揭秘芯片设备制造商的专业封装工艺：探索工厂芯片封装流程

本文旨在介绍半导体行业中的芯片设计与芯片代工，并探讨大陆在高端芯片生产方面的挑战。

芯片设计与芯片代工是两个不同的概念。高通、三星、华为等公司均具备芯片设计能力，而三星作为少数能够生产芯片的公司之一，高通和华为则需要寻找代工厂进行生产。目前，三星和台积电是广为人知的芯片代工厂。

对于为何大陆目前无法生产高端芯片，主要是工艺制程和生产设备的问题。华为的麒麟芯片虽然设计出色，但其生产环节仍然依赖国外厂商。目前，大陆最先进的厂商中芯国际仍无法生产麒麟970等高端芯片，其主要原因在于生产工艺的差距。

工艺制程的数字越小，代表制程越先进，对芯片性能的影响也越大。目前，7nm的芯片性能优于10nm，而10nm则强于14nm。在工艺制程方面，英特尔、三星和台积电掌握最先进的10nm技术，而大陆最先进的中芯国际只能生产最高规格28nm工艺的芯片。

生产工艺的落后主要源于光刻机的缺失。光刻机是芯片生产中的关键设备，而ASML Holding N.V是光刻机行业的领军企业。光刻机的历史和技术门槛极高，早期由日本尼康和佳能等公司主导。ASML的崛起则源于与蔡司的合作以及市场机遇的把握。

在80年代，美国三巨头曾占据市场的主导地位，但在末期，他们的地位被日本双雄所取代，此时ASML的市场占有率约为10%。忽略掉被边缘化的美国公司如SVG，90年代后，市场竞争主要集中在ASML和尼康之间，而佳能则选择旁观。

随后，ASML推出了浸入式193nm产品，紧接着尼康也宣布了自己的157nm产品以及EPL产品样机完成。由于浸入式技术属于小改进大效果，产品成熟度非常高，而尼康的产品似乎仍在实验阶段，导致其新品几乎无人问津。这一事件预示着尼康后续的大溃败。尽管尼康在2000年仍是行业领导者，但在2009年，ASML的市场占有率已接近70%，遥遥领先。尼康新产品的不成熟也间接影响了大量使用其设备的日本半导体厂商的集体衰败。

至于佳能，在看到尼康和ASML在高端光刻市场的激烈竞争后，他们选择了退出。转而开发低端光刻市场，至今仍在销售350nm和248nm的产品，主要为液晶面板和模拟器件厂商供货。

英特尔、三星和台积电能够生产10nm工艺的芯片，主要得益于他们能够从ASML进口高端光刻机用于生产10nm芯片。而大陆由于缺乏高端光刻机和中低端光刻机的技术，暂时只能生产工艺相对落后的芯片。

接下来，我们来谈谈芯片设计。在深入了解CPU、GPU、微架构和指令集等概念之前，我们需要明白CPU是负责计算机主要运算任务的组件，其功能类似于人的大脑。CPU的分类如x86主要用于PC，ARM主要用于手机平板等设备。

CPU在执行计算任务时，需要遵循一定的规范，这些规范被翻译为CPU可以理解的语言，称为指令集（ISA）。程序按照指令集的规范翻译成CPU可识别的底层代码的过程称为编译。像x86、ARM v8、MIPS等都是指令集的代号。指令集可以被扩展，且厂商开发兼容某种指令集的CPU需要获得指令集专利持有者的授权。

CPU的基本组成单元是核心（core），其实现方式被称为微架构。微架构的设计影响核心的频率、运算量、能耗等。值得注意的是，微架构与指令集是两个不同的概念：指令集是CPU选择的语言，而微架构是具体的实现方式。

以兼容ARM指令集的芯片为例，ARM公司不仅研发了指令集，还研发了具体的微架构，如Cortex系列并对外授权。一款CPU使用了ARM指令集并不等于它就使用了ARM研发的微架构。许多厂商如华为使用ARM的微架构来制造CPU。通常认为，具备独立微架构研发能力的企业才算具备了CPU研发能力，而是否使用自行研发的指令集则相对次要。微架构的研发是IT产业中技术含量最高的领域之一。

以华为的麒麟980为例，最主要的部分是CPU和GPU。其中Cortex-A76和Mali-G76都是华为购买的微架构授权。虽然华为可以自研微架构，但要达到苹果的应用水平仍有一段距离。除了研发问题外，芯片的开发还需要EDA工具。使用ARM的微架构可以获取许多工具支持，因此另起炉灶需要考虑多方面因素。了解这些后，就可以开始设计芯片了，但这一步也是复杂繁琐的。

芯片制造过程类似于盖房子，先有晶圆作为地基，然后层层叠加，经过一系列制造流程后产出IC芯片。晶圆是制造各种制式芯片的基础，它是采用单晶材料制成的平整的地基。单晶材料的产生需要经过纯化（分为冶金级纯化和进一步提升纯度两个阶段）和拉晶等步骤。接下来，我们将采用西门子制程对多晶硅进行纯化，以确保获得高纯度的多晶硅材料，这是半导体制程中的关键步骤。随后进入拉晶环节，将高纯度多晶硅融化成液态硅。在此过程中，需要借助单晶硅种来引导硅原子正确排列。硅种就像排队的排头，告诉后来的原子如何正确排列。拉晶完成后，我们得到的是一整根单晶硅柱。

但这还远远不够，为了制造芯片基板，我们需要将硅柱切割成圆片，也就是所谓的晶圆。这些圆片经过抛光处理，即可用于芯片制造。8寸、12寸晶圆指的是处理并切割后的晶圆直径。尺寸越大，对拉晶过程中的速度和温度控制要求越高，制造难度也相应增加。

完成基板的制造后，我们进入芯片制造的核心环节。IC芯片，即集成电路，是通过堆叠方式组合设计好的电路。在IC电路中，最重要的部分是逻辑闸的组合，这些逻辑闸组合在一起完成了功能齐全的IC芯片。除此之外，还有其他部分负责连接这些逻辑闸。为了满足连接需求，这些部分被设计成多层结构。

制作这些部分时，大体上分为四个步骤。虽然实际制造时会有差异，使用的材料也不同，但原理是相似的。完成这些步骤后，就可以在整片晶圆上制造多个IC芯片。然后将这些方形IC芯片剪下，送往封装厂进行封装。

封装是保护芯片不被损坏和便于安置在电路板上的重要步骤。常见的封装方式有双排直立式封装、球格阵列封装、SoC封装和SiP封装等。完成封装后，进入测试阶段，确认IC是否正常工作。没有问题后，就可以出货给组装厂，最终成为我们看到的电子产品。

工艺工程师是制造业中非常重要的技术岗位，负责提升产品的工艺水平、质量，并涉及多个方面的技术。他们的主要工作包括编制产品工艺文件、设计工艺装备、解决生产中的技术问题、参与新产品试制和开发等。在半导体封装测试企业等领域，工艺工程师的待遇相当不错。他们的工作涉及改进设备的工艺流程、提高生产率和降低不良率等。经验丰富的工艺工程师在公司中是非常宝贵的资源，难以被替代。