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芯片是如何产生的?我们的芯片产业链真实差距有多大?

 时间:2019/5/23 12:40:26分享人:空空热度:1313 ℃

在不依靠美国企业的情况下,华为能否获得足够优秀的芯片?而我国芯片相关企业,技术和世界先进水平差距又有多大?

芯片是如何诞生

芯片又名集成电路,是半导体元件产品的统称。大致可分为两类,实现思考功能的芯片,如 CPU、AI;实现记忆功能的芯片,如存储芯片等。

造芯片的第一步,是设计电路图(IC设计),高通、英伟达、海思它们就是干这个的。

集结无数专家,根据芯片的用途制定规格,再使用 EDA软件完成细节设计。

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设计好的电路图,需要拿到芯片工厂流片,也就是通过流水线一样的工艺,「试生产」个几片几十片,供测试用,测试通过了才能开始大规模生产。

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看起来简单,实则需要恐怖的人力物力财力。像麒麟 980,华为从2015年就立项研发,一次流片就几千万美元;如果流片失败不仅钱白花,还影响产品上市时间。

据悉,澎湃 S2之所以至今未面世,是因为流片五次都失败了,小米几个亿砸下去连水花都没冒一个,雷布斯心里苦啊!

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造芯片的第二步,就进入到制作阶段。

首先,需要找原材料沙子,这个沙子不是我们在沙滩上玩的那种,需要从石英岩中提取出来。 这个石英岩也是由沙子形成的,一些沙子随着时间的推移挤压在一起,在地球深处被加热,除石英外几乎所有元素都从岩石中消失了,所以从这种沙子里能提炼出的高纯度的硅。 怎么提炼呢?当然是用熔炉了,把它们和足量的碳混在一起,经过几千摄氏度高温炙烤,加上反复地酸化和蒸馏后,转变成纯度高达 99.999999% 的纯硅锭。

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这些纯硅锭再通过一种名为「直拉法」的工艺,一边旋转,一边冷却,最终成为一根黑大粗长的单晶硅棒。

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硅谷当年之所以取名硅谷,灵感就是来源于它,可见硅对于世界的影响。

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接下来,这根硅棒会被切头去尾,因为那部分性能不好。随后经过外径研磨,把硅棒磨削成指定的尺寸,通常是 8英寸或 12 英寸,直径越大,最终单个芯片生产成本就越低;但相应的,加工技术要求也越高。

再往下,要用钻石刀将硅棒给切成一片片又薄又平的圆盘,根据用途,厚度一般在 0.5~1.5毫米。

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把圆盘进行抛光,磨得比家里的镜子还「亮」个上百倍后,就形成了硅晶圆,也就是制作芯片的底盘。

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有点像造房子,硅晶圆相当于地基,把电路图「建造」在上面,便诞生出芯片。只不过其步骤之繁琐和苛刻,都快赶得上造一座城市了。

由于芯片制造对工艺要求极高,需要在无尘环境中进行,所以在几个足球场那么大的工厂里,水和空气都经过多级过滤,比医院的手术台还要干净 10万倍。

有点想去里面逛逛,感受下呼吸如此纯净的空气,是怎样一种感受......

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在这里面,硅晶圆将经历数百道工艺,最终成为芯片。

首先,会把硅晶圆送到「烤炉」中,在精确控制的温度和气体氛围下,于其表面烘焙形成均匀的氧化膜,接着在上面喷淋一种叫「光刻胶」的保护层。

有点像烤吐司,把表面烤焦,然后在上面抹一层酱。

之后,我们熟悉的光刻机就登场了。它将紫外线透过掩膜,把预先设计好的电路图投影到硅晶圆上,被照到的光刻胶会溶解,变成电路的形状。

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光刻完成的硅晶圆,将被浸泡在刻蚀试剂中,没有被光刻胶保护的部分(也就是光刻好的电路图),表面的氧化膜逐渐被腐蚀掉,裸露出硅基底,最终形成电路图。

这时,光刻胶的使命就完成了,被无情的清理掉。

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值得注意的是,光刻和蚀刻的制程工艺,与成芯后的性能息息相关。通俗点说,就是刻的越精细,每颗芯片上的晶体管就越多,性能便越强。

再往后,轮到离子注入环节了。离子就是带电的原子,它们会嵌入到硅里面,改变它们的极性,形成晶体管。

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如此一来,电流就只能从一个方向通过,而晶体管将扮演小型开关的作用,这样,CPU就能理解我们的指令,并做出相应的反馈。

接着,开始沉积镀铜。在真空设备内,通过惰性气体离子束打在铜靶材上,将铜原子冲刷出来,然后沉积在硅晶圆上,一层又一层。相当于给硅晶圆上铺上几层「铜灰」。

镀上铜后,硅晶圆要拿回去,再次经历表面磨削、光刻、刻蚀等过程,把镀好的铜分割成细小的导线,达到连接晶体管的目的。

较为复杂的芯片,会重复镀铜到刻蚀这一步骤 20次以上,形成 20多层复杂的电路。里面有数公里长的导线,将几千万甚至上亿根晶体管连接在一起,令人叹为观止。

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经过这一系列的流程后,我们得到了布满芯片的硅晶圆,进入到最后一步封装测试。

最后一步封装测试

用精细的切割器,将硅晶圆切成一个个集成电路裸片,然后和底板、散热片等部件拼装在一起,一颗完整的芯片就此诞生,通过最终检测后,便可以包装、销售了。

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其实,以上这些看得人眼花缭乱的流程,已经是大幅简化后的版本。由此可见,一颗指甲盖大小的芯片中,包含了难以计数的元件,涉及无数前沿核心技术,工艺复杂又精妙。 小鱼想说,售价数千元的手机,才是真正的工业时代奢侈品,相比之下神马 LV 包包陀飞轮手表,技术含量弱爆了。 因此,一颗芯片的诞生,需要产业链上下游多家公司、数千名工程师、历经无数道工序完成。整个芯片产业链相关企业,大致可分为四类——IC设计、芯片制作、封装测试、设备制造。

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关键字: 差距产业链芯片
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