What is a Microchip?

微晶片也稱為：

• 積體電路 (IC)
• 電腦晶片
• 半導體
• 晶片

積體電路已取代由電線或印刷電路板 (PCB) 連接之獨立元件的組件，因為它們是一種小很多的單一單晶裝置，耗電量少很多，且能夠在成本大幅降低的情況下進行大量生產。

半導體材料於 1821 年由托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發現，而首個可運作的半導體電晶體則由威廉·肖克利（Willam Shockley）於 1947 年製成。隨後，羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）於 1959 年將這些元件及其所有互連結構整合成單一裝置。 這項發明及其後所有進展的關鍵，在於平面製造製程，該製程利用光刻技術，以精確的方式逐層沉積與去除材料。

積體電路是現代生活不可或缺的一部分，為從玩具到深空探測器等各類裝置提供電子元件。 2023年，全球微晶片 銷售營收達5,269億美元。該年的銷售數據也顯示，晶片應用已超越電腦領域，呈現進一步增長：其中32%用於通訊領域、17%用於汽車應用、14%用於工業設備、11%用於消費性電子產品，而僅有25%用於運算領域。

在「摩爾定律」的驅動下——該定律指出，積體電路（IC）中的電晶體數量每兩年便會翻倍——隨著電路日益複雜，以及元件尺寸不斷縮小，每一代晶片的設計與製造都面臨著更大的挑戰。

晶片上各元件的一般尺寸，稱為「特徵尺寸」，單位以奈米（nm）計，即一米的十億分之一。目前半導體製造商採用 14 奈米、10 奈米、7 奈米、5 奈米及 3 奈米製程，而 2 奈米技術也即將投入量產。作為參考，一粒米長約 500 萬奈米。

2023年，研究人員開發出一款創下紀錄的微處理器，內含1.2兆個電晶體。英特爾2024年的CPU產品線中，單一晶片上的電晶體數量已超過1億個。

積體電路是由半導體材料（通常為矽）製成，並以重疊的層狀結構堆疊而成。以下是微晶片 中最常見的元件：

• 矽基板 ：作為 基礎的 純矽晶體層，其他層係透過移除或沉積其他材料，或對晶體材料進行摻雜而構成的。 

微晶片 的製造過程共分三個步驟。每個步驟均經過高度優化與自動化，以降低成本、確保品質並提升效率。負責設計積體電路的工程師必須對製造製程有深入的了解，因為每個步驟都會決定元件的尺寸、形狀與間距。

步驟 1：晶圓生產

製造空白矽晶圓是半導體製造的第一步。此製程首先需生長出由半導體材料（通常為純矽）製成的單晶圓柱狀錠，稱為「晶錠」。接著將晶錠切片成薄晶圓，經機械加工使表面平整，再透過化學蝕刻去除加工造成的任何損傷，最後進行拋光。 電子級矽晶圓的直徑通常介於 100 至 450 毫米之間。最常見的規格為直徑 300 毫米、厚度 755 微米。

步驟 2：製造

電路及其所有元件與互連結構，皆在半導體製造廠（通常稱為「晶圓廠」）中製成。電路的每一層及其拓撲結構，皆透過一系列高度受控的步驟形成。機器人會以群組形式將晶圓從一台設備運送至另一台設備。大多數晶片製造製程在處理每一層時，皆遵循以下步驟：

• 增加一個二氧化矽層，以完全覆蓋該層 (也稱為鈍化)。
• 添加光阻劑塗層。
• 將光阻層按照欲製成的幾何圖案，暴露於紫外線下。隨後對光阻層進行顯影，並去除受光照射的部分。此過程稱為光刻法。
• 使用化學藥劑（通常為強酸）來去除光阻已被去除處的氧化層。此過程稱為蝕刻。
• 移除未顯影的光阻劑材料。
• 如果層需要摻雜，離子植入污染物到晶體結構中，會針對電晶體和其他元件產生所需半導體行為。
• 針對其他材料，會使用各種形式的化學或氣相沉積來建立互連、通孔及其他元件。

步驟 3：包裝

當每一層結構完成，且晶圓經過清潔與測試後，便會將其切割成稱為「晶粒」的獨立晶片。接著，透過鍵合將一個或多個晶粒固定在基板上，並根據應用需求，使用不同的材料將積體電路封裝起來。有些封裝僅包含單一晶片，但目前的趨勢是將多個晶粒整合於單一封裝中。 

積體電路的種類與用途逐年增加。早期的積體電路通常只執行單一功能。但隨著製造技術與設計工具的進步，晶片已逐漸轉向多功能化。

智慧型手機是絕佳的範例，展現了如何將多種晶片整合於單一裝置中，以滿足不同用途。它們內含用於 5G 無線通訊與 GPS 的射頻（RF）晶片、用於相機的光電晶片、用於顯示器的 LED 晶片、用於處理單元的數位積體電路（IC）、用於加速度計的微機電系統（MEMS）晶片，以及十餘種其他積體電路，用以感測、控制及調整大量不同的應用功能。

不同類型的晶片可以根據其執行的傳訊來進行分類。

類比積體電路

類比訊號在連續的電壓範圍內傳輸電壓，而不僅僅是高電壓或低電壓訊號。它們用於放大、進行頻率濾波以及混合訊號。類比積體電路的頻率與功率可能差異甚大，而較高的頻率與較高的功率會帶來重大的設計挑戰。

類比 IC 的常見用途包括：

• 光學、熱和音訊感應器
• 電源管理電路
• 運算放大器 (op-amp)
• 音訊和視訊訊號處理
• 電信，包括無線電通訊和光學訊號處理
• RF 電路
• 訊號調節
• 機器控制器

數位積體電路

數位積體電路（IC）是一種邏輯裝置，內含數百萬或數十億個由電晶體構成的邏輯閘。一個以固定時脈頻率運行的訊號，會被轉換或測量為高電平或低電平、零或一。透過組合不同的邏輯裝置，便能以極低的功耗執行非常複雜的運算。

數位 IC 的一些最常見用途包括：

• 邏輯 IC 或處理器
  • 微處理器
  • 微控制器
  • 特定應用積體電路 (ASIC)
• 記憶體晶片
• 現場可程式化閘道陣列 (FPGA)
• 數位電源管理裝置
• 系統單晶片 (SoC) 裝置
• 多晶粒晶片

混合訊號積體電路

某些積體電路將處理類比與數位訊號的電路整合在一起，並在兩者之間進行轉換，從而形成混合訊號積體電路。當偵測或產生類比訊號，且需要透過邏輯運算來讀取、產生或修改該訊號時，便會使用此類積體電路。

混合訊號 IC 的一些最常見用途包括：

• 系統單晶片裝置
• 資料擷取晶片
• RF CMOS 電路
• 時脈/時序 IC
• 切換的電容器電路
• 電子光學裝置
• MEMS 裝置

微晶片的未來與過去如出一轍：在體積更小的同時具備更多功能，並持續推動成本下降。製造技術的進步也將為提升性能和開拓新應用創造新的機會。

在不遠的將來推動電子工程設計和模擬的趨勢包括：

轉變為無晶圓廠設計和晶圓代工廠

多年來，該產業已轉變為一種模式：企業可以自行設計積體電路（IC），然後將製造工作外包給專門生產晶片的廠商。這種模式稱為「無廠設計」，而承接製造業務的廠商則稱為「晶圓代工廠」。這使得蘋果和高通等企業能夠設計出創新產品，同時無需投入資本來興建自己的晶圓廠。工程師在設計時，必須遵循所選用晶圓代工廠的製造製程與標準。

更小的特徵尺寸

元件尺寸持續縮小，進而引發電源與訊號完整性 方面的問題。為了保持競爭力，電子工程師在設計時必須善用這些新功能，並運用模擬技術及設計最佳實務來避免問題發生。

電子裝置複雜度和結合的功能

隨著時間推移，越來越多的電子裝置設計師正致力於在單一晶片中實現更強大的功能。物聯網（IoT）裝置、新型固態長期儲存裝置以及 GPU 晶片，都是這類積體電路的典型例子——這些晶片不僅會在同一晶片中增添新功能與能力，這些功能之間的互動也將變得更加複雜。 工程師需要設計與模擬工具，以推動業界正積極發展中的技術設計。植入式微晶片等生物醫學電子設備，將是另一個需要在單一晶片上整合多種功能的領域。

更高的時脈速度和頻率

隨著效能需求的提升以及射頻技術的進步，數位積體電路的時脈速度與類比及混合訊號晶片的頻率皆不斷提高。這兩者皆對訊號完整性 與電源管理造成挑戰。

更優異的電腦功能和提高的能源效率

為支援人工智慧、加密貨幣挖礦及物聯網應用等趨勢而興建的高效能運算資料中心，其發展正推動市場對微處理器更高效能的需求。這些應用正促使業界致力於提升 FPGA、固態硬碟、記憶體及 GPU 的性能，同時也推動開發所有必要的晶片，以實現以日益提升的資料傳輸速度連接各類裝置。

超越運算範圍的更多用途

在汽車、消費性電子產品及工業應用領域中，微晶片 使用量持續增加的趨勢將持續下去。幾乎所有產品都將被設計成具備寬頻連線能力、感測器及運算能力的智慧裝置——而這些功能全都需要微晶片。 

微晶片設計中的模擬

由於微晶片 製造過程的複雜性與高成本，實體原型製作在設計上並不切實際。因此，工程師改以虛擬原型設計 透過模擬來推動設計、驗證性能，並在生產開始前找出並解決問題。模擬技術亦被用於設計封裝，以及優化用於製造晶片的半導體製造設備。

運用模擬技術開發數位微晶片，首先需透過RTL 設計在抽象層面上驗證數位設計的邏輯功能。這包括使用 PowerArtist™ 軟體對電源管理進行初步評估。此工具能在設計流程的早期階段評估設計的功耗需求，並有助於推動更節能的設計。

一旦完成實體設計 的佈局，工程師即可使用RedHawk-SC™ 軟體——這款在數位積體電路電源雜訊與可靠性領域備受信賴的業界領導者——來評估其設計中的電壓降 及電遷移 。

在類比與混合訊號領域，Totem™軟體可導入流程中，用於電源完整性 及可靠性驗證。作為業界公認的電遷移 黃金標準多物理場 ，該軟體已獲得所有主要晶圓代工廠的認證，製程節點可達 3 奈米。此外，它還能與 PathFinder-SC™ 軟體配合使用，以計算靜電放電。

一旦設計經過優化與驗證，封裝工程師即可透過模擬來優化整個微晶片 封裝的功耗、訊號完整性 以及可靠性。RedHawk-SC 軟體專為處理大型多晶片配置而設計，包括系統級封裝（SiP）設計。先進半導體封裝 採用2.5D 以及 3D-IC 技術，將多個晶片整合並連接於同一封裝中，而透過RedHawk-SC 軟體進行的模擬，則是驗證與優化這些設計的主要方式。

一旦設計中的電氣方面問題獲得解決，封裝工程師便可運用Mechanical™ 軟體及Icepak®工具等工具，來進行結構可靠性與熱管理分析。