集成电路的发展趋势和关键技术

张庆利

（深圳市高辰泰电子科技有限公司，广东深圳 518000）

1 集成电路产业的发展趋势

（1）集成电路产品结构优化速度下降。由世界半导体贸易统计组织（WSTS）发布的统计数据可以看出，全球大规模集成电路产品销售额占所有半导体产品销售额的80%。然而，与2018年的销售额相比，2019年的销售额比例下降了3.1%，改变了此前这一销售比例呈持续增长的趋势。其主要有以下两个原因:①在智能物联网设备等新兴电子应用和场景技术开发阶段的早期，对高端半导体分离器件、半导体光电子器件、半导体超敏感功能器件材料等半导体产品技术的应用需求明显增加所致；②智能终端产业创新进程的步伐开始放缓，导致了其他相关集成电路产品应用的需求降低。

从半导体和集成电路行业的内部产品结构分析，存储器和逻辑电路之间的销售份额差距开始缩小。在2018年，存储器的销售份额超越逻辑电路的销售份额，占行业销售额的40.2%；2019年存储器的销售份额占行业销售额的32.5%；近几年，逻辑电路产品的销售比例基本稳定在30%左右，而微器件和模拟电路器件的销售比在16%～20%。高科技存储器销售比例的逐年下降表明，集成电路行业高级化产品结构的步伐已经放缓。

（2）中国集成电路产业的发展。在合格的IC 产业中，完整的集成电路价值链应该由工艺设计、生产、开发、EDA 工具和测试服务组成。在整个嵌入式IC价值链中，利润最高的是设计和产品营销。封装测试技艺因其工艺难度小、投资范围小、回收周期短等优点，长期以来在中国IC 产业链中占有较大份额。中国通过提高IC 产业设计水平，使设计环节营收在集成电路产业链各方面的比重从2010年的27%上升到2015年的37%。

（3）美国领先集成电路研发设计产业，掌握产业链核心环节。据知名分析机ICInsights 统计，2018年全球的集成电路设计行业总产值已达到1094亿美元，同比增长8.2%（如图1所示）。其中，美国IC 设计行业总产值的年度营业额总计约为743.9亿美元，占了全球所有IC 设计行业总价值的68%，位居世界领先地区之列。根据DIGITIMESResearch 市场研究机构调查数据，全球前十大的集成电路芯片设计研发公司排行榜中有接近一半或以上的是来自美国集成电路公司。集成电路设计行业的主要环节，市场上主流的指令系统框架如MIPS、PowerPC、SPARC 和RISC-V 等，属于或由美国公司和研究机构主导。

图1 2010—2018年世界集成电路设计业销售收入规模及发展情况

（4）中国集成电路市场发展持续增长。虽然中国半导体市场的增幅略低于其他地区，但中国的市场规模在过去3年中也保持了较高的增长率，特别是2016—2017年，增长率达到18.9%，增长最快的是储存器。其主要应用领域是网络通信、计算机、消费电子等。表1显示了2015—2019年中国集成电路市场的规模和增长情况。

表1 中国集成电路市场规模及增长

在2010—2020年，中国集成电路市场价格的年均复合增长率高达7.58%，高于世界增长率的4.95%。2018年，中国的半导体市场规模所占比例为同期世界的48.9%，表明中国已正式成为当前世界最大规模的半导体消费国。这也为中国半导体市场的发展带来了良好的机遇。近年来，中国大规模集成电路产业虽然发展迅速，但仍与其他国家存在较大差距。

随着技术的快速进步和产品的快速更新，人们对电子产品质量的要求开始增加，集成电路产业呈现出从单一技术创新向系统化多技术集成创新转变的趋势。从目前国际发展的形式来看，我国集成电路产业发展和竞争力的必要基础需依托于完整产业链的整合和完善提高。从中国集成电路产业发展的现状来看，虽然整个产业的发展已经初具规模，但产业链的整合还比较薄弱和不完善。

2 发展集成电路产业的重要性

在信息时代背景下，集成电路产业的发展开始作为全世界评价整体国力的重要指标。随着微电子技术的进步，信息时代推动着世界GDP 的快速增长。随着并购范围的拓展，减少了集成电路厂家和供货商的数量，使得整个IC 市场的供需基础也出现了很大改变。合并与收购企业数量的上升造成了“强者越强，弱者易败”的恶性循环状况，而行业集中度与产品成熟度的提升，直接支撑着全国GDP 的整体提升以及企业IC 内部与市场间更密切的联系。集成电路市场正逐步发展成为消费主导型市场。20年前，约60%的IC 市场用于商业应用，40%的市场用于消费者。然而，这些数据发生了逆转，随着以消费者为导向的IC 市场的蓬勃发展，全球GDP 水平在IC 市场预测中扮演着日益关键的角色。

5G 通信的发展有助于下游集成电路产业的繁荣。相较于4G，5G 通信具有更好的用户体验、更低的延迟、更高的设备连接密度、更高的传输速率等特点。5G 的3种应用场景分别是提升移动带宽、高可靠性、低延迟连接。2020年6月6日，中国工业和信息化部向中国电信、中国移动和中国广播电视台颁发了5G业务许可证，标志着中国5G 业务进入了一个新阶段。商业许可证的颁发将加快商业网络的建设和相关终端的开发生产。

未来，集成电路产业始终是国家信息技术产业的主要核心，加快全国大型集成电路产业的跨越式发展，不仅要确保我国集成电路核心技术的发展水平稳步提高，而且要提高核心竞争力优势。

3 集成电路关键技术

3.1 集成电路的ESD防护关键技术

静电放电问题经常发生在集成电路中，其机理相对简单。在集成电路的运行过程中，会产生不同的电子引力，并且在集成电路中的不同物质分离和接触的过程中也会产生摩擦电荷。这些电荷的电量相对较大，如果系统无法快速有效地中和它们，将进一步增加集成电路中的电荷数量，最终导致集成电路中的高压环境，导致静电放电，即ESD 现象。

在集成电路的生产过程中，静电放电会给集成电路带来不同程度的损坏。目前，全球集成电路制造技术已朝着纳米化方向发展。过去的一些生产工艺会对集成电路产生静电放电现象，降低对ESD 现象的防护能力，进而影响集成电路的耐久性和产品质量。

目前，安全芯片防护技术已成为集成电路设计和制造过程中的常用技术。在全芯片保护技术中，通过在PAD 周围安装防护电路保护集成电路，提高了集成电路的静电保护性能。为了避免对集成电路造成重大损坏，提高ESD 集成电路的保护水平。在集成电路ESD 防护技术中，通常在PAD 周围设置ESD 保护电路。虽然这种方法在一定程度上提高了ESD 保护能力，但并不能解决集成电路中的电路损坏问题。因此，使用安全芯片保护技术已成为集成电路生产中的关键技术。在安全芯片保护电路的技术方案中，必须使用电源钳将保护芯片电路分为静态电路和动态电路。通过静态保护电路，保证了集成电路的高稳定工作电流特性，并预先设定了固定的触发保护电压，如果电流电压超过触发源电压，静电保护电路即将完全接通，从而将有效地释放出静电电流，激活保护装置二极管内部的SCR 保护电路，并最终发挥其ESD 防护的效果。

3.2 低功耗集成电路技术

集成电路是指一种设计集成度比较强、内部元件结构复杂精密的微电子器件或元件，由于电源线路的设置、电流等级和输入电压、基底技术和工作环境等综合因素，故障问题时常发生，使系统功能参数无法充分发挥重要作用，影响生产效率。由于电池内部电阻和电池外部电压导致的瞬间充电或放电现象，在集成电路的实际应用中容易出现状态转换和高能耗现象。

有效地合理设计电源是低功耗集成电路实现高效连续运行能力的主要前提，集成电路功耗的持续优化调整可以确保每个集成电路时刻达到相对低功耗运行的良好状态，功率的消耗是集成电路的每一个单位时间需要消耗大量的能源。要成功设计有效运行的低功耗集成电路，需要注意以下几个方面：①需要有效合理控制芯片电源电压，通过对各种集成电路相应系统的测试及操作可以获取芯片电源电压匹配的最佳状态数据，通过对这些数据对集成电路关键技术进行优化，从而降低功耗。然而，无限期地使用电压并不能大大降低集成电路的功耗。②有必要考虑制定更为合适和有效的整体解决方案，并最终优化系统电路结构，但仍有许多决定性因素最终影响整个集成电路的性能，如系统芯片的兼容性。③可以有效降低节点的转换频率，减少节点间的复杂电容，这是一种常见而有效的芯片优化方法，具有非常广阔的实际应用空间和后续研发推广价值，如开发更简单、适用、高效的算法程序、结构划分、逻辑结构等。以上3点可以同时作为集成电路研发中的重点突破口。明确芯片集成电路优化设计，第一步则是弄清集成电路系统的最主要目标和其主要功能。因此，在确定功能的前提下，有效减少算法的运算量，优化程序是非常可行的。

3.3 对准和键合

对准如果读数不准确，易导致电路故障，降低集成电路产品可靠性。对准的工作准确性可以直接影响所有成品，为了保证集成电路的准确和控制，应该直接从对准器读数和对准标志开始，尽可能确保证现场操作员良好的职业技能水平。铜是两个设备层或晶圆的最佳连接选择。在电路键合中，铜层也可以进行相互接触扩散以完成键合过程。就整个集成电路质量情况而言，与晶圆表面的清洁温度和键合时间的合理控制方式有关。一般来说，要保证完成键合，温度控制应尽可能控制在300～400℃。三维集成电路主要的是在低温低压状况下的键合方法。

4 结束语

目前，集成电路关键技术与产业发展已进入新岔路口，我国应充分吸收世界先进做法和成功经验，寻求在集成电路领域的创新突破。集成电路领域在我国未来十年的高速发展阶段中还将会积极结合国内外更广泛开放的先进科学技术，形成一个新时期的新技术平台和发展总方向，不断大胆进行突破创新，推动国内传统信息产业格局新的巨大改变，以更好促进了我国集成电路产业的高速发展态势。