由于组件技术与芯片代工厂商之间的紧密联系，本文描述了设计人员在设计外部代工厂代工的MMIC时可能遇到的流程问题。它还涉及与通过代工厂制造MMIC设计相关的一些经济问题以及在考虑多功能MMIC设计时的权衡。

使用Foundry（代工厂）

使用MMIC代工厂设计和制造符合规格的芯片是代工厂和设计芯片的客户之间的互动练习，如图1所示。它从双方的讨论和协议开始，经历设计过程和晶圆制造，并在芯片经过全面测试并交付给客户时结束。

图1、说明使用代工厂设计和制造MMIC过程的流程图

协议和讨论

与代工厂的互动通常始于客户和代工工程师之间关于代工厂能力和可用选项的非正式讨论。这将是一个非常笼统的层面，讨论诸如可用的工艺技术，关键性能，有源器件在工艺上的基准，以及代工厂已经生产的电路类型的例子等方面的内容。这也是客户应确保代工厂能够以能够与客户的CAD仿真工具一起使用的形式提供电子设计数据的时间。

当客户和代工厂决定在合作中可能存在互惠互利时，他们通常会签订保密协议（NDA）以保护代工厂的专有信息和客户的设计细节。这将允许代工厂向客户传递更详细的工艺流程和设计信息，以便客户可以正确评估工艺能力与其设计要求之间的匹配程度。它还允许客户与代工厂工程师讨论他们的设计规格，以获得他们的经验和反馈，以了解工艺符合规格的可能性。

当双方都满意时，客户和代工厂签订了晶圆协议，确认了所需的工艺选项，晶圆或批量晶圆的生产数量以及交付的时间要求。该协议还可能包括直流和RFOW测试规格以及所有芯片分离和质量检验要求等。

交付设计数据

协议签署后，代工厂将向客户提供开始设计MMIC所需的所有设计数据。这些数据通常包括设计手册和电子文件，其中包含商定的MMIC工艺的CAD模拟和布局库。

设计手册通常是一个特定于所需工艺的受控文档，其中包含有关MMIC工艺的大量背景信息以及补充电子CAD库所需的所有基本信息。它将包含一个工艺描述和描述设计器可用的所有有源，无源和接口组件部分的信息内容。该手册还将概述代工厂特有的布局规则和程序。它还可能包含代工厂运作的质量保证和工艺控制细节，并描述在将完成的MMIC发布给客户之前必须满足的晶圆批准条件。

CAD仿真和布局库将专门为一个特定的仿真工具创建，并且可能特定于CAD工具运行的硬件和操作系统。这些电子文件将包含可由该工艺制造的完整组件库，包括原理图布局，基础电气模型，相关物理布局以及可能的设计规则文件。

电路设计

一些代工厂提供电路设计服务和设计工程师的咨询服务，但这个阶段通常只由客户负责;因此，这是我们这个系列文章所涉及的主要领域。代工厂通常很乐意回答有关其组件和模型的功能和应用范围的问题，但不一定愿意解决设计问题。经验表明，即使使用现代的原理图到布局同步的CAD工具，MMIC设计过程也非常复杂，并且容易在各个阶段出现简单的错误。消除这些错误的最佳方法是使用MMIC设计团队设计每个芯片，这些设计师可以在每个阶段质疑彼此的判断，并在工艺处理开始之前对最终布局进行反向工程。通过反向工程，我的意思是独立的MMIC设计师获取最终的布局数据，并在CAD系统中重新创建原理图设计，而无需原始设计团队的输入。然后可以将独立工程师生成的RF响应与原始设计文件和设计规格进行比较。如果所有人都同意，然后工艺处理可以继续;如果存在重大差异，那么几乎肯定存在被忽视误的误差或者错误。

设计检视

当所有电路设计完成并且电子设计文件已经传回给代工厂时，通常会有一个审查设计的过程。这通常由代工厂开始，代工厂使用电路设计规则检查电路布局文件，以确保它们遵守所有关键规则并且可以在指定的工艺中制造。然后，在与客户进行评审会议之前，代工厂将所有电路设计布局组装成一个标线。在检视会议期间，通常会检查极大的电路标线图，以纠正可见错误并对设计进行严格评估。加工，测试和质量保证部门的代工人员应确定设计是否符合加工限制，以及直流和射频测试能力，以及所有相关人员是否都可以接受小的规则违规。检视的过程中突出显示的次要问题的更正通常由代工厂纠正，但主要问题的更正可能需要客户重新设计，然后再进行另一次检视审核会议。当客户和代工厂对最终的设计标线都感到满意时，就签署协议，并将电子标线数据发送给掩模制造商，然后制造商在晶圆上制作用于制造工艺中的光刻步骤的镀铬石英掩模板。

晶圆制造

根据现有的晶圆协议，代工厂处理批次晶圆（每批2至6个晶圆）。晶圆制造过程可能需要6到16周，具体取决于正常的工艺周转时间以及与代工厂达成的任何优先制造协议。在任何特定时间，可能会有许多批次的晶圆通过无尘室，并且不可避免地有些批次花费时间等待某些设备。如果快速周转是必不可少的，那么代工厂可以优先考虑制造特定客户的一批晶圆，但这也可能需要额外的费用。如果晶圆批次在工艺处理过程中出现故障，则也可能发生意外延迟，并且需要启动新批次的制造。

测试和交付

在对客户的电路进行测试之前，代工厂将对插入式阵列中的代工测试结构执行直流和射频测量，以确保晶圆已正确处理，并且所有元件参数均在代工厂保证的限制范围内。完成后，晶圆可以释放给客户，或者，如果安排，晶圆代工可以在客户的电路上执行各种RFOW测量。代工厂可以将客户的电路作为完整的晶圆交付，但更常见的是将单个芯片分离并封装在华夫格托盘或凝胶封装中。请注意，代工厂会根据自己对嵌入式测试结构的测量结果向客户交付晶圆或芯片，而不是根据客户的电路是否正常工作来完成向客户的交付！

经济学原理

本节考虑制造MMIC的成本以及可以采取哪些措施来最大限度地降低其对整体系统成本的成本贡献。此处还讨论了成本/产量争论以及使用多个单功能MMIC或一个更大的多功能MMIC来满足系统要求之间的权衡问题。

MMIC的生产成本

任何单片集成电路（包括MMIC）的生产都需要无尘室，其保持高标准的清洁度，温度和湿度控制，并配备非常复杂和昂贵的工艺处理设备。工艺开发和控制以及技术人员在整个过程中运行批量晶圆的明确处理程序也需要熟练的工程师。保持技术更新的资本支出非常大，同时保持无尘室紧密过滤和空调的运行成本也非常高。所有的时间都需要在这些条件下维护无尘室，因此对于特定的无尘室设置，运行成本进行控制也是有效的。

起始材料（即半绝缘晶圆）的成本相当低并且随着时间的推移持续下降，使其与无尘室运行成本相比不太重要。因此，整体运行成本趋向于固定并且与所生产的晶圆数量无关。因此，生产芯片的成本可以简单地表示为总体运行成本除以生产的好芯片数量。如果良好芯片或良好晶圆的数量乘以该面积，则MMIC处理的成本可以表示为每平方毫米衬底面积。

因此，从客户的角度来看，在代工工艺上设计的MMIC产品的产量越大，总直通率越高，单个MMIC的成本就越低。换句话说，当处理许多批晶圆时，并且代工工艺线接近其最大产能时，代工工艺最经济有效。当工艺在其最大产能附近工作时，通过提高每个晶圆产生的良好器件的产量，将会进一步降低单个芯片成本，因此，值得考虑工艺缺陷密度的概念。

缺陷密度

缺陷密度的概念是由硅芯片工业开发的，并假设缺陷在整个晶圆上均匀分布。如果考虑一个特定的缺陷原因，MMIC通常不会这样，因为MMIC中元件的复杂性和封装密度远小于硅IC。但是，如果整体产量因所有可能的原因（例如，加工直通率，直流和射频测试直通率，分片直通率，视觉检视直通率）而降低，则这变得是合理的近似。

方程（1）中所示的墨菲 - 种子规则（Murphy-Seeds rule）采用缺陷密度（每平方厘米的D缺陷）和芯片面积（A平方厘米）并预测能正常工作的器件的概率（p），即换言之，芯片的直通率：

方程（1）

FA Myers 展示了这条规则如何有助于确定收益率和工艺成熟度。图2取自Myers绘制的芯片产量与芯片面积的关系，缺陷密度范围为每平方厘米1至50个缺陷。他指出，通过实验发现典型的GaAs工艺在每平方厘米区域的5到10个缺陷中具有有效的缺陷密度，因此0.1平方cm的GaAs芯片可以预期具有55％的直通率。图2中的虚线趋势线显示了任意芯片尺寸的收益率随着工艺的成熟和缺陷密度的下降，芯片得到改善。在这种情况下，缺陷密度随着工艺成熟度的下降是由于操作员越来越熟悉工艺步骤以及工程师学习到了如何使工艺处于更严格的控制之下。图2中的虚线趋势线表明，随着MMIC设计人员使用工艺变得更加自信，芯片设计变得更加复杂，更多元件被封装到更小的区域，增加了缺陷密度并导致芯片的直通率降低。因此，在芯片尺寸和复杂性之间存在折衷，以实现最佳的直通率。

图2、墨菲 - 种子（Murphy-Seeds）规则：直通率作为芯片面积和工艺缺陷密度的函数

当考虑与生产多功能系统相关的经济因素时，也可以说明这种权衡。一种选择是使用许多小型单功能芯片来组成多功能系统。每个芯片必须经过处理，测试，可能的封装，组装到系统中，并通过引线键合到走线轨道上。另一方面，执行多种功能的单个但更大的芯片将具有更少的键合线和封装寄生效应，因此可以更好地执行并且组装更便宜。较大的多功能芯片的直通率低于较小的单功能芯片，但可能是整体更便宜的系统解决方案。如果已知该工艺过程的缺陷密度，则可以使用Murphy-Seeds方程来找出使用两个小的单功能芯片或两倍面积的一个多功能芯片之间的成本权衡。这如图3所示，其中针对不同的缺陷密度绘制了一个较大的多功能芯片相对于两个较小的单功能芯片的成本比。当比值小于1时，单个但更大的多功能芯片是成本最低的解决方案。

图3、一个较大的多功能芯片与两个较小的单功能芯片的成本比率，工艺缺陷密度为每平方厘米1至20个缺陷