改变我们生活的集成电路

没有这些美妙的产品，很难想象我们的生活方式将会发生怎样的转变

在过去的半个世纪，技术发展的步伐迅速增加。在这令人印象深刻的进步中，集成电路（Integrated circuit，IC）的发展发挥了重要的作用。我们的日常生活中的很多活动都离不开包含集成电路的产品，比如计算机、电视机、收音机、音乐播放器、手机、微波炉、公共交通、电梯、手表、助听器、计步器等等。没有这些美妙的产品，很难想象我们的生活方式将会发生怎样的转变。

集成电路市场往往是周期性的，总的趋势是在更多的产品集成更多的集成电路。虽然军方曾经是电子产品的主要驱动力，但近几年，智能手机和平板电脑等手持式电子产品极大推动了消费类电子行业对集成电路的需求。智能手机和平板电脑需要互联网连接和越来越大的带宽，因为有大量的信息和图像需要共享。同时，汽车工业也加入潮流，车辆中都在加载半导体器件。

台湾的产业发展研究所（MIC）预测，全球集成电路业的产值在2014年预计增长3.8%，将达到3104亿美元。而在2013年10月，以其销售的最终市场价值计算，台湾半导体制造有限公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Co，TSMC，台积电）的销售数字超过了集成设备制造商（integrated device manufacturer，IDM）巨头英特尔（Intel）和三星（Samsung），已成为世界上最大的集成电路芯片供应商。而Gartner2013年的报告指出，全球顶尖的三家半导体制造商（台积电TSMC、英特尔Intel和三星Samsung）的集成电路制造支出占2013年全球支出的一半以上。同时，Gartner还预测，2014年全球半导体资本支出将增加14.1%。

本文将介绍先进的集成电路设计和封装，并展示集成电路产业的一些最新发展，如石墨烯集成电路、W波段集成电路和光子集成电路等，从而让读者了解这一极大改变了我们的工作和生活方式的产业。

集成电路设计

集成电路设计可分为数字设计和模拟设计两大类。数字集成电路设计用于生产微处理器、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGAs）、存储器（如随机存储记忆RAM、只读存储器ROM和闪存）和数字化专用集成电路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）等部件，侧重于逻辑的正确性、电路密度最大化和电路设置，以便有效地传送时钟和定时信号。模拟集成电路设计用于运算放大器、线性稳压器、锁相环、振荡器和有源滤波器等的设计，它更测重于半导体器件的物理性，如增益、匹配、功耗和电阻等。通常模拟信号放大和滤波的保真度很关键，其结果就是相比于数字集成电路，模拟集成电路经常用于更大面积的有源器件，而且电路密度较低。

预计到2015年，新建一个半导体厂的成本将超过50亿美元，而代工厂能让无晶圆厂的集成电路设计公司不需要巨额投资而拥有价格合理的先进工艺产能，因此集成电路设计从2000年只占半导体市场份额的不足10%，发展到了现在的占25.8%。

随着2D缩放变得不切实际，3D集成电路集成成为半导体技术的自然演进。加之半导体技术走向堆叠异质芯片的系统集成，3D集成电路成为一个主流趋势。TechNavio的分析师预测，全球3D集成电路市场在2012到2016年间的复合年增长率约为19.7%，而导致这一市场增长的关键因素之一是对内存增强应用的巨大需求。

2012年，Synopsys公司发起的硅验证电子设计自动化（Electric Design Automation，EDA）和IP解决方案对在半导体工业中部署3D集成电路集成技术作出了重大贡献。Synopsys公司正在与领先的集成电路设计和制造公司密切合作，为3D集成电路设计提供全面的 EDA解决方案。

3D集成电路技术补充传统晶体管缩放，使设计者能够通过允许多个晶片垂直堆叠实现更高的集成度，或在硅中介层中有比肩“2.5 D”配置。与传统的单片集成电路相比，3D集成电路使用直通硅晶穿孔（through-silicon via，TSV）技术（一种新兴的、将取代芯片/晶圆堆叠中传统的引线键合工艺的互连技术），以增加芯片间通信带宽、提高系统性能、减小外形尺寸并降低多晶片堆叠系统的功耗。3D集成电路集成技术是一种为大型设备提供良好的成品率和可靠性的创新方式。3D集成电路集成支持高度异质性的工艺技术融合，补充许多应用领域中的晶体管缩放“摩尔定律”，从而通过成本节约和将产品推向市场的时间优势来延长成熟的半导体工艺技术的寿命。

3D集成电路集成正在应用到很多领域，比如高容量FPGA、高密度内存堆叠，以及一些需要将多个半导体技术用小的、高功效和高成本效益的方式打包到一起的先进的移动和消费产品。

集成电路封装

近几年，对便携式互联网连接设备，如手机、平板电脑、GPS设备、MP3播放器等的需求相当大，而这些产品的一个共同点就是将巨大数量的功能打包到一个很小的空间中。为此，这些产品中的集成电路必须使用更先进的封装方法，因为封装将集成电路固定在印刷电路板（PCB）上，进而确定印刷电路板的大小和最终产品的大小。芯片封装方法还确定芯片的速度和性能，以及电池消耗量。

随着集成电路封装重要性的提高和作用的扩大，集成电路封装已经与集成电路自身同等重要。因为在许多情况下，集成电路的性能由封装来控制，其结果是大量的精力致力于改善封装技术，以应对挑战。对产品功能需求的增加使集成电路封装的收益增加比集成电路本身还要快。预计到2016年，集成电路封装收益的复合年增长率为9.8%，而单位出货量的复合年增长率为7.3%。

台湾在世界集成电路封装和测试产业占有战略位置，拥有世界上最大的封装测试公司日月光（ASE），以及世界前十强的矽品（SPIL）、PTI和ChipMOS， 其市场份额超过全球封装和测试晶圆代工市场的50%。

封装测试公司通常严重依赖于晶圆代工厂和集成设备制造商（IDM），特别是晶圆代工厂。只有依靠大型晶圆代工厂，封装测试公司才可以获得更大的市场份额。比如全球最大的封装测试供应商日月光（ASE）就与世界上最大的晶圆代工厂台积电（TSMC）密切协作。日月光几乎承担了台积电所有的封装和测试业务，这接近全球晶圆代工厂总市场份额的48%，而日月光在全球封装和测试市场的占有率约为18%。此外，全球第二大封装测试公司Amkor与Global Foundries合作，第三大公司矽品与联华电子（UMC）合作，而第四大公司与英特尔合作。由于大型晶圆代工厂的大力支持，全球封装测试行业高度集中，前四大公司占据了全球大约46%的市场份额。值得一提的是，美国的封装测试厂更专注于高端产品。

过去几年，系统级封装（SiP）、芯片级封装（chip scale packaging，CSP）、倒装芯片、堆叠芯片封装、晶圆级封装（wafer-level packaging，WLP）以及封装叠加（package-on-package，PoP）等先进的封装技术均被广泛采用。所有这些技术都具有添加性能或减小尺寸，这些特性使它们非常适用于目前需求量巨大的手持小电子设备。比如移动电话和其他便携式电子产品驱动了大量的芯片级封装、堆叠芯片封装、晶圆级封装和越来越多的封装叠加；高性能处理器、芯片组和图形设备等应用驱动了倒装芯片封装的增长；存储、集成无源器件（integrated passive devices ，IPD）、模拟设备和电源设备等驱动了晶圆级封装的需求。鉴于降低成本的压力，一些先进的封装技术，比如无铅方形扁平封装（Quad Flat-pack No-lead，QFN）和焊线球栅格阵列封装（ball grid array，BGA），相对于传统封装解决方案日益具有竞争力，因而许多厂商正在集中开发以降低成本。

值得一提的一种技术是与2.5D和3D相连的直通硅晶穿孔（TSV）。使用直通硅晶穿孔的3D互连能创建最短互连距离的晶片堆叠，提高速度、降低功耗、减小寄生效应，同时能减小尺寸。在小型移动设备到互联网的连接需求很高的当今世界中，这些功能相当重要。3D 互连可以让设备以更少的功耗实现100倍的连接性或带宽。随着硅芯片上的线条和痕迹向45nm、32nm和22 nm的光刻技术转移，使用直通硅晶穿孔是能让后端互连跟上前端制造步伐的方式。

集成电路封装所使用的不同的材料也非常重要，其物理、电子和化学属性建立了封装的基础，并最终决定其性能极限。因此，先进封装中的材料内容在不断增加。但是，与消费者驱动的成本降低压力相反，原材料成本的不断上涨是材料供应商及其客户面临的巨大挑战。具体到封装材料市场就是不断上升的重要金属的成本，如铜、锡、金、银和钯等。在过去几年中，这些金属的价格急剧上升，这促使研发努力减少所需消耗的金属，或在某些情况下找到这些材料的一些替换品。

没有任何一个单一的封装技术能满足所有的要求或需求，因此封装类型将继续发展，而封装材料还会演变。比如，在材料方面，可以选择具有合适属性的薄芯材，以减少翘曲变形的影响并提高操控性；开发合金，以支持持续向更小直径的金键合线迁移等。

集成电路产业的最新发展

IBM的石墨烯集成电路

2014年2月，IBM的研究人员开发出了世界上最先进的由晶圆级石墨烯（一种新型半导体材料，以碳的单原子层形式存在）制成的全功能集成电路。以石墨烯为基础的电路能让移动设备（如智能手机、平板电脑或可穿戴式电子产品）在彼此间、或向周围环境高速地传输数据，并且比传统的技术解决方案更具成本效益、能效更高。这是纳米技术的里程碑，它开辟了新的基于碳的电子设备和电路应用，向真正的石墨烯技术迈进的重大飞跃，将有可能提供更高性能和更低成本的无线通信系统。

2011年，IBM就展示了第一个基于石墨烯的集成电路，这一“验证概念”装置向世界证实了完全有可能制造出有宽带混频器的模拟石墨烯集成电路。然而，制造中严苛的加工工艺使得设备性能不可避免地产生了下降。而这一次，IBM的研究人员使用基于主流的硅CMOS制造工艺的新方法，制造和测试了世界上第一台多级石墨烯射频接收器。这是迄今为止最先进的石墨烯集成电路，其演示的性能比先前报道的石墨烯集成电路好1万倍。正如IBM研究物理科学总监Supratik Guha所言，这是第一次有人证明石墨烯器件和电路能执行与硅技术相媲美的现代无线通信功能。

台湾的“多鳍高度鳍场效应晶体管（multiple fin-height FinFET）”

半导体行业正在进行一场竞赛，以缩小集成电路的尺寸并提高其性能。使用现在最先进半导体大规模生产技术，可以在一平方厘米大小的芯片上产生大约1亿个晶体管。而2013年12月，由台湾纳米设备实验室和应用研究实验室开发的“多鳍高度鳍场效应晶体管（multiple fin-height FinFET）”工艺技术可以在一平方厘米大小的芯片上多放2千万个晶体管。通过将电子产品的存储容量提高20%，或说是制造成本降低20%，可以大幅提高台湾半导体厂商的国际竞争力，并且这一研究成果会对半导体工业的发展产生巨大的影响。

在过去的20年，集成电路研发的结果普遍符合摩尔定律的预测，即芯片上容纳的晶体管的密度每隔18～24个月会翻倍。因为传统的平面场效应晶体管在物理上已经不能进一步缩小，新型的鳍场效应晶体管（FinFET）将是未来集成电路制造研发的主要关注点。这一新研发成果体现了创新的结构化思维，这是未来3D设计中必需的。

美国加州大学的集成电路设计方案

2013年10月，美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员设计并推出了一个集成电路设计方案，其中晶体管和连接器被整体放在石墨烯片上。这一演示声称为高效节能、灵活和透明的电子设备提供了可能性。

基于石墨烯的晶体管和连接器是很有前景的纳米技术，有可能解决传统基于硅的晶体管和金属互连器的问题。除了原子级薄和完好的表面，石墨烯具有可调谐的带隙，可以通过光刻草绘的模式进行调整，窄石墨烯带可以有半导体性，而更宽的石墨烯带有金属性。因此，相邻的石墨烯带可以从相同的起始材料着眼，以无缝的方式和较低的界面/接触电阻同时设计有源和无源器件。相比于目前的CMOS技术，加州大学提出的全石墨烯电路可以达到高1.7 X的噪音容限和低1～2个数量级的静态功耗。

以色列的简单磁化进程

为实现计算速度的大幅度提高，科学家们正在开发高速、低功耗的、更小的、更密集的存储设备。2013年8月，耶路撒冷希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）和以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的研究人员开发一种简单的磁化进程，称为无磁旋转存储器（magnetless spin memory ，MSM），据称能让内存设备中无需使用永久磁铁，从而能让存储器单位微化到单个纳米粒子。

新的无磁旋转存储器技术通过一种手性材料（一种分子中没有旋转或反射对称的材料）驱动电流，并且有选择性地将电子传输到磁化的纳米磁性层或纳米粒子中。与集成电路制造技术兼容，它可以实现廉价、高密度的通用存储器芯片生产。由于概念验证设备已经被设计和测试，无磁旋转存储器有潜力成为新一代更快、 更小和更便宜的存储技术的基础。

TowerJazz公司的W波段集成电路

IEEE国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）是最负盛名的IEEE技术论坛，一直是全球大学和高科技公司展示集成电路设计最新进展的最大的技术论坛。在2014年2月的ISSCC上，全球专业晶圆代工的领先者TowerJazz公司宣布，由美国加州大学Irvine分校（UCI）纳米通信集成电路 （Nanoscale Communication Integrated Circuits，NCIC）实验室的研究人员开发、并使用TowerJazz公司先进的0.18μm SiGe BiCMOS工艺制造的成像接收器芯片是世界上最复杂的W波段（75-110 GHz）成像集成电路。它由9元完全集成的直接检测型接收器阵列组成，具有最低的噪声温度和最高的性能。

这一完全集成的接收器使用了毫米波（millimeter-wave，MMW）成像应用的新概念——空间重叠超级像素，该概念通常用于隐形武器探测、低能见度条件下的飞机导航和卫星侦查等。空间重叠超级像素的新型应用的结果是改善了像素级别的信噪比，具有补偿由于天线远离中心点的偏焦作用引起的系统相位延迟和幅度变化的能力，能够补偿阵列元素之间的相互耦合效应，并能在射频域处理信号。如果将该芯片的超级性能商业化，则意味着该成像芯片将在所有安全/监控应用的商业产品中具有最好的图像分辨率。

光子集成电路

电子集成电路可以说是20世纪最重要的技术。除其他事项以外，它实现了计算机行业的大发展，以前所未有的程度改变了我们的工作和生活方式。与这些器件的光子等价器件也在发展，并且被广泛应用于操纵和控制光纤维中的信号，但却还没有充分发挥其潜力。

2013年11月，位于Pasadena的美国加州理工学院的研究人员称，他们已经制造了第一个这类装置，这一光子集成电路具有用于激光波导的氮化硅制成的光子晶体，并将光子晶体集成到一个能提供铯原子的系统中，其结果是生成能够操纵单个铯原子的集成电路。纳米光子学与原子物理的整合一直是个长期追求的目标，它将能开辟光学物理的新天地。加州理工学院的这一理论验证性装置或许可以开创新一代的纳米光子技术实验。同时，这种装置将是构建量子计算和通信的重要的高质量基块，因为原子可以存储和操纵由光子携带的信息。

光子集成电路是一项突破性的技术，它使用光子（光的最小单位）作为数据载体，而不是像电子集成电路中那样使用电子。光子集成电路被广泛应用于以非常高的速度传输大量的数据。因此，基于光子集成电路的产品主要应用在光纤通信领域。因为光子集成电路在系统的体积、功耗、可靠性和成本等方面有显著改善，因此其市场正在以惊人的速度增长。

目前，北美地区是基于光子集成电路产品的最大的市场，特别是在数据中心和光纤通信中的广域网应用。然而，亚太区是目前光纤通信接入网络的最大应用市场，北美是光子集成电路市场的领导者，占有49%的市场份额，但预计到2022年，亚太地区会成长为市场的领先者。

光学传感器是这个市场上一个极具前景的应用，它被用于国防、航空航天、能源、交通、医药和其他新兴领域中。量子计算是光子集成电路的另一个应用，预计将在2017年商业化，该技术有望彻底改变计算行业。光子集成电路还被应用于生物医学领域。基于磷化铟的特别的光子集成电路被应用于诊断分析不透明的皮肤组织，使用的主要技术是光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，OCT）或拉曼散射仪（Raman Scatterometry）。

由于集成电路产品走向更高的性能和能效，而产品上市时间在不断加快，同时新的集成电路设计也推进技术极限，在某些情况下甚至需要在制造中对某些进程模块进行特定的微调。因此，传统上被分离的设计和技术、设计/设备/工艺，已经越来越多地交织在一起，未来的集成电路工程师将需要更深刻地理解设计和技术之间的相互依赖关系。

集成电路行业的发展趋势是走向专业化的系统设计和制造外包，如无晶圆厂的设计室、晶圆代工、设计自动化工具/软件室和半导体加工设备供应商等。对于半导体行业而言，用3D集成电路满足互联网、显卡、无线和计算设备不断增长的需求相当具有挑战性，但时间会告诉我们一切。