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更多的晶体管
集成电路超微无铅锡膏焊料深圳福英达分享：集成电路未来三个主要发展趋势
2022-03-02
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导 读
尽管所有以指数定律增长的曲线在物理意义上都是不可持续的，但摩尔定律也是如此。
然而，人们一直在努力延续摩尔定律。为什么他们知道自己做不到？这实际上代表了人类的理想主义。这种理想或信念往往使人类超越自己，创造意想不到的技术和文明。
也许正是人们相信摩尔定律的可持续性，这促进了50多年来集成电路的快速发展。当摩尔定律首次提出时，我认为摩尔本人不相信它能集成不到芝麻粒大小的1亿多个晶体管。
今天，在指甲盖大小的芯片上，集成晶体管的数量超过100亿，还能再多吗？答案仍然是肯定的。
然而，随着芯片特性尺寸的极端（3nm~1nm），集成电路中晶体管尺寸的微缩逐渐接近硅原子的物理极限。1nm的宽度只能容纳两个硅原子晶格（a=0.5nm），即三个硅原子的并排宽度为1nm。
下一步，集成电路技术将走向何方？您可能会在本文中找到自己的答案。
现代科技的发展是以集成电路为基石。集成电路发展的最直接的目标就是在单位面积内或者单位体积内集成更多的晶体管。因此，集成电路的第一个发展方向就是集成更多的晶体管。
单位面积内更多的晶体管
在单位面积内集成更多的晶体管
因此，各大Foundry不再以栅极宽度作为晶体管的特征尺寸，其工艺节点成为一个代名词，并不和某个特定的宽度相对应，但依然是有其物理意义的。主要体现在晶体管面积的缩小，在同样的面积内可集成更多的晶体管。
例如，苹果A13芯片采用7nm工艺制程，内有85亿个晶体管，其面积为94.48平方毫米，在1平方毫米可集成8997万个晶体管：0.8997亿/mm^2。苹果A14芯片采用5nm工艺制程，内有118亿个晶体管，其面积为88平方毫米，在1平方毫米可集成1.34亿个晶体管：1.34亿/mm^2
两者的晶体管平均面积之比为1.49，如果严格按照7:5的比值为1.4，其平方为1.96，可以看出，相对于7纳米芯片，5纳米芯片做到了理论值的76%。这也是intel一直认为别的Foundry厂家的命名有水分的原因。
从平面晶体管到FinFET到GAA，晶体管的尺寸不断缩小，结构不断优化，就是为了在单位面积内集成更多的晶体管。
单位体积内更多的晶体管
在单位体积内集成更多的晶体管
如何进行晶体管的堆叠呢？
第二种方法目前应用如火如荼，通常被称之为先进封装技术（Advanced Packaging）。
不过，现在Foundry厂逐渐不把其作为封装技术来看待，而将其视为晶圆制造的一个重要环节，例如TSMC，在其产品线种将其定义为3D Fabric。
锡银铜SAC锡膏 锡银铜 SACS锡膏 锡铋银SnBiAg锡膏 锡铋银锑SnBiAgSb锡膏 锡铋银SnBiAgX锡膏 锡铋SnBi锡膏 BiX 锡膏 金锡AuSn锡膏 锡锑SnSb锡膏 含铅 SnPb锡膏 各向异性导电锡胶 微间距助焊胶
02
扩展硅元素
虽然化合物半导体近来比较热门，但集成电路中，硅目前还是占据着绝对的主流位置。因此，芯片制造商一直试图将化合物半导体应用在传统的硅晶圆上，从而有效利用现有资源并创造出更大的经济效益。
硅基氮化镓技术
全世界现在大概有上万亿美元的投资都是在300毫米硅晶圆设备、生态系统上，需要把这些充分利用起来，这样制造成本才能下降。
新型铁电体材料
铁电存储器可以和传统的CMOS工艺结合，用来作为从L1 Cache到DRMA之间的中间层。
03
探寻量子领域
隧道场效应晶体管
隧道场效应晶体管（TFET-Tunnel Field Effect Transistor），和传统MOSFET晶体管原理不同，在TFET中源极和漏极掺杂不同。它使用量子力学隧道效应，栅极和源极之间的电压决定了电荷载流子是否可以“隧穿”通过源极和漏极之间的能量势垒，以及电流是否可能流动。
根据量子理论，有些电子纵使明显缺乏足够的能量来穿过能量势垒，它们也能做到这一点，这就是量子隧道效应。
在隧道场效应晶体管中，两个小槽被一个能量势垒分开。在第一个小槽中，一大群电子在静静等待着，晶体管没有被激活，当施加电压时，电子就会通过能量势垒并且移入第二个小槽内，同时激活晶体管。TFET在结构上类似于传统晶体管，但在开关方面利用了量子力学隧道效应，既节能又快捷。
通过减少能量势垒的幅度，增强并利用量子效应将成为可能，因此，电子穿过势垒所需要的能量会大大减少，晶体管的能耗也会因此而显著下降。利用量子隧道效应研制出的隧道场效应晶体管有望将芯片的能耗减少到百分之一（1/100）。
碳纳米管场效应晶体管
在CNFET中，源极和漏极之间的沟道由碳纳米管组成，其直径仅有1–3 nm, 意味着其作为晶体管的沟道更容易被栅控制。因此, 碳纳米管晶体管比传统硅基晶体管在比例缩减上的潜力会更大。
碳纳米管具有超高的室温载流子迁移率和饱和速度，室温下，碳纳米管中载流子迁移率大约为硅的100倍, 饱和速度大约是硅的4倍。在相同沟道长度下, 载流子迁移率越高，饱和速度越高，速度越快，并能增加能量的利用效率。
碳纳米管晶体管具备超低电压驱动的潜力，从而在低功耗方面具有巨大优势，在沟道材料的选择中, 碳纳米管沟道同时具备了天然小尺寸、更好的尺寸缩减潜力和低功耗等关键因素。
单原子晶体管
单原子晶体管（Single-Atom Transistor），在这种晶体管中，控制电极移动一个原子，该原子可以连接两端之间的微小间隙，从而使电流能够流动。原则上，它的工作原理就像一个有两个稳定状态的继电器。
在单原子晶体管中，通过源极和栅极之间的电压移动单个原子，从而关闭或打开源极和漏极之间的电路。
来源：SiP与先进封装技术，深圳福英达整理
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