Quy trình thiết kế IC và sản xuất IC

Thiết kế IC, hay sản xuất IC là những cụm từ quá phổ biến cho các kỹ sư. Tuy nhiên, quy trình quy trình sản xuất nó thì rất hiếm người biết và hiểu một cách sâu sắc.

Tại bài viết này, Vietbay sẽ chỉ cho bạn tất tần tật những bước để thiết kế và sản xuất IC như thế nào. Tìm hiểu thông tin ngay dưới đây nhé!!!

1. Lịch sử phát triển của IC

Lịch sử phát triển của vi mạch tích hợp IC đã bắt đầu xuất hiện từ thập kỷ 50 của thế kỷ 20. Nó bắt đầu từ sự phát minh đầu tiên ra transistor của phòng thí nghiệm Bell vào năm 1947 giúp thay thế cho các bóng bán dẫn có kích thước lớn được sử dụng trước đó trong các mạch điện tử. Sau đó các mạch điện tử được thực hiện bằng cách sản xuất các linh kiện rời rạc và tích hợp chúng lại với nhau. Đến năm 1958 Jack Kilby và Robert Noyce đã công bố thực hiện các mạch điện trên một khối bán dẫn đầu tiên được gọi là vi mạch tích hợp đầu tiên. Và ông đã đoạt giải Nobel vào năm 2000.

Trải qua thời gian phát triển, vi mạch điện tử đã có sự phát triển bùng nổ đáng kinh ngạc. Từ những mạch tích hợp chỉ chứa vài chục Transistor gọi là Small-Scale integration (1960) cho đến mạch tích hợp chứa hàng triệu thậm chí là hàng tỷ Transistor gọi là các vi mạch VLSI-Very Large-Scale integration (1980) hoặc ULSI-Ultra Large-Scale integration. Và đây cũng là những tên gọi hay được sử dụng ngày nay.

2. Các loại IC

Có 2 loại IC chính được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm Analog IC (IC tương tự hay còn gọi là IC tuyến tính) và Digital IC (IC Số). Đối với Analog IC cả hai tín hiệu đầu vào và đầu ra đều liên tục. Mức tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào mức tín hiệu đầu vào và mức tín hiệu đầu ra là hàm tuyến tính của mức tín hiệu đầu vào. IC tuyến tính hoặc IC tương tự được sử dụng phổ biến nhất làm bộ khuếch đại tần số âm thanh và bộ khuếch đại tần số vô tuyến. Op amp, bộ điều chỉnh điện áp, bộ so sánh và bộ định thời cũng là những ví dụ điển hình về IC tuyến tính hoặc IC analog.

Digital IC là các mạch tích hợp làm việc với các tín hiệu đầu ra là dạng số nhị phân 0 và 1. Các cổng logic như cổng AND, cổng OR, cổng NAND, cổng XOR, flip-flop, bộ đếm; bộ vi xử lý là một số ví dụ điển hình về IC kỹ thuật số.

3. Quy trình thiết kế và sản xuất IC

Thông thường quy trình thiết kế IC và sản xuất IC được thực hiện bởi các bước như dưới đây tương ứng các giai đoạn: Front-End và Back-End, manufacturing and test và packaging

3.1 Thiết kế kiến trúc – Architectural design

Trước tiên các nhà thiết kế cần xây dựng ý tưởng và định nghĩa chức năng của IC. Các IC được thực hiện thiết kế dưới dạng mô tả ngôn ngữ phần cứng (Hardware description langue-HDL). Ở giai đoạn này các IC được định nghĩa dưới dạng sơ đồ khối, kết hợp ngôn ngữ mô tả phần cứng để thiết kế sơ đồ chức năng của IC. Các ngôn ngữ mô tả phần cứng thường được hay sử dụng chẳng hạn như Verilog hoặc System Verilog. Các công cụ phân tích đánh giá cũng được thực hiện ở giai đoạn này để đảm bảo IC hoạt động đúng chức năng. Giai đoạn này cũng được gọi là thiết kế RTL (Register transfer level).

Có rất nhiều các phần mềm khác nhau hỗ trợ cho giai đoạn thiết kế kiến trúc chẳng hạn như: các phần mềm Catapult HLS hoặc 3D IC của Siemens EDA (Mentor Graphic)

3.2 Logic design and Verification

Sau khi hoàn thiện thiết kế dạng sơ đồ chức năng, các thiết kế được tiến hành mô tả kết nối thông qua các cổng kết nối logic (gate logic). Ở giai đoạn này các thành phần được kết nối. Ở bước này các khối xây dựng cấp vĩ mô được lắp ráp và kết nối với nhau để thực hiện chức năng cần thiết của IC. Thông thường, các khối xây dựng có sẵn sẽ được sử dụng. Chẳng hạn như bộ nhớ, bộ xử lý và cảm biến.

Các mô tả chức năng cấp cao của các phần tử mạch được phân tách thành các phần tử mạch cấp thấp cần thiết. Quá trình này được tự động hóa bằng phần mềm gọi là tổng hợp logic (Synthesis). Bộ sưu tập các thiết bị được mô phỏng để xác minh chức năng của thiết kế. Bộ mô phỏng logic kỹ thuật số hoặc bộ mô phỏng mạch tương tự sẽ được sử dụng, tùy thuộc vào mức độ chi tiết mô phỏng được yêu cầu. Nếu cần sửa đổi các khối xây dựng ở cấp độ vĩ mô để đạt được yêu cầu của IC thì các kỹ thuật thiết kế mạch tùy chỉnh sẽ được sử dụng.

Trong bước này, “cách thức” triển khai chip bắt đầu được xác định.

Có thể sử dụng các phần mềm chẳng hạn như Questa, Power pro, Tessent để thực hiện thiết kế các sơ đồ logic của IC và sử dụng AFS, Questa, Sympony, modelsim…. Để mô phỏng phân tích IC

3.3 Thiết kế vật lý – Physical Design

Trong bước này, bố cục thực tế của các hình dạng được kết nối với nhau thực hiện tất cả các phần tử mạch cần thiết trên tấm bán dẫn silicon sẽ được tạo ra. Quá trình này bắt đầu với một “sơ đồ mặt bằng-Floor Plan” của chíp. Ở bước này các thành phần, cụm thành phần của IC sẽ được bố cục trên một đế bán dẫn xác định. Xác định vị trí đặt từng chức năng chính của chip và vị trí đặt các cổng đầu vào và đầu ra chính của thiết kế. Tiếp theo là bước đặt vị trí các cổng (placement). Ở bước này cần sắp xếp vị trí kết các cổng kết nối logic sao cho tối ưu nhất, Sau đó, các phần tử mạch cuối cùng được định tuyến kết nối với nhau (routing) để chuẩn bị cho quá trình sản xuất.

Có rất nhiều các công cụ phần mềm khác nhau của Siemens EDA hỗ trợ cho quá trình thiết kế vật lý chẳng hạn như Aprisa, Calibre, Tanner, Precision

3.4 Kiểm tra vật lý – Physical Verification

Các yếu tố ảnh hưởng liên quan đến quá trình sản xuất và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của IC được quan tâm và xem xét ở bước này. Chẳng hạn như điện trở, nhiễu xuyên tâm, các quy tắc điện… Để đảm bảo rằng IC có thể hoạt động tốt trong điều kiện thực tế sau khi sản xuất. Đồng thời kiểm tra các yếu tố ảnh hướng đến sản xuất để đảm bảo.

Các thiết kế IC sau khi thiết kế xong có thể đảm bảo sản xuất được (DFM) cũng phải được tính toán và phân tích ở bước này. Sau khi được phân tích đánh giá có thể tiến hành bước tạo mặt nạ mask và cuộn phim. Các tấm phim sẽ được gửi xuống nhà máy sản xuất để tạo ra các IC trên đế bán dẫn. Các tấm phim này được thực hiện trên các cuộn băng từ.

Các phần mềm hỗ trợ cho quá trình xác minh vật lý của Siemens EDA chẳng hạn như Calibre, Tessent, mPower

3.5 Sản xuất chíp

Sau khi hoàn thiện thiết kế, các dữ liệu thiết kế IC được xuất ra dưới dạng cuộn từ có chứa các hình ảnh và các thông tin liên quan khác,. Dữ liệu được chuyển xuống quá trình sản xuất được thực hiện qua nhiều công đoạn. Trong đó bao gồm các công đoạn chính là ra lõi chíp trên wafer và sau đó các lõi chịp được cắt riêng. Và mỗi lõi chíp được tạo trong một vỏ để thành chip hoàn thiện (IC Packaging).