試想一下，有一種商品，如果缺少它，整個(gè)社會(huì)都將被迫停頓，它有多重要？這種商品就是芯片。每個(gè)人的口袋里、家里都有芯片，芯片像鋼鐵支撐工業(yè)一樣支撐著我們的信息產(chǎn)業(yè)。芯片很難制造，因?yàn)樗闪巳祟惪萍嫉木A?，F(xiàn)在CPU中的晶體管存在納米級(jí)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(fèi)數(shù)百億美元？走進(jìn)英特爾的晶圓廠，就能找到一些答案。
英特爾(Intel)是PC芯片領(lǐng)域的巨頭，也是強(qiáng)大的芯片生產(chǎn)商。目前最先進(jìn)的制程工藝為10nm SuperFin（可以理解為10nm+）。如今，英特爾正試圖恢復(fù)其在芯片制造技術(shù)方面的長(zhǎng)期領(lǐng)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(shí)間內(nèi)，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(guī)模的擴(kuò)張計(jì)劃，將在俄亥俄州的新奧爾巴尼和德國(guó)的馬格德堡建立新工廠。
為了解一顆芯片的誕生過(guò)程，讓我們一起走進(jìn)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(jì)50年代末開(kāi)始取代體積龐大的單個(gè)晶體管。許多這些微小的部件是在一塊硅上生產(chǎn)的，并連接在一起工作。產(chǎn)生的芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、放大無(wú)線電信號(hào)和執(zhí)行其他操作。英特爾以各種微處理器而聞名，它們執(zhí)行計(jì)算機(jī)的大部分計(jì)算功能。
英特爾晶圓廠內(nèi)部
英特爾公司已經(jīng)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電可以生產(chǎn)更小的元件，沒(méi)錯(cuò)，這也是蘋果13系列采用的A15仿生芯片是由臺(tái)積電獨(dú)家代工的一個(gè)關(guān)鍵原因。A15仿生芯片集成了173億個(gè)晶體半導(dǎo)體，采用了較為成熟的最新5nmeuv+工藝。
其中一臺(tái)機(jī)器用于在制造芯片時(shí)從硅晶片上蝕刻材料。▲
除了建造廠房和購(gòu)置機(jī)器外，公司還必須花費(fèi)巨資開(kāi)發(fā)復(fù)雜的加工步驟，用平板大小的硅片來(lái)制造芯片——這就是為什么這些工廠被稱為“晶圓廠”。
巨大的機(jī)器在每個(gè)晶圓上設(shè)計(jì)芯片，然后沉積和蝕刻材料層來(lái)制造晶體管并將它們連接起來(lái)。在這些系統(tǒng)中，在自動(dòng)高架軌道上的特殊吊艙中，一次最多可運(yùn)送25片晶圓。
加工一塊晶圓需要數(shù)千個(gè)步驟，長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月。近年來(lái)，臺(tái)積電已經(jīng)為產(chǎn)量設(shè)定了節(jié)奏，運(yùn)營(yíng)著擁有四條或四條以上生產(chǎn)線的“千兆工廠”(gigafabs)。市場(chǎng)研究公司TechInsights的副董事長(zhǎng)Dan Hutcheson估計(jì)，每個(gè)工廠每月可以加工10萬(wàn)片以上的晶圓。他估計(jì)，英特爾在亞利桑那州的兩家計(jì)劃投資100億美元的工廠每個(gè)月的生產(chǎn)能力約為4萬(wàn)個(gè)晶圓。
芯片如何封裝
芯片封裝是芯片成品至關(guān)重要的一步，封裝是為了保護(hù)電路芯片免受周圍環(huán)境的影響，包括來(lái)自物理、化學(xué)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(jīng)歷晶圓減薄－劃片－貼片－銀膠烘烤－等離子清洗－鍵合－塑封－后固化－電鍍－打標(biāo)－切筋成型分離－測(cè)試－編帶/裝管/裝盤等多個(gè)步驟。
英特爾使用新技術(shù)堆疊芯片，然后進(jìn)行封裝?！?
單個(gè)芯片在包裝前存儲(chǔ)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(dú)的薄片。這些被測(cè)試和包裹在塑料包裝連接到電路板或系統(tǒng)的一部分?！?
這一步已經(jīng)成為一個(gè)新的競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)，因?yàn)橐丫w管做得更小就更加困難。現(xiàn)在，各家公司正在將多個(gè)芯片堆疊起來(lái)，或者將它們并排放置在一個(gè)包裝中，將它們連接起來(lái)，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(guī)做法，而英特爾(Intel)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種先進(jìn)的產(chǎn)品，利用新技術(shù)將47個(gè)獨(dú)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(qū)的潔凈室內(nèi)等待移動(dòng)工具零件?！?
工人在潔凈室內(nèi)安裝自動(dòng)化物料搬運(yùn)系統(tǒng)?！?
大型管道將氣體從園區(qū)的處理機(jī)器中排出?！?
一塊肉眼看不見(jiàn)的灰塵可以毀掉一個(gè)人。因此，晶圓廠必須比醫(yī)院手術(shù)室更清潔，需要復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)過(guò)濾空氣、調(diào)節(jié)溫度和濕度。此外，晶圓廠還不能受到任何振動(dòng)的影響，因?yàn)檫@些振動(dòng)可能導(dǎo)致昂貴設(shè)備發(fā)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(dòng)大量液體和氣體也是一件重要的事。英特爾的頂級(jí)工廠大約有70英尺（２１米）高，有巨大的風(fēng)扇幫助空氣循環(huán)到正下方的潔凈室。在潔凈室的下面是成千上萬(wàn)的泵、變壓器、動(dòng)力柜、公用事業(yè)管道和與生產(chǎn)設(shè)備連接的冷水機(jī)。
晶圓廠對(duì)水的需求
晶圓廠是水密集型業(yè)務(wù)，這是因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程的許多階段都需要水來(lái)清潔晶圓。
希爾斯伯勒的水處理廠。芯片制造每天需要數(shù)百萬(wàn)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(yùn)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(yùn)走?！?
起重機(jī)在錢德勒工地搬運(yùn)建筑材料。除其他外，這些起重機(jī)將為新晶圓廠吊裝 55 噸冷水機(jī)?！?
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，芯片制造是全球分工合作的產(chǎn)物，沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家能獨(dú)善其身，比如像手機(jī)和汽車這樣的產(chǎn)品，就需要來(lái)自許多供應(yīng)商的零部件。芯片行業(yè)依賴一個(gè)復(fù)雜的全球企業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供原材料、生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件、人才和專業(yè)制造。
克洛諾斯是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、集成電路制造裝備領(lǐng)域核心部件的重要供應(yīng)商，產(chǎn)品主要有納米級(jí)、微米級(jí)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，有多種應(yīng)用于集成電路芯片制造、先進(jìn)封裝、功率器件等關(guān)鍵領(lǐng)域的設(shè)備，為集成電路、晶圓檢測(cè)等領(lǐng)域提供了多種解決方案。
在集成電路領(lǐng)域，有PCB板激光直寫(xiě)平臺(tái)等，在晶圓檢測(cè)領(lǐng)域，有最新研發(fā)的氣浮平臺(tái)，重復(fù)定位精度達(dá)到±50納米，可以依靠精密機(jī)械運(yùn)作在極短的曝光時(shí)間內(nèi)完美定位，快、準(zhǔn)、穩(wěn)，完成晶圓在量測(cè)端的極精密的檢測(cè)。
克洛諾斯PCB板激光直寫(xiě)平臺(tái)
克洛諾斯自研的氣浮平臺(tái)
中國(guó)在構(gòu)建其半導(dǎo)體制造供應(yīng)鏈方面保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)。中芯國(guó)際和其他中國(guó)半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者則宣布建設(shè)更多的工廠，重點(diǎn)是成熟的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在各方支持下，晶圓制造初創(chuàng)公司在后緣制造領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。
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