“中国半导体芯片领域冲破枷锁的思路和未来展望”

半导体芯片的结构:

汽车工业作为半导体领域的顾客之一，约占半导体产品整体5-10%的销售额，份额少，但产品要求非常高，在领域内被称为“车规级”半导体，如芯片工作温度为-40度至+ 120度，机械振动环境为20倍至， 随着新能源汽车市场的不断扩大，汽车电池管理系统、电机驱动等对微解决方案( mcu )、片上系统( soc )以及功率半导体绝缘栅双极晶体管igbt的诉求越来越高。

为了深入理解半导体芯片的结构及其价格，作为汽车制造商，对某自动变速器的信号解决特殊芯片( asic )制作了半导体芯片检测的实验机构)参见图1 )。 在3d射线计算机断层探测下，可以比较清晰地看到这个特殊芯片的内部结构) (参见图2 )，芯片的实际尺寸约为指甲盖的大小。 探测结果:

1 .芯片结构宽度: 0.13微米( 130纳米) ) ) )。

2 .裸芯片的面积: 7.9 x 8.0

3 .芯片的链接点: 100

4 .导电框架尺寸(引线框架) 9.0 x 9.0

可以清晰地看到裸芯片和外部端子通过超声波焊接的连接结构。

图1半导体芯片的3d x-ray计算机断层摄影装置(托架可以旋转360度) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

图23d光ct检测到的某自动变速器控制模块的信号解析特殊芯片( asic ) )。

另外，电子显微镜(微焦点)对该芯片进行了截面图像分解。

图3电子显微镜下某自动变速器控制模块的信号解决特殊芯片( asic )截面的图像

这样，可以检测出该芯片多而复杂的分层结构。

如图4所示，很多半导体芯片大多以高纯度的单晶硅为原材料。

图4切割高纯度硅单晶后直径不同的晶片( 200、300、450mm ) ( ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

硅材料在常温下只有很小的电导率，通过嵌入磷、硼、砷等原子，硅材料形成n或p极区域，在n和p极的边界制造单向电流的元件就是二极管。 根据这个基本原理，可以设计晶体管(参照图5 )。

图5双极晶体管的原理图(英飞凌集团出版社《半导体技术及其参数》

半导体芯片主要分为双极型( bipolar )和金属氧化型mos )金属氧化物-半导体( metal-oxide-semiconductor )两种。 mos型晶体管由于所需区域极小、功耗小，广泛应用于大规模集成电路( vlsi，集成100万个以上)

图为mos晶体管的示意图(英飞凌集团出版社《半导体技术及其参数》)

相对于目前汽车域控制器的片上系统( soc )，一个芯片上集成了数十亿到百亿个晶体管。

图7汽车域控制器的主芯片soc的功能图( renesas datasheet ) )。

该soc是由4个arm cortex a76 APP应用核心、1个实时核心arm cortex r52、1个图像解决核心gpu、多个数字信号处理器( DSP )组成的计算机图形识别和

半导体芯片的种类(不能完全保证() (/S2/) ) )。

1 .中央解决:

1 )微处理器(微控制器: MCU ( MCU ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

2 )图像解析器(图形处理单元: GPU ( GPU ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

3 ) ai解决方案(例:神经调节素解决方案单元neuronalnetworkprocessingunitnpu，深度学习加速器，深度学习加速器，张力解决方案

4 )片上系统(系统on chip :集成了SOC、多核微解决方案、图像解决方案、数字信号解决方案dsp、ai解决方案等的集成芯片) )。

2 .驱动:

1 )功率mos

2 )绝缘栅双极晶体管igbt

3 .保存:

1 )内存

2 ) eprom

3 )闪光灯等

4 .特殊芯片

1 ) fpga

2 )总成

5 .传感器:

1 )加速度、速度、位置

2 )温度、湿度、压力

3 )电流、电压

4 )各种气体成分等

6 .高频:

1 )雷达

2 )移动通信

7 .光电

1 ) led

2 )光纤通信

这些比较多又复杂的芯片(集成电路)是怎么设计的呢？

半导体芯片设计

图8集成电路设计工具( eda ) ( 14纳米芯片设计，eda工具: innovus cadence ) ) ) ) ) ) ) ) )。

大规模集成电路( vsli )的设计主要分为以下步骤。

1 .设计( design )包括计划、逻辑设计、物理设计等

2 .模拟(模拟)。

3、分解与验证(分析与验证； 验证，包括功能、逻辑、时间、物理等科目)

4 .制造准备(制造准备) )

5 .功能安全性(功能安全) ) )。

以华为海思的麒麟9000片上系统soc为例(见图9 ) :

采用8个arm cortex内核、1个24核图像解析器gpu、ai达芬奇解决方案、5g基带、5纳米结构的宽度，是目前先进的soc，共有约153亿个晶体管集成，用于5g移动通信。

图9海思的片上系统soc麒麟9000基本参数表(海思官网() ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

作者的建议:

由华为海思的soc麒麟9000系列芯片可知，中国拥有设计先进的大规模集成电路(集成百亿个晶体管的半导体芯片)的技术力量！ 设计这样的芯片需要老手的技术力量、经验和严谨的精神。 在中国的数千家半导体公司中，每个公司都不需要设计独立的多而复杂的大规模集成电路，可以通过两种方法实现。

1 .邀请几家有芯片设计能力和经验的公司外包设计。 例如，委托高品位进行设计。 这样，集中力量办大事，可以冲破中国半导体芯片领域的枷锁之一(大规模集成电路的设计)。

2 .一些制造能力强的半导体公司成为专注于半导体制造的公司，例如不像台湾积体电路制造那样设立独立的芯片设计部门。

半导体芯片的制造

半导体芯片的制造分为前端工艺、后端工艺。 前端工艺是指从单晶硅晶片经过数百个、甚至数千个步骤来制造一个结构化的晶片(参照图10 )。

图10由单晶硅构成的晶片(数百个半导体芯片)裸芯片(裸芯片) ( ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。

一个半导体前端工厂的投资巨大，约150亿元至300亿元(见图11 )。

图11半导体前端工厂的工厂

前端制造流程主要分为以下几类。

涂层技术

化学蒸发(化学蒸气沉积) )。

涂层技术

蒸发(物理蒸气沉积)

涂层技术

氧化

蚀刻技术

润湿剂

蚀刻技术

等离子体

蚀刻技术

化学机械抛光(化学机械抛光) )。

光刻法

光刻法

嵌入

原子的嵌入

分解

视觉分解

一般来说，一个半导体物架上搭载20个到30个晶片，在半导体前端工厂经过数百个工序，时间经过约6周到8周，最终生产出结构化的晶片(裸芯片)，其工艺步骤如图12示意性所示。

图12半导体前端工序示意图(英飞凌) ) )。

哪个半导体前端工艺的核心是什么？

第一个是设备(光刻、蚀刻、涂层、嵌入等)，它们像高精锐物理、化学实验室的仪器。

第二，是这些设备的工艺参数，这里包含多个试验数据、经验值，是核心技术( know-how )。

半导体的后端工艺包括裸芯片分离、连接(超声波焊接)、封装、测试，许多工艺已经标准化，在此不再详述。

作者的建议:

1 .考虑到对半导体前端工程的巨大投资( 150亿至300亿)，相关部门建议批准一些前端工厂项目，其他半导体公司可以委托这些前端工厂代工。 这也是半导体领域比较常见的商业模式，由高端、苹果设计芯片，由台湾积体电路制造代理。 中国一定有几个自己先进的半导体前端工厂！

2 .无论是光刻、蚀刻、涂层、嵌入工艺，这些设备的开发和应用，一定需要国家级科研机构的大力支持(中科院研究所、大学电子学院等)，不仅实现了设备的自给，而且稳定。 目标是突破半导体领域的枷锁之二。

总结。总结

1、半导体芯片在未来国民经济中占有重要位置，在5g通信、城市数字化智能化、交通运输(汽车、铁路、船运、航空(/k0/) )、计算机和软件、化工、装备、物流、航天等领域，

2、中国半导体芯片领域要冲破枷锁，就需要聚集人才和资源，成立几个自己的芯片设计、芯片制造标杆公司；

3、高端半导体芯片的设计、制造是领域通用的外包、代工形式，实现快速、稳健、快速的发展；

4 .作者预测，未来15年内，中国将成为世界半导体领域的第一步

5 .科学技术无国界，高精锐的学术、技术交流是开放中国的怀抱和远大的抱负！

作者刘晓毅博士[/s2/] (观昱机电技术( costkey-solutions )创始人、ceo )、德国戴姆勒集团(奔驰汽车) 20多年的新生产技术、整车开发和价格工程； 德国物理学家奖获得者工业和信息化部“长风计划”新能源ICV产业智库专家； 长城汽车技术中心上层技术管理； 工信出版集团“国家珍宝出版工程”要点图书《制造公司价格工程体系》的作者； 上海交通大学电子新闻与电气工程学院研究生公司导师； 同济大学汽车学院客座教授。