集成電路發(fā)展趨勢

　　1、國內外技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　目前，以集成電路為核心的電子信息產業(yè)超過了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產業(yè)，成為改造和拉動傳統(tǒng)產業(yè)邁向數(shù)字時代的強大引擎和雄厚基石。1999年全球集成電路的銷售額為1250億美元，而以集成電路為核心的電子信息產業(yè)的世界貿易總額約占世界GNP的3%，現(xiàn)代經濟發(fā)展的數(shù)據表明，每l~2元的集成電路產值，帶動了10元左右電子工業(yè)產值的形成，進而帶動了100元GDP的增長。目前，發(fā)達國家國民經濟總產值增長部分的65%與集成電路相關；美國國防預算中的電子含量已占據了半壁江山（2001年為43.6%）。預計未來10年內，世界集成電路銷售額將以年平均15%的速度增長，2010年將達到6000~8000億美元。作為當今世界經濟競爭的焦點，擁有自主版權的集成電路已曰益成為經濟發(fā)展的命脈、社會進步的基礎、國際競爭的籌碼和國家安全的保障。

　　集成電路的集成度和產品性能每18個月增加一倍。據專家預測，今后20年左右，集成電路技術及其產品仍將遵循這一規(guī)律發(fā)展。 集成電路最重要的生產過程包括：開發(fā)EDA（電子設計自動化）工具，利用EDA進行集成電路設計，根據設計結果在硅圓片上加工芯片（主要流程為薄膜制造、曝光和刻蝕），對加工完畢的芯片進行測試，為芯片進行封裝，最后經應用開發(fā)將其裝備到整機系統(tǒng)上與最終消費者見面。 20世紀80年代中期我國集成電路的加工水平為5微米，其后，經歷了3、1、0.8、0.5、0.35微米的發(fā)展，目前達到了0.18微米的水平，而當前國際水平為0.09微米（90納米），我國與之相差約為2-3代。

　?。?）設計工具與設計方法。隨著集成電路復雜程度的不斷提高，單個芯片容納器件的數(shù)量急劇增加，其設計工具也由最初的手工繪制轉為計算機輔助設計（CAD），相應的設計工具根據市場需求迅速發(fā)展，出現(xiàn)了專門的EDA工具供應商。目前，EDA主要市場份額為美國的Cadence、Synopsys和Mentor等少數(shù)企業(yè)所壟斷。中國華大集成電路設計中心是國內唯一一家EDA開發(fā)和產品供應商。

　　由于整機系統(tǒng)不斷向輕、薄、小的方向發(fā)展，集成電路結構也由簡單功能轉向具備更多和更為復雜的功能，如彩電由5片機到3片機直到現(xiàn)在的單片機，手機用集成電路也經歷了由多片到單片的變化。目前，SoC作為系統(tǒng)級集成電路，能在單一硅芯片上實現(xiàn)信號采集、轉換、存儲、處理和I/O等功能，將數(shù)字電路、存儲器、MPU、MCU、DSP等集成在一塊芯片上實現(xiàn)一個完整系統(tǒng)的功能。它的制造主要涉及深亞微米技術，特殊電路的工藝兼容技術，設計方法的研究，嵌入式IP核設計技術，測試策略和可測性技術，軟硬件協(xié)同設計技術和安全保密技術。SoC以IP復用為基礎，把已有優(yōu)化的子系統(tǒng)甚至系統(tǒng)級模塊納入到新的系統(tǒng)設計之中，實現(xiàn)了集成電路設計能力的第4次飛躍。

　　（2）制造工藝與相關設備。集成電路加工制造是一項與專用設備密切相關的技術，俗稱“一代設備，一代工藝，一代產品”。在集成電路制造技術中，最關鍵的是薄膜生成技術和光刻技術。光刻技術的主要設備是曝光機和刻蝕機，目前在130nm的節(jié)點是以193nmDUV（Deep Ultraviolet Lithography）或是以光學延展的248nmDUV為主要技術，而在l00nm的節(jié)點上則有多種選擇：157nm DIJV、光學延展的193nm DLV和NGL.在70nm的節(jié)點則使用光學延展的157nm DIJV技術或者選擇NGL技術。到了35nm的節(jié)點范圍以下，將是NGL所主宰的時代，需要在EUV和EPL之間做出選擇。此外，作為新一代的光刻技術，X射線和離子投影光刻技術也在研究之中。

　?。?）測試。由于系統(tǒng)芯片（SoC）的測試成本幾乎占芯片成本的一半，因此未來集成電路測試面臨的最大挑戰(zhàn)是如何降低測試成本。結構測試和內置自測試可大大縮短測試開發(fā)時間和降低測試費用。另一種降低測試成本的測試方式是采用基于故障的測試。在廣泛采用將不同的IP核集成在一起的情況下，還需解決時鐘異步測試問題。另一個要解決的問題是提高模擬電路的測試速度。

　?。?）封裝。電子產品向便攜式/小型化、網絡化和多媒體化方向發(fā)展的市場需求對電路組裝技術提出了苛刻需求，集成電路封裝技術正在朝以下方向發(fā)展：

　　①裸芯片技術。主要有COB（ChipOI1Board）技術和Flip Chip（倒裝片）技術兩種形式。

　?、谖⒔M裝技術。是在高密度多層互連基板上，采用微焊接和封裝工藝組裝各種微型化片式元器件和半導體集成電路芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三維立體機構的高級微電子組件的技術，其代表產品為多芯片組件（MCM）。

　?、蹐A片級封裝。其主要特征是：器件的外引出端和包封體是在已經過前工序的硅圓片上完成，然后將這類圓片直接切割分離成單個獨立器件。

　　④無焊內建層（Bumpless Build-Up Layer， BBLIL）技術。該技術能使CPIJ內集成的晶體管數(shù)量達到10億個，并且在高達20GHz的主頻下運行，從而使CPU達到每秒1億次的運算速度。此外，BBUL封裝技術還能在同一封裝中支持多個處理器，因此服務器的處理器可以在一個封裝中有2個內核，從而比獨立封裝的雙處理器獲得更高的運算速度。此外，BBUL封裝技術還能降低CPIJ的電源消耗，進而可減少高頻產生的熱量。

　?。?）材料。集成電路的最初材料是鍺，而后為硅，一些特種集成電路（如光電器件）也采用三五族（如砷化鎵）或二六族元素（如硫化鎘、磷化銦）構成的化合物半導體。由于硅在電學、物理和經濟方面具有不可替代的優(yōu)越性，故目前硅仍占據集成電路材料的主流地位。鑒于在同樣芯片面積的情況下，硅圓片直徑越大，其經濟‘性能就越優(yōu)越，因此硅單晶材料的直徑經歷了1、2、3、5、6、8英寸的歷史進程，目前，國內外加工廠多采用8英寸和12英寸硅片生產，16和18英寸（450mm）的硅單晶及其設備正在開發(fā)之中，預計2016年左右18英寸硅片將投入生產。

　　此外，為了適應高頻、高速、高帶寬的微波集成電路的需求，SoI （Silicon-on-Insulator）材料，化合物半導體材料和鍺硅等材料的研發(fā)也有不同程度的進展。

　?。?）應用。應用是集成電路產業(yè)鏈中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是集成電路最終進入消費者手中的必經之途。除眾所周知的計算機、通信、網絡、消費類產品的應用外，集成電路正在不斷開拓新的應用領域，諸如微機電系統(tǒng)，微光機電系統(tǒng)，生物芯片（如DNA芯片），超導等。這些創(chuàng)新的應用領域正在形成新的產業(yè)增長點。

　　（7）基礎研究。基礎研究的主要內容是開發(fā)新原理器件，包括：共振隧穿器件（RTD）、單電子晶體管（SET）、量子電子器件、分子電子器件、自旋電子器件等。技術的發(fā)展使微電子在21世紀進入了納米領域，而納電子學將為集成電路帶來一場新的革命。

　　2 我國集成電路產業(yè)現(xiàn)狀

　　我國集成電路產業(yè)起步于20世紀60年代，2001年全國集成電路產量為64億塊，銷售額200億元人民幣。2002年6月，共有半導體企事業(yè)單位（不含材料、設備）651家，其中芯片制造廠46家，封裝、測試廠108家，設計公司367家，分立期間廠商130家，從業(yè)人員11.5萬人。設計能力0.18~0.25微米、700萬門，制造工藝為8英寸、0.18~0.25微米，主流產品為0.35~0.8微米。

　　與國外的主要差距：一是規(guī)模小，2000年，國內生產的芯片銷售額僅占世界市場總額的1.5%，占國內市場的20%;二是檔次低，主流產品加工技術比國外落后兩代；三是創(chuàng)新開發(fā)能力弱，設計、工藝、設備、材料、應用、市場的開發(fā)能力均不十分理想，其結果是今天受制于人，明天后勁乏力；四是人才欠缺。

　　總之，我國絕大多數(shù)電子產品仍處于流通過程中的下端，多數(shù)組裝型企業(yè)扮演著為國外集成電路廠商打工的角色，這種脆弱的規(guī)模經濟模式，因其附加值極低，致使諸多產量世界第一的產品并未給企業(yè)和國家?guī)砜捎^的收益，反而使掌握關鍵技術的競爭者通過集成電路打入中國市場，攫取了絕大部分的利潤。