隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，手機逐漸成為我們的個人標(biāo)配。手機的關(guān)鍵在于芯片，芯片的質(zhì)量很大程度上決定了手機的性能，可是手機芯片為什么這么貴呢？

芯片就像手機的大腦，我們將輸入信號作為原材料輸入手機，通過改變芯片內(nèi)部的走線、邏輯，就能對輸入信號實現(xiàn)不同的處理方式。 也正因此，手機芯片是當(dāng)今集成度超高的元器件，別看它只有一個指甲蓋的大小，里面可是包含了數(shù)十億晶體管呢，蘋果的A15仿生芯片包含了150億個晶體管，每秒可執(zhí)行15.8萬億次操作。 因此，無論是研發(fā)還是制造難度，大家都可想而知。

經(jīng)常會有新聞講某某公司在芯片方面投了多少億，文檔君覺得好多好多錢呀，可是了解下去發(fā)現(xiàn)，這么多錢竟然只夠公司燒一年？今天我們就從芯片的研發(fā)與生產(chǎn)兩個方面來看看，手機芯片是如何產(chǎn)生的？為啥那么貴？ 一款芯片從無到有，要經(jīng)歷兩大階段：研發(fā)環(huán)節(jié)和制造環(huán)節(jié)。

芯片研發(fā) 芯片的研發(fā)流程大致可分為：

IP（知識產(chǎn)權(quán)）采購

前端設(shè)計

驗證

DFT（可測試性設(shè)計）設(shè)計

后端設(shè)計

封裝設(shè)計

回片測試

其中，前端設(shè)計、驗證、DFT設(shè)計、后端設(shè)計、封裝設(shè)計等過程需要大量的研發(fā)人員的人力投入和不同團隊的分工合作。

芯片制造 比起芯片的研發(fā)，芯片制造的難度更大，技術(shù)壁壘更高。 芯片的生產(chǎn)與制造可以大體分為晶圓制造、晶圓光刻顯影和刻蝕、摻加雜質(zhì)和封裝測試四個步驟。 晶圓制造 晶圓是制造芯片的物質(zhì)基礎(chǔ)，由石英砂精煉得來，晶圓是從99.99%的純硅圓柱體（也叫“硅錠”）上切下來的（以半導(dǎo)體制造中最常用的尺寸12寸為例，由于芯片的尺寸各不相同，從12英寸的晶圓上可分割出來幾十個到數(shù)千個芯片），并被打磨得極為光滑，然后再根據(jù)結(jié)構(gòu)需求將導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體材料薄膜沉積到晶圓上。當(dāng)前我國具備一定的晶圓制造能力，基本上可以實現(xiàn)國產(chǎn)自用。

晶圓光刻顯影和刻蝕

光刻技術(shù)決定了芯片上的晶體管可以做到多小。晶圓被放入***中，暴露在深紫外光（DUV）下。光線通過掩模版投射到晶圓上，***的光學(xué)系統(tǒng)（DUV系統(tǒng)的透鏡）將掩模版上設(shè)計好的電路圖案縮小并聚焦到晶圓上的光刻膠。

光刻膠，又稱光致抗蝕劑，是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。

當(dāng)光線照射到光刻膠上時，會產(chǎn)生化學(xué)變化，將掩模版上的圖案印制到光刻膠涂層上。



刻蝕是為了去除退化的光刻膠，以顯示出預(yù)期的圖案。 在刻蝕過程中，晶圓被烘烤和顯影，光刻膠被洗掉，顯示出一個開放通道的3D圖案。 先進(jìn)的刻蝕技術(shù)使芯片制造商能夠使用雙倍、四倍和基于間隔的圖案來創(chuàng)造出現(xiàn)代芯片設(shè)計的微小尺寸。像3D NAND這種高達(dá)175層的空腔結(jié)構(gòu)的芯片設(shè)計，需要保證空腔深度完全正確，刻蝕過程格外困難。

通過***對指定位置進(jìn)行刻蝕，這一過程極為精密和復(fù)雜，實際上世界上只有荷蘭 ASML 公司有能力制造昂貴的***，其 7nm ***售價高達(dá) 1 億美元 。

摻加雜質(zhì)

摻加雜質(zhì)可以增加立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，越是復(fù)雜的集成電路，其立體結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，摻加雜質(zhì)的步驟也就越復(fù)雜。集成電路的基礎(chǔ)是 PN 結(jié)，要想形成 PN 結(jié)，就必須在不同的晶圓里摻加不同的雜質(zhì)（本質(zhì)上而言是加入 P、N 型雜質(zhì)，改變其導(dǎo)電性質(zhì)）。

PN結(jié)：采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，是電子技術(shù)中許多器件所利用的特性，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。

封裝測試

在封裝過程中，為了把芯片從晶圓上取出來，要用金剛石鋸將其切成單個芯片。從晶圓上分割出來的芯片又稱為“裸晶”，隨后會被放置在“基板”上——這種基板使用金屬箔將裸晶的輸入和輸出信號引導(dǎo)到系統(tǒng)的其他部分。然后我們會為它蓋上具有“均熱片”的蓋子，均熱片是一種小的扁平狀金屬保護容器，里面裝有冷卻液，確保芯片可以在運行中保持冷卻。

經(jīng)過上述流程，芯片制造商就完成了從版圖到芯片實體的流程，但芯片能否具體工作，其電氣性能是否達(dá)標(biāo)，還需要完成測試才能確定。

因此，芯片制造廠商均需要一批后端測試人員對芯片的性能進(jìn)行測試。

當(dāng)然，半導(dǎo)體制造涉及到的步驟遠(yuǎn)不止這些，芯片還要經(jīng)過測量檢驗、電鍍、測試等更多環(huán)節(jié)，每塊芯片在成為電子設(shè)備的一部分之前都要經(jīng)過數(shù)百次這樣的過程。

研發(fā)成本 了解了芯片的研發(fā)和制造過程，文檔君帶大家繼續(xù)了解一下芯片為啥這么燒錢呢？

芯片的研發(fā)成本主要包含IP采購、前端設(shè)計、驗證、DFT設(shè)計、后端設(shè)計、封裝設(shè)計、回片測試等部分費用。

IP采購

IP采購是芯片研發(fā)中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。 費用模式通常分為一次性授權(quán)、產(chǎn)品單獨授權(quán)，或者兩者疊加起來。

例如，手機處理器芯片、AI芯片等都需要集成CPU模塊，目前國內(nèi)大部分芯片設(shè)計公司都采購ARM的CPU核。 IP核，全稱知識產(chǎn)權(quán)核 (intellectual property core)，是指某一方提供的、形式為邏輯單元、芯片設(shè)計的可重用模塊。

回片測試 回片測試包含測試硬件、RA（Reliability Test，可靠性測試）實驗、ATE（Automatic Test Equipment，集成電路自動測試設(shè)備）機臺使用以及研發(fā)人力投入等成本。

其他 前端設(shè)計、驗證、DFT設(shè)計、后端設(shè)計、封裝設(shè)計支出主要以研發(fā)人員的人力投入為主，此外還包含EDA軟件的使用費、FPGA和Zebu等驗證平臺的硬件費用。

生產(chǎn)成本 芯片生產(chǎn)成本主要包括流片、晶圓、CP（Chip Probe，晶圓）測試、封裝、FT（Final Test，最終測試）、SLT（System Level Test，系統(tǒng)級測試）等，其中大部分集中在流片和晶圓。

流片成本

流片，是指像流水線一樣通過一系列工藝步驟制造芯片，在集成電路設(shè)計領(lǐng)域，“流片”指的是“試生產(chǎn)”。

一次性費用，按照掩膜版層數(shù)計算。 在芯片設(shè)計完成后，會生產(chǎn)復(fù)雜的圖形文件，一般來說會有幾十層到上百層。這些圖形文件需要在光罩廠做掩膜版。 工藝節(jié)點越高，流片價格越貴，因為高工藝需要更多的掩膜版。在16 nm制程上，需要大約60張，而7nm可能就需要上百張。

目前最便宜的ASIC流片成本也需要幾十萬一次，180nm的流片成本大概是50萬元，55nm的成本約200萬元。但是16nm的成本就飆升到了3000萬-5000萬元，到了7nm最低也要過億。

但到了量產(chǎn)階段，尤其是產(chǎn)品的出貨量比較大，一次性流片費用平攤到數(shù)十萬顆芯片上時，相對成本就低了很多。

晶圓成本

按照出貨片數(shù)每片計算。

晶圓價格也是按照工藝節(jié)點區(qū)分的。臺積電12寸晶圓40nm成本每片大約在1500～2000美元，16nm成本每片大約在4000～5000美元之間，7nm成本每片大約在9300美元左右，5nm代工價格約為17000美元，3nm價格預(yù)計會達(dá)到30000美元左右。





審核編輯：劉清