造芯术——现代科技“皇冠上的明珠”

○杨格亮

前不久，美国商务部长雷蒙多访华，华为赠送给她一部新款手机，这款手机让整个西方为之震动。因为，它用的是中国芯。这表明，美国对我国的芯片封锁成为一场空。为什么美国千方百计要扼制我国的芯片研发和生产？芯片在科技发展中占有怎样重要的地位？

芯片的工作原理

我们通常所说的“芯片”是指集成电路，由大量的晶体管构成，是微电子技术的主要产品。所谓“微电子”，是相对于“强电”“弱电”等概念而言，指它处理的电子信号极其微小。不同的芯片有不同的集成规模，大到几亿个，小到几十、几百个晶体管。晶体管有两种状态：开和关，用1、0 来表示。多个晶体管产生多个1 和0 的信号，这些信号被设定成特定的功能（即指令和数据），来表示或处理字母、数字、颜色和图形等。芯片通电以后，首先产生一个启动指令来启动芯片，之后就不断接受新指令和数据来完成功能。

在显微镜下放大后，我们可以看到芯片内部像一座城市一样复杂。如图1 所示，将晶体管比作“水龙头”，控制“水龙头”通断的开关对应着晶体管的“栅”，“水龙头”的出水口对应着晶体管的“源”，“水龙头”的进水口对应着晶体管的“漏”。我们控制晶体管的“栅”端电压，就可以像控制“水龙头”一样去控制由“漏”到“源”流过晶体管的电流。将这些晶体管的“打开”和“关闭”状态进行组合便可以用来处理各种信息，如文字、图像、语音等。

图1

知识小卡片

模拟芯片和数字芯片

数字芯片的主要作用是对数字信号进行逻辑运算，好比“人的大脑”。模拟芯片的主要作用是处理连续性的光、声、电、磁、位置、速度、加速度等物理量和温度等自然模拟信号，好比“人的心脏和血管”，能够为大脑提供足够的血液进行运转。在同一个电路上经常同时使用数字芯片和模拟芯片，模拟芯片更多的是辅助功能。

数字芯片和模拟芯片有什么区别？

数字芯片是由多个相同的单元电路组成，模拟芯片是由各个不同的单元电路组成；

数字芯片只能处理数字信号，而模拟芯片只能处理模拟信号，两者不能互换；

数字芯片利用的是晶体管的开关作用，模拟芯片利用的是晶体管的放大作用；

全球市场以数字芯片为主，模拟芯片为辅。

在现代社会，芯片已经渗入到我们生活的方方面面，它广泛用于电脑、手机、家电等日用电子设备，飞机、汽车、高铁等交通工具以及卫星、火箭、航母等国防航天装备中。互联网上有个比喻：芯片制造技术是现代科技“皇冠上的明珠”。

芯片的设计

“皇冠上的明珠”必然不简单。芯片的研发流程包括芯片的设计、加工制造、封装测试三个主要环节。这里面涉及许多材料与物理、器件与工艺、电路与系统方面的知识。

芯片研发的第一步是芯片的设计，这一步类似于盖房子前先要画出设计图。芯片设计的目标也是得到能够用于加工制造的图纸。

芯片设计需要有设计输入，即将要安装该芯片的整机系统提出的应用需求。系统工程师将应用需求抽象成技术指标，芯片设计师围绕这些技术指标进行设计。后续的芯片测试环节也是对比测试结果与这些技术指标的符合度。

芯片设计需要借助电子设计辅助（EDA）软件和服务器，这些软硬件工具构成了一套设计平台，芯片设计师基于该平台进行芯片设计。

中国电子科技集团公司第五十四研究所（以下简称中国电科54 所）具有较为完善的芯片开发软硬件环境。图2 是数字芯片设计流程，有点专业哦，如非专业人士，简单理解即可。

图2

完成芯片设计，最终得到制造加工文件，然后将加工文件交给代工厂，便进入了下一个环节——芯片的制造环节。

芯片的制造

芯片行业有自己的产业分工，当今市场上存在多家专门从事芯片制造的国际型大公司，他们为各类芯片设计单位提供完善的代工制造服务。中国电科54 所专注于芯片的设计开发。

芯片制造商会为设计单位提供一整套与芯片制造工艺相关的工艺文档。这些文档包括了工艺特征的描述、器件模型的描述、设计规则的描述等对芯片设计非常有用的信息。

有关工艺特征的描述中包含了工艺的层次结构信息，这些层次与芯片的真实物理层次是相对应的，如图3、4 所示。了解这些信息对芯片性能的实现甚至可靠性的保障具有重要意义。

图3 工艺层次结构示意

图4 芯片的物理层次结构显微照片

器件模型的描述中包含了器件的电气特性，这些信息是芯片设计过程中仿真验证的重要依据。

有关芯片设计规则的描述主要是对芯片版图设计行为的约束和指导，只有在这些规则框架内的设计才是有效的设计、能交给代工厂进行加工制造的设计。

芯片的制造是一个相对漫长的过程，根据工艺和复杂程度的不同，大概在1.5～3 个月。制造好的芯片均匀排列在一张张圆形薄片上，这样的薄片叫做“晶圆”，通过切割“晶圆”才能得到一枚枚的芯片。如图5 所示为中国电科54 所研发出的几款应用于不同场合的芯片实物照片。当芯片制造完成后，需要对芯片的功能和性能进行检测，这就到了芯片的封装和测试环节。

图5 几款芯片实物照片

芯片的封装和测试

封装，就好比是给芯片穿“服装”。让芯片穿上定制的“服装”，既可以保护精密脆弱的芯片，又能让芯片在不同环境和工作条件下稳定、可靠地发挥作用。这些“服装”的材料可以是塑料、金属、陶瓷或者玻璃。封装时需要根据芯片的功能、尺寸、应用场合选择合适的封装形式。根据芯片焊接在电路板上的方式，封装可以分为两类：通孔插入式和表面安装式，如图6 所示。

图6

实际上，芯片的封装技术也在不断地演进，经历了从有脚到焊球、从二维到三维、从单芯片到多芯片再到系统集成等阶段，始终向着更薄、更小、更高密度、更高速度、更多功能、更低成本的方向发展。值得一提的是，国内的芯片封装技术已经达到了世界一流的水准，一些封装厂已经塑造出了世界知名品牌。

芯片封装完成就为实际应用打下了坚实的基础，但在应用之前，还有一个必须要经历的过程：芯片测试。测试包括：性能测试、功能测试和可靠性测试。

首先，芯片在制造、封装过程中，有可能存在缺陷，需要进行测试筛选；其次，为了检验芯片是否满足应用场景的要求，需要对芯片的各项参数、指标进行测试评估；第三，芯片通过了性能和功能测试后，还需要对芯片的抗静电能力，封装的气密性，抗腐蚀、抗震动甚至抗辐照能力进行测试，以衡量芯片在通用或特殊应用场合的可靠程度。

中国电科54 所配备了先进的芯片测试设备，具备在晶圆验证测试与ATE 量产测试的能力。如图7 所示为在晶圆测试平台和ATE 测试机台。

图7 在晶圆测试平台（左）和ATE 测试机台（右）

芯片产业的现状与前景

芯片市场是一个庞大的市场，全球的芯片产业保持着快速增长的势头，芯片技术不断地迭代、进步。我国政府高度重视芯片产业的发展，通过政策扶持、资金投入和人才培养等措施以使中国芯片能够在激烈的国际竞争中胜出，实现可持续发展。

中国电科54 所积极投入到全球芯片产业发展的浪潮中，接受挑战、拥抱机遇、攻坚克难，研发出一批战略性的自主可控核心产品，为我国国防事业的发展作出了巨大贡献。

中国电科54 所简介

中国电子科技集团公司第五十四研究所（简称“中国电科54 所”）始建于1952 年，是新中国成立的第一个电信技术研究所，是我国电子信息领域专业覆盖面最宽、综合性最强的骨干研究所，具有武器装备科研生产及质量体系方面的重要资质，是国家授权的电子工程专业承包壹级资质单位，电子工程甲级设计单位。

中国电科54 所设有通信软件与专用集成电路设计国家工程研究中心（以下简称“研究中心”），成立20多年，拥有一支强大的集成电路研发团队。“十三五”期间，研究中心承担了新品、型谱、预研等国家级以及省、市级科研生产类项目近30 项，研发出了系列化终端射频收发芯片、基带SOC 芯片、高性能射频前端芯片、相控阵幅相多功能芯片、频率源芯片、高速数据交换芯片，已广泛应用于卫星通信、遥控遥测、航空航天、电子对抗等重要领域，丰富了相关领域国产化芯片生态，为国家信息基础设施的自主构建提供了重要技术支撑。