什么是微芯片？
微芯片是一种电子器件，由一小块经过其它掺杂剂、氧化物和金属改性的扁平半导体材料制成，其可用于制造各种电子组件，包括电路中连接的晶体管、二极管、电阻器和电容器等。
微芯片也称：
- 集成电路（IC）：
- 计算机芯片
- 半导体
- 芯片
集成电路已取代了通过电线或印刷电路板（PCB）连接的分立组件的装配体，因为它们是单片器件，所以体积更小，耗电量更低，而且可以更低的成本大规模生产。
1821年，Thomas Johann Seebeck发现了半导体材料；1947年，Willam Shockley创建了第一款有效的半导体晶体管。之后，在1959年，Robert Noyce将组件及其所有互连整合在单个器件中。这项发明以及后续所有发明的关键都是平面制造工艺，其使用光刻技术，以精确的方式一层层地沉积和移除材料。
集成电路是现代生活不可或缺的组成部分，从玩具到深空探测器等各种设备的电子产品中都需要集成电路。2023年，全球微芯片销售收入为5,269亿美元。除计算机之外，本年度其它领域的芯片销售额也呈现了进一步增长：通信占32%、汽车应用占17%、工业设备占14%、消费类电子产品占11%、计算机占25%。
摩尔定律指出，IC中晶体管的数量每两年就会翻一番。在摩尔定律的推动下，随着每一代芯片的推出，不断增加的电路复杂性以及不断缩小的组件尺寸使得设计和制造微芯片变得更具挑战性。
芯片上单个元件的一般尺寸，称为特性尺寸，以纳米（nm）或十亿分之一米为单位衡量。目前的半导体制造商使用14nm、10nm、7nm、5nm和3nm工艺，2nm技术即将上线。就尺度而言，一粒米有500万纳米长。
2023年，研究人员创建了一款包含1.2万亿颗晶体管的创纪录微处理器。Intel 2024年的CPU产品线，单个芯片上包含1亿多颗晶体管。
典型微芯片的元件
集成电路由半导体材料（通常是硅）层层堆叠而成。下面是微芯片中最常见的元件：
- 硅基板：基础纯硅晶体层，可通过去除或沉积其它材料或掺杂晶体材料在该基础上来构建其它层。
- 图层：在单个层上创建电子电路。通过光刻、蚀刻和沉积来修改各层，以产生所需的组件和互连。此外，某些层也可用作电气绝缘体。
- 过孔：导电区，通常为圆柱形，用于在层与层之间传输电信号。
- 组件：构成所需电路的电子器件。在大多数IC中，这些器件包括晶体管、电容器、二极管、电阻器，有时还包括电感器。
- 互连：给定层上的金属化通路，既可以在组件之间导电，也可以向过孔导电。
- 封装：完成后，将IC放在一个被称为半导体封装的装配体中，其可保护并隔离精密的硅芯片、连接多个芯片，并可提供将一个或多个芯片连接至更大型电子电路的通路。
微芯片的 制造方式
微芯片制造有三个步骤，每个步骤都是高度优化和自动化的，以最大限度降低成本，确保质量并可最大限度提高效率。设计IC的工程师都需要很好地了解制造工艺，因为每个步骤都将决定组件的尺寸、形状和间距。
第1步：晶圆生产
半导体制造的第一步是制造裸硅晶圆。这个过程中，首先是要用半导体材料（通常是纯硅）生长单晶圆柱锭，称为晶锭。之后将晶锭切割成一个晶圆片，经过机械加工后创建平坦的表面，然后通过化学蚀刻去除机械加工的损坏，最后进行抛光。电子晶圆的直径通常为100到450mm。最常见的尺寸是：宽度为300mm；厚度为755µm。
第2步：制造
电路及其所有组件和互连都在半导体制造工厂（通常称为晶圆厂）中创建。电路的每一层和拓扑结构都是通过一系列严格控制的步骤创建的。机器人会将晶圆在集群设备之间移动。大多数芯片制造工艺对每一层都会遵循以下步骤：
- 生长一个二氧化硅层，以完全覆盖该层（也称为钝化）。
- 添加一个光刻胶涂层。
- 将光刻胶层暴露于紫外光下，按照您想要创建的几何图形进行曝光。然后显影光刻胶层并去除暴光的材料。这叫光刻。
- 使用化学品（通常是强酸）去除光刻胶去除位置的氧化层。这叫蚀刻。
- 去除未显影的光刻胶材料。
- 如果需要对该层进行掺杂，则将污染物离子注入晶体结构，创造出所需的半导体行为，以用于晶体管和其他组件。
- 对于其它材料，各种形式的化学或蒸汽沉积可用于创建互连、过孔和其它组件。
第3步：封装
构建每一层并清洁和测试晶圆后，即可将其切割成单独的芯片，称为裸片。然后通过键合将一个或多个裸片连接到结构上，并根据具体应用采用不同的材料封装IC。有些封装只包含一个单芯片，但目前的趋势是将多个裸片组合在统一封装中。
微芯片的类型和应用
集成电路的类型和应用每年都在增长。早期的IC通常执行一项单一功能。但随着制造技术和设计工具的改进， 芯片已转向多功能化。
智能手机，就是一个展示如何将多种芯片整合到单个器件中以实现不同应用的很好示例。智能手机包含用于5G无线电和GPS的射频（RF）芯片、用于摄像头的光电芯片、用于显示器的LED芯片、用于处理单元的数字IC、用于加速计的微型机电系统（MEMS）芯片，以及十几个用于感应、控制并修改大量应用的其它集成电路。
不同类型的芯片可按其执行的信号传输进行分类。
模拟集成电路
模拟信号在连续电压范围内传输电压，而不仅仅是高电压或低电压信号。可将其用于放大、按频率滤波并混合信号。模拟IC的频率和功率可能变化很大，较高的频率和功率会带来显著的设计挑战。
模拟IC的常见用途包括：
- 光学、热和音频传感器
- 电源管理电路
- 运算放大器（op-amp）
- 音视频信号处理
- 电信，包括无线电通信和光信号处理
- RF电路
- 信号调节
- 机器控制器
数字集成电路
数字IC是包含数百万或数十亿个逻辑门（由晶体管组成）的逻辑器件。以固定时钟频率运行的信号，被修改或测量为高或低、0或1。结合不同的逻辑器件，就可以在只需极少功耗的情况下完成极为复杂的计算。
数字IC一些最常见的应用包括：
- 逻辑IC或处理器
- 微处理器
- 微控制器
- 专用集成电路（ASIC）
- 存储芯片
- 现场可编程门阵列（FPGA）
- 数字电源管理器件
- 片上系统（SoC）器件
- 多裸片芯片
混合信号集成电路
有些集成电路结合电路系统来处理模拟及数字信号，并在二者之间进行转换，创建混合信号集成电路。它们用于感测或创建模拟信号，并需要逻辑工作来读取、创建或修改该信号。
混合信号IC的一些最常见用途包括：
微芯片技术的未来趋势
微芯片的未来趋势，正如过去已在发生的那样，尺寸越来越小、功能越来越多，同时还在不断降低成本。此外，制造业的进步还将为更高性能和新应用带来新的契机。
不久的将来推动电气工程设计及仿真发展的趋势包括：
向无晶圆厂设计和代工厂转型
多年来，该行业已经转变为这样一种模式，即企业可以设计自己的IC，然后将制造外包给一家专门制造芯片的公司。这叫无晶圆厂设计，合同制造商称为代工厂。这有助于苹果和高通这样的公司设计全新的创新产品，而无需投入资金来建自己的制造设施。需注意的是，工程师必须按照将使用的代工厂的制造流程和标准进行设计。
特性尺寸更小
特性尺寸不断缩小，带来了电源及信号完整性问题。为保持竞争力，电气工程师不仅需要使用新功能完成设计，而且还需要利用仿真和设计最佳实践来避免问题。
电子器件的复杂性和组合功能
随着时间的推移，越来越多的电子器件设计人员都在寻求在单个芯片中实现更强大的功能。物联网（IoT）器件、新型固态长期存储和GPU芯片都是集成电路的示例，其不仅将在同一芯片中添加新特性和新功能，而且这些功能之间的交互也将变得更加复杂。工程师需要使用设计及仿真工具来推动业界正在推进的技术的设计发展。植入式微芯片等生物医学电子产品，将是在单个芯片上需要多种功能的另一个领域。
更高的时钟速度和频率
性能需求的提升以及RF技术的进步，正在迫使数字IC的时钟速度以及模拟及混合信号芯片频率的提高。这两者都会带来信号完整性和电源管理的问题。
更高的能源效率带来更强大的计算机功能
支持人工智能、加密货币挖矿和IoT应用等趋势的高性能计算数据中心的发展，推动了对更高微处理器性能的需求。这些应用正在推动行业提高FPGA、固态硬盘、内存和GPU，以及采用提高的数据传输速度实现万物互联所需的所有芯片的性能。
除计算之外的更多应用
微芯片在汽车、消费类电子产品和工业领域应用的增长趋势还将继续。几乎所有产品都将设计为能够连接宽带、传感器和计算能力的智能设备，而所有这些都需要微芯片。
微芯片设计中的仿真
由于微芯片的制造成本高昂且复杂，因此对其进行物理原型设计不切实际。不过，工程师可通过仿真，使用虚拟原型设计来为其设计助力，验证性能并在生产开始之前识别并解决问题。此外，仿真还可用于设计封装并优化制造芯片的半导体制造设备。
进行数字微芯片仿真时，首先是使用RTL设计在抽象层面验证数字设计的逻辑功能性。这包括使用Ansys PowerArtist™软件进行初步功耗管理。该工具不仅可在流程的早期阶段评估设计的电源需求，而且还有助于推动更节能的设计发展。
物理设计完成后，工程师就可以使用Ansys RedHawk-SC™软件（数字IC电源噪声和可靠性方面值得信赖的行业领先软件）来评估其设计中的压降和电迁移。
在模拟和混合信号方面，可将Ansys Totem™软件引入电源完整性和可靠性签核流程。该软件是行业值得信赖的电迁移多物理场黄金标准，已得到所有主要代工厂的认证，支持低至3纳米工艺。此外，其还可以与Ansys PathFinder-SC™软件联合使用，计算静电放电。
设计经过优化和验证后，封装工程师可使用仿真来优化整个微芯片封装的电源、信号完整性和鲁棒性。RedHawk-SC软件经过精心设计，旨在处理大型多芯片配置，包括封装内系统的设计。先进半导体封装可使用2.5D-IC和3D-IC方法来将多个裸片组合到同一封装中并对其进行连接，而使用RedHawk-SC-Electrothermal 进行仿真则是验证和优化设计的主要途径。
解决设计电气方面的问题之后，封装工程师就可以使用诸如Ansys Mechanical™软件和Ansys Icepak®等工具来实现结构可靠性和热管理。