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芯片里有多少晶体管是怎么装上去怎么工作的

时间:2020-01-17 10:54 来源:电工之家

 最早的计算机和CPU确实是一个个晶体管电线连接而成。据相关资料表明,最早的计算机体积非常大,用了18000个电子管,占地150平方米,重达30吨,耗电功率约150千瓦,每秒钟可进行5000次运算。虽然运算能力对于现代来讲不咋样,但是在那个年代是非常牛了,现在普通家庭的计算机计算能力每秒可达到1万亿次以上。
现在我们所用的芯片上面,成千上万个晶体管并不是一个一个装上去的,那么小的零件,没办法一个个装上去。至少目前的工艺水平是达不到的,即使能达到这样的精度,做出来的不良品也高的惊人。试想一下,一个CPU上面有上亿个零件,只要有一个零件品质或者装配有问题就会不合格。
那它到底是怎么做出了的呢?其实它是通过光刻、显影、腐蚀等步骤一步一步制造出来的。我也没在CPU公式上过班,不过在柔性电路板公司工作过一段时间,大概给大家介绍一下吧。如果有不准确的地方,欢迎大家指正。
芯片里有多少晶体管是怎么装上去怎么工作的
准备工作
芯片CPU主要成分是硅,而沙子中硅含量非常高,但是是以二氧化硅(SiO2)的形式存在。为了得到纯净的硅,把沙子通过提纯去除沙子中的钙、镁等杂质。再通过碳脱氧还原得到纯净的硅,最好再经过净化就得到了单晶硅棒。单晶硅棒呈圆柱状,硅纯度非常高,99.999%以上。
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第一阶段(晶体管制造)
切片:把单晶硅棒切成薄片,单晶薄片一般直径为200mm,厚0.5-1.5mm。
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抛光:把单晶硅片抛光,据说单晶硅片表面平整度在0.2纳米以上,比我们平常用的镜子还要亮100倍。这就是我们常说的晶圆。晶圆是CPU处理器的基础,一个晶圆上可以做成千上百个处理器。
沉淀:通过沉淀方法在单晶硅片上沉淀一层二氧化硅,再沉淀一层氮化硅。
滴胶:滴上光刻胶,利用旋涂技术把光刻胶均匀涂抹在晶圆的表面,让晶圆表面形成一层光刻胶薄膜。光刻胶主要是用来保护表面不被显影液溶解,但是它被曝光(紫外线照射)过后就会变成容易溶解。
光刻:利用掩膜、透镜把掩模上事先设计好的电路投射到晶圆上。掩模是由透明和不透明的模板制作而成,当紫外光线透过掩模照射,再通过透镜把电路图缩小,投射到晶圆上。这个原理就像投影仪,投影是把字放大,这个是把电路图缩小。
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显影
把光刻的晶圆放入显影液中,这样被紫外线照射过的光刻胶就会被腐蚀冲洗掉,没有被紫外线照射的地方就保留了下来,这个有点像冲洗胶卷。
腐蚀
再把显影液洗掉,放入腐蚀液中,这样没有被光刻胶保护的氧化硅和氮化硅部分就腐蚀掉了。
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冲洗以后,放入另外一种腐蚀液中,没有被光刻胶保护的硅继续被腐蚀掉一层。
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然后填入一层二氧化硅作为绝缘层
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再利用碾磨和腐蚀工艺让硅露出来
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接下来就是离子注入工艺了
离子注入
用同样的方法,在圆晶上涂上光刻胶,再利用光刻、显影技术,把需要离子注入的部分空出来,其他部分通过光刻胶保护。通过离子束注入到裸露的硅基底上(上图灰色部分),从而改变硅表面的极性。
再重复上述步骤几次,作制出栅极绝缘介质、源极与漏极,这样晶体管就做成啦。接下来就是第二阶段。
第二阶段(连接各元器件
同样用滴胶、光刻、显影、腐蚀等方法在二氧化硅上开出槽,然后用金属钨或铜填充作为各晶体管之间的电线。根据工艺不同,晶体管和连接线简单的有几层,复杂的甚至达到几十层。也就是说还要重复上述步骤几十次,整个过程甚至达到几百个步骤。
到此为止,芯片基本上就完成了。
接下来就是把晶圆上一个个芯片分割开来,每一小块就是CPU的内核。然后放入CPU基板上,利用引线把芯片与封装引脚连接。再加入盖子封起来,防止外界灰尘和水汽污染。
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第三阶段(检测)
成品作制完成以后,最后经过各道工序检测。达不到要求的被丢弃,达到要求以后就可以装箱出货了。
现在你应该明白,为什么做CPU的主要材料就是沙子,但是沙子那么便宜,而芯片却那么贵?

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