半导体MPW、PCM、WAT和单元库设计详解

1.什么是集成电路设计？

集成电路设计简单的说就是设计硬件电路。设计集成电路时，设计者首先根据对电路性能和功能的要求提出设计构思。然后将这样一个构思逐步细化，利用电子设计自动化软件实现具有这些性能和功能的集成电路。设计者将按照我们的要求构思，在计算机上利用软件完成设计版图并模拟测试。

集成电路设计一般可分为层次化设计和结构化设计。层次化设计就是把复杂的系统简化，分为一层一层的，这样有利于发现并纠正错误；结构化设计则是把复杂的系统分为可操作的几个部分，允许一个设计者只设计其中一部分或更多，这样其他设计者就可以利用他已经设计好的部分，达到资源共享。

2.简述硅片是怎样制造的？

硅片是从大块的硅晶体上切割下来的，而这些大块的硅晶体是由普通硅沙拉制提炼而成的。制造硅片，先多晶硅熔化，拉制出大块的硅晶体。然后将头部和尾部切掉，再用机械对其进行修整至合适直径。这时看到的就是有合适直径和一定长度的“硅棒”。再把“硅棒”切成一片一片薄薄的圆片，圆片每一处的厚度必须是近似相等的，这是硅片制造中比较关键的工作。最后再通过腐蚀去除切割时残留的损伤。然后经过抛光就制成了硅片。

3. 常用的硅单晶圆片直径是多大？

从材料上看，硅单晶圆片的主要材料是硅，而且是单晶硅；从形状上看，它是圆形片状的。硅单晶圆片是最常用的半导体材料，它是硅到芯片制造过程中的一个状态，是为了芯片生产而制造出来的集成电路原材料。它是在超净化间里通过各种工艺流程制造出来的圆形薄片，这样的薄片必须两面近似平行且足够平整。硅单晶圆片越大,同一圆片上生产的集成电路就越多,这样既可降低成本，又能提高成品率，但材料技术和生产技术要求会更高。

如果按直径分类，硅单晶圆片可以分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸等规格,近来又发展出12英寸甚至更大规格。

4.什么是流片？

流片是指通过一系列工艺步骤制造芯片，像流水线一样这就是流片。

在芯片制造过程中一般有两段时间可以叫做流片。在大规模生产芯片时，那流水线一样地生产就是其中之一。

另一种流片是在搞设计的时候发现某个地方可以进行修改以取得更好的效果，但又怕这样的修改会给芯片带来意想不到的后果，如果根据这样一个有问题的设计大规模地制造芯片，那么损失就会很大。所以为了测试集成电路设计是否成功，必须进行流片，即从一个电路图到一块芯片，检验每一个工艺步骤是否可行，检验电路是否具备我们所要的性能和功能。如果流片成功，就可以大规模地制造芯片；反之，我们就需要找出其中的原因，并进行相应的优化设计。

5.什么是多项目晶圆（MPW）？

随着制造工艺水平的提高，在生产线上制造芯片的费用不断上涨，一次0.6微米工艺的生产费用就要20-30万元，而一次0.35微米工艺的生产费用则需要60-80万元。如果设计中存在问题，那么制造出来的所有芯片将全部报废。为了降低成本，我们采用了多项目晶圆。

所谓多项目晶圆(简称MPW)，就是将多种具有相同工艺的集成电路设计放在同一个硅圆片上、在同一生产线上生产，生产出来后，每个设计项目可以得到数十片芯片样品，这一数量足够用于设计开发阶段的实验、测试。而实验费用就由所有参加多项目晶圆的项目按照各自所占的芯片面积分摊，极大地降低了实验成本。

多项目晶圆提高了设计效率，降低了开发成本，为设计人员提供了实践机会，并促进了集成电路设计成果转化，对IC设计人才的培训，及新产品的开发研制均有相当的促进作用。

多项目晶圆投片，指在同一种工艺的不同芯片放在同一块晶圆(Wafer)上流片，是小公司节省成本的有效手段

6. 什么是晶圆代工？

晶圆代工厂就是向专业的集成电路设计公司或电子厂商提供专门的制造服务。这种经营模式使得集成电路设计公司不需要自己承担造价昂贵的厂房，就能生产。这就意味着，台积电等晶圆代工商将庞大的建厂风险分摊到广大的客户群以及多样化的产品上，从而集中开发更先进的制造流程。

随着半导体技术的发展，晶圆代工所需投资也越来越大，现在最普遍采用的8英寸生产线，投资建成一条就需要10亿美元。尽管如此，很多晶圆代工厂还是投进去很多资金、采购了很多设备。这足以说明晶圆代工将在不久的未来取得很大发展，占全球半导体产业的比重也将与日俱增。

7.简述芯片封装的作用

芯片封装就是安装半导体集成电路芯片用的外壳。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电路性能下降，所以封装是至关重要的。封装后的芯片也更便于安装和运输。封装的这些作用和包装是基本相似的，但它又有独特之处。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电路性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁–芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他大规模集成电路都起着重要的作用。随着CPU和其他大规模电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展。

芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，技术指标一代比一代先进，芯片面积与封装面积之比（衡量封装技术水平的主要指标）越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能也越来越好。它还具有重量小，可靠性高，使用方便等优点。

8.简述PCM的作用。什么是WAT？

PCM参数给定的是该工艺要实现的一些重要的参数，包括各方块电阻/电容/孔接触电阻/导线电阻/管子的开启电压等重要参数等。不仅仅是电阻，所有用到的器件包括有源和无源器件的参数都要给出具体数值。 方块电阻，电容阻值，晶体管的基本参数都给出。在流片结束后测试专门放在划片槽中的PCM图形，作为“交货的质量凭证”。

PCM是Foundry监控工艺的，当器件的测量值都在指定的范围内，Foundry就会说我们的工艺没问题，如果产品性能差就是设计的问题了。

PCM也称为 WAT：Wafer Accept Test（芯片接收测试）

9. 门阵列、门海各有何特点？

门阵列显著特点是器件结构已预先制造好，即是说基片上已预先制造好固定的晶体管或者门单元阵列，以及固定的输入输出压焊点和固定的布线通道(门海除外)。这种功能未经定义的基片通常称为门阵列母片。门海SOG (sea of gates)技术是把由一对不共栅的P管和N管组成的基本单元铺满整个芯片(除I/O区外)。门海宏单元之间是通过正常的晶体管实现隔离的，作隔离用的晶体管的栅分别接VDD(对P型管)和GND(对N型管)，这样隔离管就处于截止状态，使相邻宏单元在电学上相互隔离。

10. 什么是单元库设计技术？

单元库设计技术是当今VLSI设计的主要技术之一，借助这个设计技术可以获得性能优越的VLSIC。单元库是“专家系统”，它是由经过精心设计和优化的电路单元模块所组成，这些电路单元模块具有独立的功能、优化的电路结构、理想的动态特性、经过优化和验证的版图。由这些单元模块组成的单元库为VLSI设计提供了性能优越的“高级”设计平台，或者说我们的设计是建立在高水平的设计基础之上。标准单元设计技术，是指采用经过精心设计的逻辑单元版图，按芯片的功能要求排列而成集成电路的设计技术。

11. 单元库单元版图设计有何特征？

这些单元的版图具有以下三个特征：1) 各单元具有相同的高度，可以有不同的宽度。

2) 单元的电源线和地线通常安排在单元的上下端，从单元的左右两侧同时出线，电源、地线在两侧的位置要相同，线的宽度要一致，以便单元间电源、地线的对接。

3) 单元的输入/输出端安排在单元的上下两边，要求至少有一个输入端或输出端可以在单元的上边和下边两个方向引出。引线具有上下出线能力的目的是为了线网能够穿越单元。

12. 单元库设计技术需要全套制作掩模吗？

需要全套制作掩模，进行全工艺过程制备。一个标准单元库内的所有单元遵循同一的工艺设计规则，一个单元库对应一条或一组完全相同的工艺线。也就是说，当工艺发生变化时，单元库必须修改或重建。

13. 大面积接触的区域如何制作？

对于需要大面积接触的区域，在设计引线孔时，为减轻工艺加工的大小尺寸匹配难度，也为了避免大面积接触可能引起的金属熔穿掺杂区的情况发生，通常采取多个接触孔代替一个大的接触孔的方案。

14. 试比较全定制IC设计和半定制IC设计

全定制IC设计复杂，必须从单元设计起，直到几十层版图完成，开发时间最长，因此 一次性费用(Nonrecurring Costs) NRE最高。但硅片利用率最高，折算成单片生产成本最低，功能最强，性能最好。全定制IC设计复杂，必须从单元设计起，直到几十层版图完成，开发时间最长，因此 一次性费用(Nonrecurring Costs) NRE最高。但硅片利用率最高，折算成单片生产成本最低，功能最强，性能最好。

从工作速度角度看，标准单元IC的速度在4者中属最快的(当然它比不上全定制的IC)，门阵列IC速度要低些，因为它内部单元中的晶体管尺寸都相同。PLD和LCA(FPGA)都比上两种更慢(如果采用相同的工艺技术的话)，因为它们有着由于电编程结构所带来的附加内连延迟，特别是LCA(FPGA)，其附加延迟更加严重；但是随着工艺技术的改进，可编程IC的速度已有明显提高。PLD的集成度目前还较低，而LCA(FPGA)的集成度已可与门阵列、标准单元IC相比。

当所需逻辑电路的且年使用量在1万块以下(集成度较高时)或10万块以下(集成度较低时)，使用FPGA为适宜。利用FPGA代替门阵列或标准单元可大大降低成本。