什麼是積體電路 (IC)？

在現代的世界中，電子技術將一切交織在一起。從微波爐到衛星，我們醒著的每一刻，都有電子設備。時至今日，即使是我們的睡眠也有相關的數位聲學、觸覺，和分析。雖然我們生活中照明、連線和移動所使用的系統可能會有很大的差異，不過幾乎每個電子裝置都有一個或多個相同的基本建構模塊，就是相當小巧且非常複雜的積體電路。

什麼是積體電路？

積體電路 (IC，也常稱為晶片) 是由稱為矽的半導體材質製成，在其中有稱為電晶體的小型電子元件，經由覆蓋在矽表面之上的互連層連接在一起。

IC 有什麼功用？

您可能已經很熟悉你喜歡的電子裝置裡面的黑色小盒子。由於體積小巧且不顯眼，因此很難相信這些容器其實是大多數現代電子設備得以運作的關鍵。然而，如果沒有積體電路，大多數技術將不可能實現，而我們作為一個依賴技術的社會也會感到無助。

積體電路是由互相連接在一起的元件組成的小型電子晶片，其中元件包括電阻、電晶體和電容等。積體電路以矽等單一半導體材料為基礎，可容納數百至數十億個元件，這些元件共同合作，支撐起現代社會的運作。

積體電路的用途非常廣泛：兒童的玩具、汽車、電腦、手機、太空船、地鐵火車、飛機、電玩遊戲、牙刷等。基本上，只要一個東西上有電源開關，它就很可能以積體電路為運作的基礎。積體電路可在各個裝置內作為微處理器，放大器或記憶體使用。 

積體電路是微影製程所製造的，這個製程用紫外線一次將元件印到單一基板上，類似於從單一張底片印出許多照片。將 IC 的所有元件一起印刷的效率意味著相比使用分離元件，IC可以更便宜、更可靠地生產。IC 的其他優點包括：

• 體積超小，因此裝置體積就能小巧
• 高可靠性
• 高速效能
• 低電力需求

IC 製造的演進

在過去近 75 年的時間裡，IC 不斷發展，讓越來越精密的裝置得以實現。但 IC 製造是如何開始的？將多種元件放在一顆晶片上的想法最初在 1950 年代出現，不同的科學家大約在同一時期各自開發類似的設計。

從創造之始以來，積體電路已經歷數次演進，讓我們的裝置變得更小、更快速，也更便宜。第一代的 IC 只由單一晶片的幾個元件組成，而之後的每一代，在電力和經濟性方面都有突破性的進步。

• 1950 年代：積體電路問世，單一晶片上只有幾個電晶體和二極體。
• 1960 年代：雙極性接合電晶體（Bipolar Junction Transistors）和小型至中型積體電路（Small- and Medium-Scale Integration）的引入，使得成千上萬個電晶體連接在一個晶片上成為可能。
• 1970 年代：大型積體電路與超大型積體電路 (VLSI) 的晶片具有數萬個到數百萬個元件，讓個人電腦和進階運算系統的開發得以順利進行。
• 2000 年代：在 2000 年代初期，極大型積體電路 (ULSI) 讓數十億個元件可以整合到一個基板上。
• 下一步：目前發展中的 2.5D 與 3D 積體電路 (3D-IC) 技術將創造無與倫比的彈性，推動電子技術的下一次大幅躍進。

第一家 IC 製造商是垂直整合的公司，所有的設計和製造步驟都由他們自行完成。在 Intel、Samsung 和記憶體晶片製造商等公司身上，這樣的情況仍然存在。然而自 1980 年代起，“無廠半導體”（fabless）的商業模式，已經成為半導體業的常態。

一家無廠半導體公司（fabless IC company）不製造他們設計的晶片，相反，它們將這項工作外包給專門的製造公司，這些公司營運著由許多設計公司共用的製造設施（fabs）。Apple、AMD 和 NVIDIA 等業界領導廠商都是無廠半導體公司的例子。現今的 IC 製造領導廠商包括 TSMC、Samsung 和 GlobalFoundries。

積體電路的類型

IC 根據複雜度和目的，可以分為不同類型。常見的一些 IC 類型包括：

• 數位 IC：這種 IC 用於電腦和微處理器等裝置。數位 IC 可用於記憶體、儲存資料或邏輯具有經濟實惠、易於設計、適合低頻應用等特性。
• 類比 IC：類比 IC 的設計可處理連續訊號，其中訊號強度從零到滿供電電壓，其訊號強度因應而異。這種 IC 用於處理類比訊號，例如聲音或光線。相較於數位 IC，類比 IC 中的電晶體數量較少，但較難設計。類比 IC 的應用廣泛，包括擴大機、濾波器、振盪器、穩壓器，以及電源管理電路，通常用於音訊設備、射頻 (RF) 收發器、通訊、感應器和醫療儀器等電子裝置中。
• 混合訊號 IC：混合訊號 IC 結合數位與類比電路，用於需要兩種處理類型的領域中，例如手機、汽車和攜帶式電子產品中的螢幕、感測器和通訊應用。
• 記憶體 IC：這種 IC 能暫時或永久儲存資料。記憶體 IC 的範例包括隨機存取記憶體 (RAM) 和唯讀記憶體 (ROM)。記憶體 IC 是電晶體數量最大的幾種 IC 之一，因此需要極高容量且快速的模擬工具。
• 特定應用的積體電路 (ASIC)：ASIC 專為有效率執行特定工作所設計。ASIC 不是可用於大部分應用中的一般用途 IC，而是為執行特別目標功能而客製化的系統單晶片 (SoC)。

IC 封裝的類型

在設計和製造晶片後，會有第三個也是最後一個步驟，就是測試和封裝晶片。這是半導體產業中另一個相當專業的子領域。

由於實際的矽晶片太小且太脆弱，無法直接操作；IC 封裝為 IC 提供了更實質的部分來加以操作。保護外殼 (通常是由塑膠或陶瓷製成，具有整合的引線或凸塊) 可讓我們將微小的晶片連接至電路板上。依預期用途，IC 封裝的尺寸和形狀各有不同。

什麼是 2.5D 和 3D-IC？

數位化的一切不斷對裝置帶來壓力，要求裝置變得更快、更聰明、更小，因此也會需要能更有效率處理更多資訊的 IC，這樣的需求沒有終止。在最新一代，有兩種非常有潛力的新選項：2.5D 和 3D-IC。

在 2.5D-IC 中，以中介板技術技術，將兩個或更多個晶片放置於同一平面上。這種共用基底的平面並排方式增加了互連的密度。

現在，順著同樣的邏輯繼續推進，就是 3D IC。邏輯對邏輯 (logic-on-logic) 式夾心是透過堆疊晶片或晶圓而建立。除了提高互連特性之外，3D IC 還能以更小的體積提供更高的處理能力，而且對於使用不同的技術節點，也具有高度彈性。      

這些多晶片封裝技術所帶來的重大新挑戰是散熱。當您想到高效能運算 (HPC) 晶片可以輕易耗用超過 200 瓦的電力時，顯然，當您開始將數個晶片緊密堆疊在一起時，過熱和溫度管理就會是主要的限制因素。

藉由讓 IC 的連接效率更高，2.5D 和 3D 技術克服了工程師自 1950 年代以來一直面對著的擴充挑戰：「我們要怎麼用更少的資源換來更多？」

改善 IC 設計

準確的簽核驗證讓工程師能夠預測 IC 的效能，對於幾乎所有電子裝置的設計程序而言都是最佳化的關鍵。藉由模擬，設計師可針對數種需求評估 IC，包括功率消耗，熱性能和參數良率。此外 Ansys RedHawk-SC 具有獨特的功能，可提供全方位的多物理分析，呈現不同的物理特性會如何相互作用而影響 IC 的效能和使用壽命。

若要進一步瞭解積體電路，請報名我們的線上研討會「Thermal Integrity Challenges and Solutions of Silicon Interposer Design」(矽中介設計的熱完整性挑戰與解決方案)。