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    一顆芯片是如何誕生的?走進因特爾晶圓廠一探究竟

    2022-05-05
    共有653家企業看過

          試想一下,有一種商品,如果缺少它,整個社會都將被迫停頓,它有多重要?這種商品就是芯片。每個人的口袋里、家里都有芯片,芯片像鋼鐵支撐工業一樣支撐著我們的信息產業。芯片很難制造,因為它集成了人類科技的精華?,F在CPU中的晶體管存在納米級尺寸,小芯片與許多處理單元集成在一起,完全超乎你的想象。為什么制造這些微小部件要花費數百億美元?走進英特爾的晶圓廠,就能找到一些答案。



          英特爾(Intel)是PC芯片領域的巨頭,也是強大的芯片生產商。目前最先進的制程工藝為10nm SuperFin(可以理解為10nm+)。如今,英特爾正試圖恢復其在芯片制造技術方面的長期領先地位,押注200億美元,希望能幫助緩解芯片短缺局面。三年時間內,英特爾將在其位于亞利桑那州錢德勒的芯片制造中心建造兩家工廠,不僅如此,它還有更大規模的擴張計劃,將在俄亥俄州的新奧爾巴尼和德國的馬格德堡建立新工廠。


          為了解一顆芯片的誕生過程,讓我們一起走進英特爾的晶圓廠去看看。


          芯片有什么作用?芯片或集成電路在20世紀50年代末開始取代體積龐大的單個晶體管。許多這些微小的部件是在一塊硅上生產的,并連接在一起工作。產生的芯片存儲數據、放大無線電信號和執行其他操作。英特爾以各種微處理器而聞名,它們執行計算機的大部分計算功能。


          英特爾晶圓廠內部


          英特爾公司已經成功地將其微處理器上的晶體管縮小到令人難以置信的尺寸。但競爭對手臺積電可以生產更小的元件,沒錯,這也是蘋果13系列采用的A15仿生芯片是由臺積電獨家代工的一個關鍵原因。A15仿生芯片集成了173億個晶體半導體,采用了較為成熟的最新5nmeuv+工藝。



          成排排列的專用機器接收裝滿芯片的容器,這些芯片被移入和移出這些系統進行處理?!?



          其中一臺機器用于在制造芯片時從硅晶片上蝕刻材料?!?


          除了建造廠房和購置機器外,公司還必須花費巨資開發復雜的加工步驟,用平板大小的硅片來制造芯片——這就是為什么這些工廠被稱為“晶圓廠”。


          巨大的機器在每個晶圓上設計芯片,然后沉積和蝕刻材料層來制造晶體管并將它們連接起來。在這些系統中,在自動高架軌道上的特殊吊艙中,一次最多可運送25片晶圓。


          加工一塊晶圓需要數千個步驟,長達兩個月。近年來,臺積電已經為產量設定了節奏,運營著擁有四條或四條以上生產線的“千兆工廠”(gigafabs)。市場研究公司TechInsights的副董事長Dan Hutcheson估計,每個工廠每月可以加工10萬片以上的晶圓。他估計,英特爾在亞利桑那州的兩家計劃投資100億美元的工廠每個月的生產能力約為4萬個晶圓。


          芯片如何封裝


          芯片封裝是芯片成品至關重要的一步,封裝是為了保護電路芯片免受周圍環境的影響,包括來自物理、化學方面的影響。以引線框架形式封裝為例的完整封裝工程需要經歷晶圓減?。瓌澠N片-銀膠烘烤-等離子清洗-鍵合-塑封-后固化-電鍍-打標-切筋成型分離-測試-編帶/裝管/裝盤等多個步驟。



          英特爾使用新技術堆疊芯片,然后進行封裝?!?



          單個芯片在包裝前存儲在磁帶和卷軸上?!?



          芯片將附著在封裝基板上?!?



          加工后,晶圓被切成單獨的薄片。這些被測試和包裹在塑料包裝連接到電路板或系統的一部分?!?


          這一步已經成為一個新的競爭戰場,因為要把晶體管做得更小就更加困難?,F在,各家公司正在將多個芯片堆疊起來,或者將它們并排放置在一個包裝中,將它們連接起來,就像一塊硅片一樣。


          如今,將少量芯片封裝在一起已成為一種常規做法,而英特爾(Intel)已經開發出一種先進的產品,利用新技術將47個獨立芯片捆綁在一起。


          是什么讓芯片工廠與眾不同



          英特爾員工在俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾園區的潔凈室內等待移動工具零件?!?



          工人在潔凈室內安裝自動化物料搬運系統?!?



          大型管道將氣體從園區的處理機器中排出?!?


          一塊肉眼看不見的灰塵可以毀掉一個人。因此,晶圓廠必須比醫院手術室更清潔,需要復雜的系統來過濾空氣、調節溫度和濕度。此外,晶圓廠還不能受到任何振動的影響,因為這些振動可能導致昂貴設備發生故障。因此,完美的潔凈室建在巨大的混凝土板上,安裝在特殊的減震器上。


          同樣,移動大量液體和氣體也是一件重要的事。英特爾的頂級工廠大約有70英尺(21米)高,有巨大的風扇幫助空氣循環到正下方的潔凈室。在潔凈室的下面是成千上萬的泵、變壓器、動力柜、公用事業管道和與生產設備連接的冷水機。


          晶圓廠對水的需求


          晶圓廠是水密集型業務,這是因為在生產過程的許多階段都需要水來清潔晶圓。



          希爾斯伯勒的水處理廠。芯片制造每天需要數百萬加侖的水?!?



          英特爾希爾斯伯勒工廠的一座塔從水中去除氣體?!?



          如何建造晶圓廠



          希爾斯伯勒的工人搬運建筑材料?!?



          Chandler 挖掘的泥土將以每分鐘一輛自卸卡車的速度運走?!?



          起重機在錢德勒工地搬運建筑材料。除其他外,這些起重機將為新晶圓廠吊裝 55 噸冷水機?!?



          在半導體領域,芯片制造是全球分工合作的產物,沒有哪個國家能獨善其身,比如像手機和汽車這樣的產品,就需要來自許多供應商的零部件。芯片行業依賴一個復雜的全球企業網絡來提供原材料、生產設備、設計軟件、人才和專業制造。


          克洛諾斯是國內半導體產業、集成電路制造裝備領域核心部件的重要供應商,產品主要有納米級、微米級直線電機運動平臺,有多種應用于集成電路芯片制造、先進封裝、功率器件等關鍵領域的設備,為集成電路、晶圓檢測等領域提供了多種解決方案。


          在集成電路領域,有PCB板激光直寫平臺等,在晶圓檢測領域,有最新研發的氣浮平臺,重復定位精度達到±50納米,可以依靠精密機械運作在極短的曝光時間內完美定位,快、準、穩,完成晶圓在量測端的極精密的檢測。



          克洛諾斯PCB板激光直寫平臺


          克洛諾斯自研的氣浮平臺


          中國在構建其半導體制造供應鏈方面保持強勁增長。中芯國際和其他中國半導體領導者則宣布建設更多的工廠,重點是成熟的技術節點。在各方支持下,晶圓制造初創公司在后緣制造領域不斷涌現。

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