解析CPU制造流程过程大揭秘:从沙子/硅单晶/硅锭到CPU处理器/芯片/集成电路

CPU(Centralprocessingunit)是现代计算机的核心部件,又称为“微处 理器(Microprocessor)”。对于PC而言,CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。Intelx86架构已经经历 了二十多个年头,而x86架构的CPU对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。

 

一代一代经典的CPU
许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了,提高CPU的速 度,最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的晶体管,由于CPU实在太小,太精密,里面组成了数目相当多的晶体管,所以人手是绝 对不可能完成的,只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管。晶体管其实就是一个双位的开关:即开和 关。如果您回忆起基本计算的时代,那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择,开和关,对于机器来说即0和1。那么您将如何制作一个CPU呢?在今天 的文章中,我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。

一个CPU,电脑的心脏,是如何被制造的?

0. 制造第一阶段

沙子:硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。

硅熔炼:12英寸/300毫米晶圆级,下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅,学名电子级硅(EGS),平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的,最后得到的就是硅锭(Ingot)。

单晶硅锭:整体基本呈圆柱形,重约100千克,硅纯度99.9999%。

硅锭切片来制造的硅晶片

1. 一块大的硅单晶或硅锭(纯度99.999999999%)被一个金刚石刀片切割来制造薄的硅晶片。

2. 硅晶片的表面被抛光来制造一个镜面。

处理表面来制造半导体

3. 晶片表面生成氧化物薄膜。

4. 光刻胶膜被涂在晶片表面。

5. 光刻胶膜暴露于通过图样隔板的紫外光下。

6. 暴露在紫外光下的光刻胶区域被移除了。(暴露的部分会变成一种能被显色剂识别的物质。)

7. 之后使用碱剂去除氧化物薄膜。显露出硅表面。

8. 接着,所需要的离子被注入硅表面。硅的性质就会转变为半导体,这是一种能制造出元件电气特性的状态。

9. 元件的电气特性随后会由连接线路和制造电路来生成。同一块硅片上可以制造出很多芯片。晶圆探针用于电气检测芯片并确定好与不好的芯片。

注意:为了便于观察,此图已被简化了。在一个现实的晶片上,会形成晶圆凸点用于连接到封装板。

从硅片上分离CPU

10. 优良的芯片将从硅片上分离。

11. 每个分离的芯片上的晶圆凸点会与陶瓷或树脂封装板相匹配。

12. 有效移除热量的散热器会盖在安装芯片的封装板上。现在CPU就完成了。经过各种测试,只有良好的产品才能被选用。

13.

CPU(Centralprocessingunit)是现代计算机的核心部件,又称为“微处 理器(Microprocessor)”。对于PC而言,CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。Intelx86架构已经经历 了二十多个年头,而x86架构的CPU对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。

 

一代一代经典的CPU
许 多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了,提高CPU的速 度,最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的晶体管,由于CPU实在太小,太精密,里面组成了数目相当多的晶体管,所以人手是绝 对不可能完成的,只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管。晶体管其实就是一个双位的开关:即开和 关。如果您回忆起基本计算的时代,那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择,开和关,对于机器来说即0和1。那么您将如何制作一个CPU呢?在今天 的文章中,我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。

一个CPU,电脑的心脏,是如何被制造的?

0. 制造第一阶段

沙子:硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。

硅熔炼:12英寸/300毫米晶圆级,下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅,学名电子级硅(EGS),平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的,最后得到的就是硅锭(Ingot)。

单晶硅锭:整体基本呈圆柱形,重约100千克,硅纯度99.9999%。

硅锭切片来制造的硅晶片

1. 一块大的硅单晶或硅锭(纯度99.999999999%)被一个金刚石刀片切割来制造薄的硅晶片。

2. 硅晶片的表面被抛光来制造一个镜面。

处理表面来制造半导体

3. 晶片表面生成氧化物薄膜。

4. 光刻胶膜被涂在晶片表面。

5. 光刻胶膜暴露于通过图样隔板的紫外光下。

6. 暴露在紫外光下的光刻胶区域被移除了。(暴露的部分会变成一种能被显色剂识别的物质。)

7. 之后使用碱剂去除氧化物薄膜。显露出硅表面。

8. 接着,所需要的离子被注入硅表面。硅的性质就会转变为半导体,这是一种能制造出元件电气特性的状态。

9. 元件的电气特性随后会由连接线路和制造电路来生成。同一块硅片上可以制造出很多芯片。晶圆探针用于电气检测芯片并确定好与不好的芯片。

注意:为了便于观察,此图已被简化了。在一个现实的晶片上,会形成晶圆凸点用于连接到封装板。

从硅片上分离CPU

10. 优良的芯片将从硅片上分离。

11. 每个分离的芯片上的晶圆凸点会与陶瓷或树脂封装板相匹配。

12. 有效移除热量的散热器会盖在安装芯片的封装板上。现在CPU就完成了。经过各种测试,只有良好的产品才能被选用。

13.

 封装:封装级别,20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起,就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座,并为处理器内核提供电气与机械界面,便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。
处理器:至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的,这里只是展示了其中的一些关键步骤。

14.

       等级测试:最后一次测试,可以鉴别出每一颗处理器的关键特性,比如最高频率、功耗、发热量等,并决定处理器的等级,比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme,还是低端型号Core i7-920。

       装箱:根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。

15. 成品出炉

       零售包装:制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商,要么放在包装盒里进入零售市场。这里还是以Core i7为例。

 

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