集成電路的發展趨勢和關鍵技術

張慶利

（深圳市高辰泰電子科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 集成電路產業的發展趨勢

（1）集成電路產品結構優化速度下降。由世界半導體貿易統計組織（WSTS）發布的統計數據可以看出，全球大規模集成電路產品銷售額占所有半導體產品銷售額的80%。然而，與2018年的銷售額相比，2019年的銷售額比例下降了3.1%，改變了此前這一銷售比例呈持續增長的趨勢。其主要有以下兩個原因:①在智能物聯網設備等新興電子應用和場景技術開發階段的早期，對高端半導體分離器件、半導體光電子器件、半導體超敏感功能器件材料等半導體產品技術的應用需求明顯增加所致；②智能終端產業創新進程的步伐開始放緩，導致了其他相關集成電路產品應用的需求降低。

從半導體和集成電路行業的內部產品結構分析，存儲器和邏輯電路之間的銷售份額差距開始縮小。在2018年，存儲器的銷售份額超越邏輯電路的銷售份額，占行業銷售額的40.2%；2019年存儲器的銷售份額占行業銷售額的32.5%；近幾年，邏輯電路產品的銷售比例基本穩定在30%左右，而微器件和模擬電路器件的銷售比在16%～20%。高科技存儲器銷售比例的逐年下降表明，集成電路行業高級化產品結構的步伐已經放緩。

（2）中國集成電路產業的發展。在合格的IC 產業中，完整的集成電路價值鏈應該由工藝設計、生產、開發、EDA 工具和測試服務組成。在整個嵌入式IC價值鏈中，利潤最高的是設計和產品營銷。封裝測試技藝因其工藝難度小、投資范圍小、回收周期短等優點，長期以來在中國IC 產業鏈中占有較大份額。中國通過提高IC 產業設計水平，使設計環節營收在集成電路產業鏈各方面的比重從2010年的27%上升到2015年的37%。

（3）美國領先集成電路研發設計產業，掌握產業鏈核心環節。據知名分析機ICInsights 統計，2018年全球的集成電路設計行業總產值已達到1094億美元，同比增長8.2%（如圖1所示）。其中，美國IC 設計行業總產值的年度營業額總計約為743.9億美元，占了全球所有IC 設計行業總價值的68%，位居世界領先地區之列。根據DIGITIMESResearch 市場研究機構調查數據，全球前十大的集成電路芯片設計研發公司排行榜中有接近一半或以上的是來自美國集成電路公司。集成電路設計行業的主要環節，市場上主流的指令系統框架如MIPS、PowerPC、SPARC 和RISC-V 等，屬于或由美國公司和研究機構主導。

圖1 2010—2018年世界集成電路設計業銷售收入規模及發展情況

（4）中國集成電路市場發展持續增長。雖然中國半導體市場的增幅略低于其他地區，但中國的市場規模在過去3年中也保持了較高的增長率，特別是2016—2017年，增長率達到18.9%，增長最快的是儲存器。其主要應用領域是網絡通信、計算機、消費電子等。表1顯示了2015—2019年中國集成電路市場的規模和增長情況。

表1 中國集成電路市場規模及增長

在2010—2020年，中國集成電路市場價格的年均復合增長率高達7.58%，高于世界增長率的4.95%。2018年，中國的半導體市場規模所占比例為同期世界的48.9%，表明中國已正式成為當前世界最大規模的半導體消費國。這也為中國半導體市場的發展帶來了良好的機遇。近年來，中國大規模集成電路產業雖然發展迅速，但仍與其他國家存在較大差距。

隨著技術的快速進步和產品的快速更新，人們對電子產品質量的要求開始增加，集成電路產業呈現出從單一技術創新向系統化多技術集成創新轉變的趨勢。從目前國際發展的形式來看，我國集成電路產業發展和競爭力的必要基礎需依托于完整產業鏈的整合和完善提高。從中國集成電路產業發展的現狀來看，雖然整個產業的發展已經初具規模，但產業鏈的整合還比較薄弱和不完善。

2 發展集成電路產業的重要性

在信息時代背景下，集成電路產業的發展開始作為全世界評價整體國力的重要指標。隨著微電子技術的進步，信息時代推動著世界GDP 的快速增長。隨著并購范圍的拓展，減少了集成電路廠家和供貨商的數量，使得整個IC 市場的供需基礎也出現了很大改變。合并與收購企業數量的上升造成了“強者越強，弱者易敗”的惡性循環狀況，而行業集中度與產品成熟度的提升，直接支撐著全國GDP 的整體提升以及企業IC 內部與市場間更密切的聯系。集成電路市場正逐步發展成為消費主導型市場。20年前，約60%的IC 市場用于商業應用，40%的市場用于消費者。然而，這些數據發生了逆轉，隨著以消費者為導向的IC 市場的蓬勃發展，全球GDP 水平在IC 市場預測中扮演著日益關鍵的角色。

5G 通信的發展有助于下游集成電路產業的繁榮。相較于4G，5G 通信具有更好的用戶體驗、更低的延遲、更高的設備連接密度、更高的傳輸速率等特點。5G 的3種應用場景分別是提升移動帶寬、高可靠性、低延遲連接。2020年6月6日，中國工業和信息化部向中國電信、中國移動和中國廣播電視臺頒發了5G業務許可證，標志著中國5G 業務進入了一個新階段。商業許可證的頒發將加快商業網絡的建設和相關終端的開發生產。

未來，集成電路產業始終是國家信息技術產業的主要核心，加快全國大型集成電路產業的跨越式發展，不僅要確保我國集成電路核心技術的發展水平穩步提高，而且要提高核心競爭力優勢。

3 集成電路關鍵技術

3.1 集成電路的ESD防護關鍵技術

靜電放電問題經常發生在集成電路中，其機理相對簡單。在集成電路的運行過程中，會產生不同的電子引力，并且在集成電路中的不同物質分離和接觸的過程中也會產生摩擦電荷。這些電荷的電量相對較大，如果系統無法快速有效地中和它們，將進一步增加集成電路中的電荷數量，最終導致集成電路中的高壓環境，導致靜電放電，即ESD 現象。

在集成電路的生產過程中，靜電放電會給集成電路帶來不同程度的損壞。目前，全球集成電路制造技術已朝著納米化方向發展。過去的一些生產工藝會對集成電路產生靜電放電現象，降低對ESD 現象的防護能力，進而影響集成電路的耐久性和產品質量。

目前，安全芯片防護技術已成為集成電路設計和制造過程中的常用技術。在全芯片保護技術中，通過在PAD 周圍安裝防護電路保護集成電路，提高了集成電路的靜電保護性能。為了避免對集成電路造成重大損壞，提高ESD 集成電路的保護水平。在集成電路ESD 防護技術中，通常在PAD 周圍設置ESD 保護電路。雖然這種方法在一定程度上提高了ESD 保護能力，但并不能解決集成電路中的電路損壞問題。因此，使用安全芯片保護技術已成為集成電路生產中的關鍵技術。在安全芯片保護電路的技術方案中，必須使用電源鉗將保護芯片電路分為靜態電路和動態電路。通過靜態保護電路，保證了集成電路的高穩定工作電流特性，并預先設定了固定的觸發保護電壓，如果電流電壓超過觸發源電壓，靜電保護電路即將完全接通，從而將有效地釋放出靜電電流，激活保護裝置二極管內部的SCR 保護電路，并最終發揮其ESD 防護的效果。

3.2 低功耗集成電路技術

集成電路是指一種設計集成度比較強、內部元件結構復雜精密的微電子器件或元件，由于電源線路的設置、電流等級和輸入電壓、基底技術和工作環境等綜合因素，故障問題時常發生，使系統功能參數無法充分發揮重要作用，影響生產效率。由于電池內部電阻和電池外部電壓導致的瞬間充電或放電現象，在集成電路的實際應用中容易出現狀態轉換和高能耗現象。

有效地合理設計電源是低功耗集成電路實現高效連續運行能力的主要前提，集成電路功耗的持續優化調整可以確保每個集成電路時刻達到相對低功耗運行的良好狀態，功率的消耗是集成電路的每一個單位時間需要消耗大量的能源。要成功設計有效運行的低功耗集成電路，需要注意以下幾個方面：①需要有效合理控制芯片電源電壓，通過對各種集成電路相應系統的測試及操作可以獲取芯片電源電壓匹配的最佳狀態數據，通過對這些數據對集成電路關鍵技術進行優化，從而降低功耗。然而，無限期地使用電壓并不能大大降低集成電路的功耗。②有必要考慮制定更為合適和有效的整體解決方案，并最終優化系統電路結構，但仍有許多決定性因素最終影響整個集成電路的性能，如系統芯片的兼容性。③可以有效降低節點的轉換頻率，減少節點間的復雜電容，這是一種常見而有效的芯片優化方法，具有非常廣闊的實際應用空間和后續研發推廣價值，如開發更簡單、適用、高效的算法程序、結構劃分、邏輯結構等。以上3點可以同時作為集成電路研發中的重點突破口。明確芯片集成電路優化設計，第一步則是弄清集成電路系統的最主要目標和其主要功能。因此，在確定功能的前提下，有效減少算法的運算量，優化程序是非?？尚械?。

3.3 對準和鍵合

對準如果讀數不準確，易導致電路故障，降低集成電路產品可靠性。對準的工作準確性可以直接影響所有成品，為了保證集成電路的準確和控制，應該直接從對準器讀數和對準標志開始，盡可能確保證現場操作員良好的職業技能水平。銅是兩個設備層或晶圓的最佳連接選擇。在電路鍵合中，銅層也可以進行相互接觸擴散以完成鍵合過程。就整個集成電路質量情況而言，與晶圓表面的清潔溫度和鍵合時間的合理控制方式有關。一般來說，要保證完成鍵合，溫度控制應盡可能控制在300～400℃。三維集成電路主要的是在低溫低壓狀況下的鍵合方法。

4 結束語

目前，集成電路關鍵技術與產業發展已進入新岔路口，我國應充分吸收世界先進做法和成功經驗，尋求在集成電路領域的創新突破。集成電路領域在我國未來十年的高速發展階段中還將會積極結合國內外更廣泛開放的先進科學技術，形成一個新時期的新技術平臺和發展總方向，不斷大膽進行突破創新，推動國內傳統信息產業格局新的巨大改變，以更好促進了我國集成電路產業的高速發展態勢。