2021年03月04日 | 中国半导体芯片行业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行业的客户之一， 约占整个半导体产品5-10%的销售额， 虽然份额不大，但产品要求较高，行业内称为“车规级”半导体，比如芯片工作温度在 -40度 至 + 120度，机械振动环境20 至 30倍的地心加速度。随着新能源汽车市场的不断增长，车用电池管理系统、电机驱动等都增加了对微处理器（MCU）、 片上系统（SoC）以及功率半导体绝缘栅双极型晶体管IGBT的需求。

为了深入了解半导体芯片的结构及其成本，作为车企，我们对某个自动变速箱信号处理特种芯片（ASIC）做了一个半导体芯片探测的实验机构（见图1），在3D伦琴射线计算机断层探测下，可以比较清晰的看到这个特种芯片的内部结构（见图2），芯片的真实尺寸约一个指甲盖大小。探测的结果：

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毫米

3. 芯片链接点：100

4. 导电框尺寸（leadframe）：9.0 X 9.0毫米

并可以清晰地看到裸芯片与外部端子的超声波焊接上连接结构。

图1 半导体芯片的3D X-Ray 计算机断层分析仪（载体可以360度旋转）

图2 在3D伦琴射线CT下探测的某个自动变速箱控制模块的信号处理特种芯片（ASIC）

此外，电子显微镜（微聚焦）对这个芯片做了断面图像分析：

图3电子显微镜下某个自动变速箱控制模块的信号处理特种芯片（ASIC）断面的成像

这样，可以探测出这颗芯片的复杂分层结构。

大多数半导体芯片多以高纯度的单晶硅作为原材料，如图4所示：

图4 高纯度单晶硅切割成的不同直径的晶圆（200、300、450毫米）

硅材料在常温下仅有微小的电导率，通过嵌入磷、硼、砷等原子，硅材料形成N、或者P极区域，N和P极边界，产生出可单向通电流的元件，这就是二极管。依此基本原理，就可以设计出三极管了（见图5）。

图5 一个双极型三极管原理示意图（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两大类，一类是双极型（bipolar），另一类是金属氧化型MOS（metal –oxide-semiconductor）。由于MOS型三极管需要的区域极其微小，能耗很小，所以它广泛应用于大规模集成电路（VLSI，集成1百万个三极管以上）

图6 一个MOS三极管示意图（英飞凌集团出版社“半导体技术及其参数”）

对比一个目前汽车域控制器的片上系统（SoC），一个芯片集成了数十亿甚至百亿个三极管。

图7 一个汽车域控制器主芯片SoC的功能图（Renesas Datasheet）

这个SoC由4颗ARM Cortex A76应用核、一颗实时核ARM Cortex R52、一颗图像处理核GPU、多颗DSP（digital signal processor： 数字信号处理器）组成的计算机图形识别和深度学习加速器、多种接口（包括以太网）、安全控制、内存等模块。

半导体芯片种类（不保证完全）：

1. 中央处理：

1） 微处理器（microcontroller： MCU）

2） 图像处理器（graphic processing unit： GPU）

3） AI处理器（比如： 神经元处理单元neuronal network processing unit NPU，深度学习加速器deep learning accelerator， 张量处理单元tensor processing unit）

4） 片上系统（System on chip： SoC， 集成多核微处理器、图像处理器、数字信号处理器DSP、AI处理器等的综合芯片）

2. 驱动：

1） 功率MOS

2） 绝缘栅双极型晶体管IGBT

3. 储存：

1） DRAM

2） EPROM

3） FLASH 等

4. 特种芯片

1） FPGA

2） ASIC

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

这些比较复杂的芯片（集成电路）怎样设计呢？

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）的设计主要分为如下步骤：

1. 设计（Design），包含方案、逻辑设计、物理设计等

2. 仿真（Simulation）

3. 分析和验证（Analysis & Verification），包括功能、逻辑、时间、物理等科目

4. 制造准备（Manufacturing Preparation）

5. 功能安全（Functional Safety）

以华为海思的麒麟9000片上系统SoC为例（见图9）：

集成了8颗ARM Cortex核，一枚24核的图像处理器GPU，AI达芬奇处理器，5G基带，采用5纳米结构宽度，是一个目前较为先进的SoC，集成了共约153亿个三极管，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）

作者建议：

从华为海思的SoC麒麟9000系列芯片可以看出，中国具有设计先进的、大规模集成电路（集成百亿个三极管的半导体芯片）的技术能力！设计这样的芯片，需要资深的技术力量、经验和一丝不苟的精神，在中国数千家半导体企业里，没有必要每家都独立设计复杂的大规模集成电路，可以用两种方式实现：

1. 让数家有良好芯片设计能力和经验的企业外包设计，比如请海思来设计，这样可以集中力量办大事，为中国半导体芯片行业冲破枷锁之一（大规模集成电路的设计）；

2. 部分制造能力强的半导体企业成为专注半导体制造的企业，例如像台积电一样，不设独立的芯片设计部门。

半导体芯片制造

半导体芯片制造分为前端工艺、后端工艺。前端工艺就是从单晶硅晶圆，通过数百个、甚至上千个步序，制造成为一个结构化的晶圆（见图10）

图10 从单晶硅到结构化的晶圆（数百颗半导体芯片（裸片）

一个半导体前端工厂的投资是巨大的，约150 至300亿元（见图11）

图11 一个半导体前端工厂的车间

前端制造工艺主要分为如下几类：

通常一个半导体物架装有20至30个晶圆，在半导体前端工厂通过数百个工序，时间经历约6至8周，最后生产出结构化的晶圆（裸芯片），其工艺步序如图12示意：

图12 半导体前端工序示意图（英飞凌）

哪么半导体前端工艺的核心是什么呢？

第一，是设备（光刻、蚀刻、涂层、嵌入等），它们就像高精尖物理、化学实验室的仪器。

第二，是这些设备的过程参数，这里包含了许多试验数据、经验值，是核心技术（know-how）。

半导体的后端工艺包括裸片分离、连接（超声波焊接）、封装、测试， 多数工艺都已经标准化了，这里就不细说了。

作者建议：

1. 鉴于半导体前端工程投资巨大（150亿 至 300亿），建议相关部门批准数个前端工厂项目，其它半导体企业可以委托这些前端工厂代工，这也是半导体行业比较通行的商业模式，海思、苹果设计芯片，台积电代工。中国一定要有数个自己的、先进的半导体前端工厂！

2. 无论是光刻、蚀刻还是涂层、嵌入工艺，这些设备的开发和应用，一定需要国家级科研单位的大力支持（中科院研究所、高校电子学院等），不但要实现设备自给，还要开发出稳定的、芯片完好率高的过程参数，这些才是核心技术！力争突破半导体行业枷锁之二。

总结

1. 半导体芯片在未来国民经济中占有举足轻重的位置，无论是5G通讯、城市数字化智能化， 还是交通运输（汽车、铁路、船运、航空）、计算机和软件、化工、装备、物流、航天等行业，都离不开它；

2. 中国半导体芯片行业要冲破枷锁，需要集中人才和资源，树立几个自己的芯片设计、芯片制造标杆企业；

3. 高端半导体芯片的设计、制造可以用行业通行的外包、代工形式，实现快速、稳健发展；

4. 作者预测，在未来15年内，中国将成为全球半导体行业的第一梯队；

5. 科学技术是没有国界的，高精尖的学术、技术交流是开放中国的胸怀和远大抱负！

作者 刘晓毅博士（观昱机电技术（costkey-solutions.com）创始人、CEO），德国戴姆勒集团（奔驰汽车）20多年新生产工艺、整车开发和成本工程；德国物理学家奖获得者；工信部“长风计划”新能源与智能网联汽车产业智库专家；长城汽车技术中心高层技术管理；工信出版集团“国之重器出版工程”重点图书《制造企业的成本工程体系》作者；上海交通大学电子信息与电气工程学院研究生企业导师；同济大学汽车学院客座教授。