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小小芯片上的上千万个晶体管是怎么装上去的?

 vu米 2021-10-05

最早的计算机和中央处理器确实是通过晶体管导线连接起来的。根据相关数据,最早的计算机非常大,使用18000个电子管,占地150平方米,重30吨,消耗大约150千瓦的功率,每秒钟执行5000次操作。虽然计算能力对现代来说并不好,但在当时是非常好的,现在普通家庭的计算能力可以达到每秒1万亿次以上。

目前,我们使用的芯片上没有一个接一个地安装成千上万个晶体管,所以小零件不能一个接一个地安装。至少目前的工艺水平无法达到,即使能达到这样的精度,生产的次品数量也高得惊人。想象一下,一个中央处理器上有上亿个部件。如果一个零件的质量或装配有问题,它将会失败。

那它是怎么发生的呢?

事实上,它是通过光刻,的发展和腐蚀一步步制造出来的。我也没有从事过CPU公式的工作,但是我在柔性印刷电路板公司工作过一段时间,所以我想给你介绍一下。如果有任何不准确的地方,请改正。

  • 准备工作

芯片中央处理器的主要成分是硅,沙子中的硅含量很高,但它以二氧化硅(二氧化硅)的形式存在。为了获得纯硅,砂被净化以除去杂质,如钙和镁。碳脱氧还原得到纯硅,提纯得到单晶硅棒。单晶硅棒为圆柱形,硅的纯度很高,在99.999%以上。

第一阶段(晶体管制造)

切片:将单晶硅棒切成薄片,一般直径为200毫米,厚度为0.5-1.5毫米。

抛光:抛光单晶硅片。据说单晶硅片的表面平整度在0.2纳米以上,比我们通常使用的镜子亮100倍。这就是我们通常所说的晶片。晶圆是中央处理器的基础,一个晶圆可以制造数百个处理器。

沉淀:用沉淀法在单晶硅片上沉积一层二氧化硅和一层氮化硅。

滴胶:滴光刻胶,通过旋涂技术将光刻胶均匀涂在晶圆表面,使晶圆表面形成一层光刻胶膜。光刻胶主要用于保护表面不被显影剂溶解,但暴露在紫外线下后会很容易溶解。

光刻:使用掩模和透镜将预先设计好的电路投射到晶片上。遮罩由透明和不透明的模板组成。当紫外线通过掩模照射时,电路图被透镜缩小并投射到晶片上。这个原理就像一个投影仪。投影是放大单词,这是缩小电路图。发展

将光刻晶片放入显影剂中,这样紫外线照射的光刻胶会被腐蚀和洗掉,没有被紫外线照射的地方会留下来,有点像显影膜。

腐蚀

然后冲洗掉显影液,放入腐蚀性溶液中,这样氧化硅和氮化硅没有被光刻胶保护的部分就会被腐蚀掉。

清洗后,放入另一种腐蚀性液体中,未被光刻胶保护的硅将继续被腐蚀一层。

然后填充一层二氧化硅作为绝缘层

然后用研磨和蚀刻工艺暴露硅

接下来是离子注入过程

离子注入

同样,在圆形晶体上涂上光刻胶,然后用光刻和显影技术将需要离子注入的部分清空,其余部分用光刻胶保护。离子束被注入到裸露的硅衬底(上面的灰色部分)上,以改变硅表面的极性。

重复上述步骤数次,制作栅极绝缘介质、源极和漏极,然后制作晶体管。然后是第二阶段。

第二阶段(连接组件)

同样,通过滴胶、光刻,显影、蚀刻等在二氧化硅上制作凹槽。然后填充钨或铜作为晶体管之间的导线。根据不同的工艺,晶体管和连接线有几个简单的层,甚至几十个复杂的层。也就是说,以上步骤要重复几十次,整个过程甚至达到数百步。

到目前为止,芯片基本完成。

下一步是分离晶片上的芯片,每个芯片都是中央处理器的核心。然后将其放在中央处理器基板上,用引线将芯片与封装引脚相连。添加一个盖子并密封,以防止外部灰尘和水蒸气污染。

第三阶段(检测)

成品制造完成后,最终会在每个过程中进行测试。不符合要求的被丢弃,符合要求后可以包装运输。

现在你应该明白为什么中央处理器的主要材料是沙子,但沙子是如此便宜,芯片是如此昂贵。

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