小小芯片上的上千萬個(gè)晶體管是如何裝上去的？

不就是玩嘛 2022-04-30 16:34

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  牙醫(yī)的一家子

  2022-04-30 17:01
  小小芯片上的上千萬個(gè)晶體管是如何裝上去如何工作的？人類真牛??？最早的計(jì)算機(jī)和CPU確實(shí)是一臺(tái)個(gè)晶體管電線鏈接而成。據(jù)相關(guān)資料表明，最早的計(jì)算機(jī)體積非常大，用了18000個(gè)電子管，占地150平方米，重達(dá)30噸，耗電功率約150千瓦，每秒鐘可進(jìn)行5000次運(yùn)算。雖然運(yùn)算能力對于現(xiàn)代來講不咋樣，但是在那個(gè)年代是非常牛了，目前普通家庭的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力每秒可達(dá)到1萬億次以上。目前我們所用的芯片上面，成千上萬個(gè)晶體管并不是一臺(tái)一臺(tái)裝上去的，那么小的零件，沒辦法一臺(tái)個(gè)裝上去。至少目前的工藝水平是達(dá)不到的，即使能達(dá)到這樣的精度，做出來的不良品也高的驚人。試想一下，一臺(tái)CPU上面有上億個(gè)零件，只要有一臺(tái)零件品質(zhì)或者裝配有問題就會(huì)不合格。那它到底是如何做出了的呢？其實(shí)它是通過光刻、顯影、腐蝕等步驟一步一步制造出來的。我也沒在CPU公式上過班，不過在柔性電路板公司工作過一段時(shí)間，大概給大家介紹一下吧。如果有不準(zhǔn)確的地方，歡迎大家指正。準(zhǔn)備工作芯片CPU主要成分是硅，而沙子中硅含量非常高，但是是以二氧化硅(SiO2)的形式存在。為了得到純凈的硅，把沙子通過提純?nèi)コ匙又械拟}、鎂等雜質(zhì)。再通過碳脫氧還原得到純凈的硅，最好再經(jīng)過凈化就得到了單晶硅棒。單晶硅棒呈圓柱狀，硅純度非常高，99.999%以上。第一階段（晶體管制造）切片：把單晶硅棒切成薄片，單晶薄片一般直徑為200mm，厚0.5-1.5mm。拋光：把單晶硅片拋光，據(jù)說單晶硅片表面平整度在0.2納米以上，比我們平常用的鏡子還要亮100倍。這就是我們常說的晶圓。晶圓是CPU處理器的基礎(chǔ)，一臺(tái)晶圓上可以做成千上百個(gè)處理器。沉淀：通過沉淀方法在單晶硅片上沉淀一層二氧化硅，再沉淀一層氮化硅。滴膠：滴上光刻膠，利用旋涂技術(shù)把光刻膠均勻涂抹在晶圓的表面，讓晶圓表面形成一層光刻膠薄膜。光刻膠主要是用來保護(hù)表面不被顯影液溶解，但是它被曝光（紫外線照射）過后就會(huì)變成容易溶解。光刻：利用掩膜、透鏡把掩模上事先設(shè)計(jì)好的電路投射到晶圓上。掩模是由透明和不透明的模板制作而成，當(dāng)紫外光線透過掩模照射，再通過透鏡把電路圖縮小，投射到晶圓上。這個(gè)原理就像家用投影儀，家用投影是把字放大，這個(gè)是把電路圖縮小。顯影把光刻的晶圓放入顯影液中，這樣被紫外線照射過的光刻膠就會(huì)被腐蝕沖洗掉，沒有被紫外線照射的地方就保留了下來，這個(gè)有點(diǎn)像沖洗膠卷。腐蝕再把顯影液洗掉，放入腐蝕液中，這樣沒有被光刻膠保護(hù)的氧化硅和氮化硅部分就腐蝕掉了。沖洗以后，放入另外一種腐蝕液中，沒有被光刻膠保護(hù)的硅繼續(xù)被腐蝕掉一層。然后填入一層二氧化硅作為絕緣層再利用碾磨和腐蝕工藝讓硅露出來接下來就是離子注入工藝了離子注入用同樣的方法，在圓晶上涂上光刻膠，再利用光刻、顯影技術(shù)，把需要離子注入的部分空出來，其他部分通過光刻膠保護(hù)。通過離子束注入到裸露的硅基底上（上圖灰色部分），從而改變硅表面的極性。再重復(fù)上述步驟幾次，作制出柵極絕緣介質(zhì)、源極與漏極，這樣晶體管就做成啦。接下來就是第二階段。第二階段（鏈接各元器件）同樣用滴膠、光刻、顯影、腐蝕等方法在二氧化硅上開出槽，然后用金屬鎢或銅填充作為各晶體管之間的電線。根據(jù)工藝不同，晶體管和鏈接線簡單的有幾層，復(fù)雜的甚至達(dá)到幾十層。也就是說還要重復(fù)上述步驟幾十次，整個(gè)過程甚至達(dá)到幾百個(gè)步驟。到此為止，芯片基本上就完成了。接下來就是把晶圓上一臺(tái)個(gè)芯片分割開來，每一小塊就是CPU的內(nèi)核。然后放入CPU基板上，利用引線把芯片與封裝引腳鏈接。再加入蓋子封起來，防止外界灰塵和水汽污染。第三階段（檢測）成品作制完成以后，最后經(jīng)過各道工序檢測。達(dá)不到要求的被丟棄，達(dá)到要求以后就可以裝箱出貨了。目前你應(yīng)該明白，為啥做CPU的主要材料就是沙子，但是沙子那么便宜，而芯片卻那么貴？以上就是我的原創(chuàng)回答，如果發(fā)現(xiàn)抄襲我的文章，必定追究！如果還有其他不足，歡迎大家補(bǔ)充！我是電工學(xué)院，專門負(fù)責(zé)電工培訓(xùn)、考證；如果你對電工感興趣，可以關(guān)注我！如果覺得不錯(cuò)，記得點(diǎn)贊、評論、轉(zhuǎn)發(fā)！感謝！
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  牙醫(yī)的一家子

  2022-04-30 17:04

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  我們?yōu)樯赌敲丛谝夤饪虣C(jī)呢？為啥因?yàn)闆]有ASML的光刻機(jī)，而備受“煎熬”呢？這里就涉及到芯片一臺(tái)重要的內(nèi)容——光刻。當(dāng)然，我們知道的光刻機(jī)，實(shí)際上也被稱為模對準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)！意思是通過光刻機(jī)，再利用紫外線通過模版去除晶圓表面的保護(hù)膜。所以，除了這種造價(jià)昂貴的光刻機(jī)之外，一塊芯片，想要真正的實(shí)現(xiàn)上千萬個(gè)晶體管都安裝在芯片上，它一定是需要多種程序共同協(xié)作的。通過硅原料——通過熔煉，并且經(jīng)過拉晶，形成硅晶柱——并且形成硅錠以后，用鉆石刀將它橫切成圓片，形成硅晶圓。我們在這塊圓形片中，涂上光刻膠，然而在通過紫外線透過掩膜，刻出預(yù)先設(shè)計(jì)的電路圖案——再經(jīng)過蝕刻，將主要是化學(xué)物質(zhì)溶解掉不需要的部分。其實(shí)，光刻，蝕刻的過程就是晶體管注入的過程，特別是蝕刻以后，離子注入，最后切割，封裝等等動(dòng)作。實(shí)際上，我們能夠看到芯片制作的難度，人類在一臺(tái)一臺(tái)的克服，可是你也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如說我們目前缺乏的光刻機(jī)，一直在被國外壟斷，因?yàn)橐恍┩獠恳蛩兀瑢?dǎo)致我們在芯片工藝中還處于劣勢，比如即使目前的上海微電子，也不過是90nm的光刻機(jī)，這種劣勢如果不能過夠打破，終究或是被外國技術(shù)鉗制。這是我們未來很難，且必須打破的禁錮，芯片制作困難，而打破這種禁錮更困難。
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  聰stan

  2022-04-30 17:09
  芯片（集成電路）真是偉大的發(fā)明芯片其實(shí)是半導(dǎo)體元器件的統(tǒng)稱，成千上萬個(gè)晶體管集成地一起，我們稱之為集成電路，我們平常見到的大大小小的專用IC，單片機(jī)，CPU等其實(shí)就是集成電路。集成電路有薄膜（thin-film）集成電路和厚膜（thick-film）集成電路。薄膜（thin-film）集成電路是把電路制造在半導(dǎo)體芯片的表面上；厚膜（thick-film）集成電路是獨(dú)立的半導(dǎo)體體設(shè)備和被動(dòng)的組件，是集成到襯底或線路板的小型化電路芯片上的晶體管我想應(yīng)該是“刻”上去的我們經(jīng)?？吹健拔覈圃觳怀龈呔艿墓饪虣C(jī)”，“我們的芯片制造受制于人”，“新先進(jìn)的ASML光刻機(jī)數(shù)億美元一臺(tái)，有錢也買不到”這樣的新聞。所以我猜測芯片上成千上萬的晶體管是“刻”上去的。設(shè)計(jì)、生產(chǎn)高端的芯片的確是非常的困難。芯片的生產(chǎn)是非常復(fù)雜的，網(wǎng)上找到一臺(tái)放大再放大后的NAND Gate(與非門)，大概就是下圖的樣子。芯片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)雖然是相當(dāng)復(fù)雜，但我們國家的發(fā)展和進(jìn)步也是不可阻擋的。雖然目前在芯片設(shè)計(jì)、制造上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，但我認(rèn)為用不了多久，我們一定會(huì)趕上來的。歡迎關(guān)注@電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，一起享受分享與學(xué)習(xí)的樂趣！關(guān)注我，成為朋友，一起交流一起學(xué)習(xí)記得點(diǎn)贊和評論哦！非常感謝!
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  360U1488781325

  2022-04-30 17:09
  技術(shù)理論學(xué)術(shù)性的介紹芯片上集成千萬個(gè)晶體管，有點(diǎn)深?yuàn)W，文化水平高的很容易看得懂，但對部分不接觸這些理論的人很難看得懂，因?yàn)楹芏嗳瞬⒉恢拦饪虣C(jī)，蝕刻機(jī)，離子膠，等等很多環(huán)節(jié)是指什么概念，下面我換個(gè)方式，民間生活化的來解釋這個(gè)問題；1；芯片是電子計(jì)算機(jī)的心臟，就比如電腦，電視機(jī)機(jī)，手機(jī)，照相機(jī)，錄像機(jī)，空調(diào)，全自動(dòng)洗衣機(jī)，電冰箱，電子琴，兒童玩具，電動(dòng)車，汽車，還有家里的電視盒子，路由器，都離不開芯片，用途不一樣，功能也不一樣，大小也不一樣，要求的精度也不一樣。就是我們經(jīng)?？吹降哪莻€(gè)小黑方塊，密密麻麻一圈金屬腳的那個(gè)東西；2；這個(gè)東西是如何制造出來的呢，第一部就是先做硅片。如何做硅片呢，就是用我們身邊取之不盡用之不竭的沙子做的，把沙子提純精選，融化生化，晶體生長，慢慢就把沙子提煉出高純度的硅來，沙子的主要成分就是硅，提純出來的硅，純度極高，幾乎就是百分之百的純度，提純出來的形狀是一臺(tái)圓柱體，就是一臺(tái)硅棒，硅棒的直徑有粗有細(xì)，技術(shù)高的廠家做的粗，技術(shù)低的廠家做的細(xì)，傳統(tǒng)習(xí)慣上是用英寸來表示的（就像過去電視機(jī)機(jī)多少寸一樣），過去有6吋，8吋，目前是12吋，18吋，對應(yīng)米制單位就是150mm，300mm以及450mm；然后用機(jī)器吧硅棒切割成薄片，就叫硅片，再打磨拋光精制，就叫晶圓；3；晶體管都是半導(dǎo)體做成的，有幾種材料都可以（適合的），硅就是半導(dǎo)體，把他做為最大的基礎(chǔ)材料，在精制的晶圓上疊加各種半導(dǎo)體材料和導(dǎo)線，就能做成很多晶體管，做10個(gè)20個(gè)好說，做幾千萬個(gè)如何辦呢，太大了也擺不開呀，那就做的很小才行，晶圓的面積是固定的，要想做的更多，就得做的更小，于是人們就想了個(gè)辦法，在晶圓上雕刻紋路和坑點(diǎn)，然后把別的材料填進(jìn)去，刻的越細(xì)，擺放的越多。當(dāng)細(xì)到一定程度，就很難做了，于是人們就變了個(gè)方法，在晶圓上圖上一層膠，然后用激光照射，激光能做到很精細(xì)，細(xì)到你無法想象的地步，那就是90納米，28納米，14納米，10納米，7納米，5納米，通過一遍燒刻 再一遍清洗，再添加離子（實(shí)際上很復(fù)雜，恒精密），就這樣來來回回一遍一遍的燒刻，清洗，添加，經(jīng)過數(shù)百遍的處理，就變成了很多層，密密麻麻疊加起來的晶體管堆體，這個(gè)過程非常精細(xì)，一點(diǎn)也不能出錯(cuò)，這些全都是機(jī)器全自動(dòng)完成的，人們會(huì)根據(jù)芯片的要求，盡量做得越小越好，有的小到幾平方毫米，也有的幾平方厘米，這樣就能在一臺(tái)直徑45厘米的晶圓上做很多個(gè)芯片，只要按照一臺(tái)小芯片的標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)制滿全部晶圓就行了，就好比我們在一張紙上，打印幾百個(gè)上千個(gè)同一臺(tái)字一樣，一臺(tái)晶圓一次性就能做出成百上千個(gè)芯片。4：第四步，就是把這些連在一起的小芯片沿著早預(yù)留下的縫隙切割成單個(gè)的芯片，這就成了一臺(tái)小芯片的雛形，再送去封裝廠，用一些方法密封起來，保護(hù)好芯片，免得損壞，5；最后一步，就是測試，按照最初的設(shè)計(jì)要求，測試各種性能，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的就是合格的，叫良品，差一點(diǎn)的能降級使用的，降級別的用途，或者低檔機(jī)使用，不能使用的就只能報(bào)廢，不管多么高技術(shù)的廠家，都做不到百分百的合格，因?yàn)槔锩娴脑骷嗔?，有的上億個(gè)，舉個(gè)例子吧，如果把一臺(tái)晶體管看做一粒小米，那么這個(gè)芯片就有足球場那么大，要把足球場縮小到2×2厘米的面積，那么這顆小米得多小呢，大腦是想不出來有多小的，只能想象成他存在，而且還能工作，實(shí)際上就是小到想不出來，還真實(shí)存在，而且還很穩(wěn)定的工作。要做到這種程度，難度可想而知，有不合格的報(bào)廢，再正常不過了，合格的多少就叫良品率，因?yàn)椴还芎细癫缓细瘢杀径家粯?，所以，良品率越高廠家技術(shù)越高，效益越高。6；最后總結(jié)，一臺(tái)小芯片，之所以能集成幾千萬個(gè)晶體管，就是在一臺(tái)硅片上，刻線，打坑，添加材料（各種），一遍一遍的來回處理，就好比我們接電燈和開關(guān)一樣，密密麻麻的來回接很多，變小后人不能接了，就用機(jī)器接，機(jī)器不能接了，就用激光接，激光不能接了，就用離子束接，再直觀一些，就是在一張紙上印一遍黑字，再印一遍紅字，黃字，綠字，籃字，…印一百種顏色的字在一張紙上，這些字還不能互相打架，該連通的連通，該絕緣的絕緣，字夠小，遍數(shù)夠多，就有了上億個(gè)字在一張紙上，就是這個(gè)道理。才是學(xué)淺，解釋不明白，還請見諒，老實(shí)講，這也真用不著誰去懂，花錢買過來用就行了，芯片是人類歷史上除了人體本身，最精密的物件了。最后還有一臺(tái)疑問，目前都炒作5納米和3納米的制造技術(shù)，有科學(xué)論據(jù)證明，原子之間距離低于3納米有限，把晶體管做到3納米級別，稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致電子擊穿，造成短路，真想不出3納米是如何設(shè)計(jì)出來的，也許理論上可行，但實(shí)際操作不能實(shí)現(xiàn)，幾年以后拭目以待吧，夠難的，若真實(shí)現(xiàn)，目前芯片又能縮小一倍，或者擴(kuò)容3倍。
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  aliyer

  2022-04-30 17:12
  有了芯片才讓電子產(chǎn)品插上翅膀，芯片于電子產(chǎn)品等同于發(fā)動(dòng)機(jī)于汽車。制造一臺(tái)芯片的難度不亞于建設(shè)一座城市。顯微鏡下的芯片世界可謂是星羅棋布，無數(shù)細(xì)節(jié)讓人驚嘆不已。一塊指甲蓋大小的芯片，居然包含了上億根晶體管和導(dǎo)線。那么，如此精密的設(shè)備是如何被生產(chǎn)出來的呢？圖3到圖6可以幫你大致理解流程。
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  霹靂小嬌羞

  2022-04-30 17:16
  如果評選近100年來最偉大的科技發(fā)明，芯片恐怕算得上其中之一。CPU芯片的生產(chǎn)，可以形容為沙子的涅槃過程。簡單來說，芯片在電子設(shè)備中的作用就相當(dāng)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。芯片的制作，跟在一片指甲蓋大小的位置上蓋一座城市一樣復(fù)雜。那么這座指甲蓋大小的面積上會(huì)有多少條街道呢？答案是，有數(shù)公里長的導(dǎo)線和上億跟集體管。再形象一點(diǎn)，就相當(dāng)于在一根頭發(fā)的橫截面積上印上一本紅樓夢加一本西游記的字，還要保證能看得清，可想而知，這其中的技術(shù)難度有多大。芯片的制造過程一、制作硅晶圓第一步進(jìn)行硅提純，簡單來說就是在沙子中加入碳，沙子成分是二氧化硅，在高溫作用下，制備出純度99.9%的硅。接著進(jìn)行硅單質(zhì)的熔煉，從熔融的硅單質(zhì)里面拉出鉛筆狀的硅晶柱，也就是硅錠。鉆石刀將硅晶柱切成圓片。再拋光打磨，得到硅晶圓。硅晶圓就是芯片的地基。二、硅晶圓上刻電路圖這一步類似于膠片感光，在硅片上有電路圖掩膜，紫外線透過掩膜照射到光刻膠上，光刻過程中曝光在紫外線下光刻膠被溶解掉，清除后硅片上的圖案就跟掩膜上的一致。通過化學(xué)物質(zhì)腐蝕，形成需要的電路圖凹槽，這個(gè)過程，相當(dāng)于制作地基的走向。三、施工鏈接晶體管和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)把電路圖光刻出來之后，就需要搭建芯片的框架了，先把硼和磷注入到已經(jīng)有電路圖凹槽的硅片中，接著填充銅并鏈接晶體管，也就是在里面形成骨架，填充完一層的骨架結(jié)構(gòu)后，再涂一層膠，再做一層結(jié)果，一層一層壘起來，就像有幾十層高的高架橋一樣。四、封裝測試將已經(jīng)鏈接好晶體管和導(dǎo)體，精細(xì)切割，切割完成之后進(jìn)行封裝安裝，封裝結(jié)構(gòu)中最下層是襯底基片，中層是已經(jīng)切割好的硅晶片電路，最后加蓋一層散熱片，封裝完成，測試合格之后，就能包裝出廠售賣了。到這里，一塊芯片就算是制作完成。說起芯片，不得不提的就是，咱們國家被外國掣肘的芯片制造，芯片制造離不開光刻機(jī)，光刻機(jī)制造為啥這么難呢？主要是因?yàn)楣饪虣C(jī)幾乎集合了當(dāng)今整個(gè)歐美日韓的頂尖科技。用的是目前世界上最頂級的工程技術(shù)，材料科技，并且很多原件，多個(gè)國家限制出口我國。那么，如果沒有光刻機(jī)，我們還能不能從其他地方突圍呢？答案是有的，石墨烯。在2012年，美國電氣和電子工程協(xié)會(huì)提出未來半導(dǎo)體工業(yè)可能從硅時(shí)代進(jìn)入到碳時(shí)代。石墨烯很有可能在未來替代硅基材料。到了2014年，全球芯片劇透IBM就推出世界首個(gè)多級石墨烯接收器，傳輸速度時(shí)硅基芯片的數(shù)千倍。隨后，三星、LG等公司也在該領(lǐng)域加大投入。2017年，央視新聞中提到，石墨烯有望替代硅，成為下一代芯片的主要材料。我國在石墨烯芯片制造業(yè)有望實(shí)現(xiàn)彎道超車。為啥石墨烯要比硅制造的芯片傳輸速度快呢？用硅制造的芯片，結(jié)構(gòu)是單層的，它們之間靠線來鏈接。這樣的芯片在傳輸數(shù)據(jù)流大、距離遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，往往會(huì)耗費(fèi)較多的資源，而且時(shí)常發(fā)生堵塞。石墨烯則與之不同，它是六角型的、呈蜂巢晶格式的平面薄膜，傳導(dǎo)性極佳。因此能夠做到快速傳輸數(shù)據(jù)，提升芯片速率。另外，硅基芯片在使用時(shí)會(huì)發(fā)熱，芯片廠商為了控制發(fā)熱問題，對芯片采取降頻措施，這樣一來，芯片的性能就會(huì)受到抑制，多數(shù)PC的主頻只是在3-4GHZ。而石墨烯則不同，導(dǎo)熱性良好，理論上芯片主頻可以達(dá)到300GHZ。如此巨大的性能差距。多數(shù)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行大力投入。華為已經(jīng)在英國進(jìn)行了石墨烯的投資，而我國發(fā)改委、工信部、科技部三部委也出臺(tái)了強(qiáng)有力政策，大力促進(jìn)我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。相信在未來，我們偉大的祖國能夠建立起石墨烯革命的技術(shù)壁壘，相信到那個(gè)時(shí)候，第四次工業(yè)革命的多數(shù)紅利可就是朝咱大中華傾斜了。
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