guò)對(duì)各種集成電路相應(yīng)系統(tǒng)的測(cè)試及操作可以獲取芯片電源電壓匹配的最佳狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)對(duì)集成電路關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低功耗。然而，無(wú)限期地使用電壓并不能大大降低集成電路的功耗。②有必要考慮制定更為合適和有效的整體解決方案，并最終優(yōu)化系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，但仍有許多決定性因素最終影響整個(gè)集成電路的性能，如系統(tǒng)芯片的兼容性。③可以有效降低節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換頻率，減少節(jié)點(diǎn)間的復(fù)雜電容，這是一種常見而有效的芯片優(yōu)化方法，具有非常廣闊的實(shí)際應(yīng)用空間和后續(xù)研發(fā)推廣價(jià)值，如開發(fā)更簡(jiǎn)單、適用、高效的算法程序、結(jié)構(gòu)劃分、邏輯結(jié)構(gòu)等。以上3點(diǎn)可以同時(shí)作為集成電路研發(fā)中的重點(diǎn)突破口。明確芯片集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，第一步則是弄清集成電路系統(tǒng)的最主要目標(biāo)和其主要功能。因此，在確定功能的前提下，有效減少算法的運(yùn)算量，優(yōu)化程序是非?？尚械?。

3.3 對(duì)準(zhǔn)和鍵合

對(duì)準(zhǔn)如果讀數(shù)不準(zhǔn)確，易導(dǎo)致電路故障，降低集成電路產(chǎn)品可靠性。對(duì)準(zhǔn)的工作準(zhǔn)確性可以直接影響所有成品，為了保證集成電路的準(zhǔn)確和控制，應(yīng)該直接從對(duì)準(zhǔn)器讀數(shù)和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志開始，盡可能確保證現(xiàn)場(chǎng)操作員良好的職業(yè)技能水平。銅是兩個(gè)設(shè)備層或晶圓的最佳連接選擇。在電路鍵合中，銅層也可以進(jìn)行相互接觸擴(kuò)散以完成鍵合過(guò)程。就整個(gè)集成電路質(zhì)量情況而言，與晶圓表面的清潔溫度和鍵合時(shí)間的合理控制方式有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，要保證完成鍵合，溫度控制應(yīng)盡可能控制在300～400℃。三維集成電路主要的是在低溫低壓狀況下的鍵合方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，集成電路關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入新岔路口，我國(guó)應(yīng)充分吸收世界先進(jìn)做法和成功經(jīng)驗(yàn)，尋求在集成電路領(lǐng)域的創(chuàng)新突破。集成電路領(lǐng)域在我國(guó)未來(lái)十年的高速發(fā)展階段中還將會(huì)積極結(jié)合國(guó)內(nèi)外更廣泛開放的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，形成一個(gè)新時(shí)期的新技術(shù)平臺(tái)和發(fā)展總方向，不斷大膽進(jìn)行突破創(chuàng)新，推動(dòng)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)信息產(chǎn)業(yè)格局新的巨大改變，以更好促進(jìn)了我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。