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一颗芯片是如何诞生的?走进因特尔晶圆厂一探究竟

2022-05-05
共有598家企业看过

      试想一下,有一种商品,如果缺少它,整个社会都将被迫停顿,它有多重要?这种商品就是芯片。每个人的口袋里、家里都有芯片,芯片像钢铁支撑工业一样支撑着我们的信息产业。芯片很难制造,因为它集成了人类科技的精华。现在CPU中的晶体管存在纳米级尺寸,小芯片与许多处理单元集成在一起,完全超乎你的想象。为什么制造这些微小部件要花费数百亿美元?走进英特尔的晶圆厂,就能找到一些答案。



      英特尔(Intel)是PC芯片领域的巨头,也是强大的芯片生产商。目前最先进的制程工艺为10nm SuperFin(可以理解为10nm+)。如今,英特尔正试图恢复其在芯片制造技术方面的长期领先地位,押注200亿美元,希望能帮助缓解芯片短缺局面。三年时间内,英特尔将在其位于亚利桑那州钱德勒的芯片制造中心建造两家工厂,不仅如此,它还有更大规模的扩张计划,将在俄亥俄州的新奥尔巴尼和德国的马格德堡建立新工厂。


      为了解一颗芯片的诞生过程,让我们一起走进英特尔的晶圆厂去看看。


      芯片有什么作用?芯片或集成电路在20世纪50年代末开始取代体积庞大的单个晶体管。许多这些微小的部件是在一块硅上生产的,并连接在一起工作。产生的芯片存储数据、放大无线电信号和执行其他操作。英特尔以各种微处理器而闻名,它们执行计算机的大部分计算功能。


      英特尔晶圆厂内部


      英特尔公司已经成功地将其微处理器上的晶体管缩小到令人难以置信的尺寸。但竞争对手台积电可以生产更小的元件,没错,这也是苹果13系列采用的A15仿生芯片是由台积电独家代工的一个关键原因。A15仿生芯片集成了173亿个晶体半导体,采用了较为成熟的最新5nmeuv+工艺。



      成排排列的专用机器接收装满芯片的容器,这些芯片被移入和移出这些系统进行处理。▲



      其中一台机器用于在制造芯片时从硅晶片上蚀刻材料。▲


      除了建造厂房和购置机器外,公司还必须花费巨资开发复杂的加工步骤,用平板大小的硅片来制造芯片——这就是为什么这些工厂被称为“晶圆厂”。


      巨大的机器在每个晶圆上设计芯片,然后沉积和蚀刻材料层来制造晶体管并将它们连接起来。在这些系统中,在自动高架轨道上的特殊吊舱中,一次最多可运送25片晶圆。


      加工一块晶圆需要数千个步骤,长达两个月。近年来,台积电已经为产量设定了节奏,运营着拥有四条或四条以上生产线的“千兆工厂”(gigafabs)。市场研究公司TechInsights的副董事长Dan Hutcheson估计,每个工厂每月可以加工10万片以上的晶圆。他估计,英特尔在亚利桑那州的两家计划投资100亿美元的工厂每个月的生产能力约为4万个晶圆。


      芯片如何封装


      芯片封装是芯片成品至关重要的一步,封装是为了保护电路芯片免受周围环境的影响,包括来自物理、化学方面的影响。以引线框架形式封装为例的完整封装工程需要经历晶圆减薄-划片-贴片-银胶烘烤-等离子清洗-键合-塑封-后固化-电镀-打标-切筋成型分离-测试-编带/装管/装盘等多个步骤。



      英特尔使用新技术堆叠芯片,然后进行封装。▲



      单个芯片在包装前存储在磁带和卷轴上。▲



      芯片将附着在封装基板上。▲



      加工后,晶圆被切成单独的薄片。这些被测试和包裹在塑料包装连接到电路板或系统的一部分。▲


      这一步已经成为一个新的竞争战场,因为要把晶体管做得更小就更加困难。现在,各家公司正在将多个芯片堆叠起来,或者将它们并排放置在一个包装中,将它们连接起来,就像一块硅片一样。


      如今,将少量芯片封装在一起已成为一种常规做法,而英特尔(Intel)已经开发出一种先进的产品,利用新技术将47个独立芯片捆绑在一起。


      是什么让芯片工厂与众不同



      英特尔员工在俄勒冈州希尔斯伯勒的英特尔园区的洁净室内等待移动工具零件。▲



      工人在洁净室内安装自动化物料搬运系统。▲



      大型管道将气体从园区的处理机器中排出。▲


      一块肉眼看不见的灰尘可以毁掉一个人。因此,晶圆厂必须比医院手术室更清洁,需要复杂的系统来过滤空气、调节温度和湿度。此外,晶圆厂还不能受到任何振动的影响,因为这些振动可能导致昂贵设备发生故障。因此,完美的洁净室建在巨大的混凝土板上,安装在特殊的减震器上。


      同样,移动大量液体和气体也是一件重要的事。英特尔的顶级工厂大约有70英尺(21米)高,有巨大的风扇帮助空气循环到正下方的洁净室。在洁净室的下面是成千上万的泵、变压器、动力柜、公用事业管道和与生产设备连接的冷水机。


      晶圆厂对水的需求


      晶圆厂是水密集型业务,这是因为在生产过程的许多阶段都需要水来清洁晶圆。



      希尔斯伯勒的水处理厂。芯片制造每天需要数百万加仑的水。▲



      英特尔希尔斯伯勒工厂的一座塔从水中去除气体。▲



      如何建造晶圆厂



      希尔斯伯勒的工人搬运建筑材料。▲



      Chandler 挖掘的泥土将以每分钟一辆自卸卡车的速度运走。▲



      起重机在钱德勒工地搬运建筑材料。除其他外,这些起重机将为新晶圆厂吊装 55 吨冷水机。▲



      在半导体领域,芯片制造是全球分工合作的产物,没有哪个国家能独善其身,比如像手机和汽车这样的产品,就需要来自许多供应商的零部件。芯片行业依赖一个复杂的全球企业网络来提供原材料、生产设备、设计软件、人才和专业制造。


      克洛诺斯是国内半导体产业、集成电路制造装备领域核心部件的重要供应商,产品主要有纳米级、微米级直线电机运动平台,有多种应用于集成电路芯片制造、先进封装、功率器件等关键领域的设备,为集成电路、晶圆检测等领域提供了多种解决方案。


      在集成电路领域,有PCB板激光直写平台等,在晶圆检测领域,有最新研发的气浮平台,重复定位精度达到±50纳米,可以依靠精密机械运作在极短的曝光时间内完美定位,快、准、稳,完成晶圆在量测端的极精密的检测。



      克洛诺斯PCB板激光直写平台


      克洛诺斯自研的气浮平台


      中国在构建其半导体制造供应链方面保持强劲增长。中芯国际和其他中国半导体领导者则宣布建设更多的工厂,重点是成熟的技术节点。在各方支持下,晶圆制造初创公司在后缘制造领域不断涌现。

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