CPU 是怎么被制造出來的 - 芯片和CPU有什么不同?解析CPU制造全過程
CPU 是怎么被制造出來的
( 1 ) 硅提純
生產 CPU 等芯片的材料是半導體,現階段主要的材料是硅 Si ,這是一種非金屬元素,從化學的角度來看,由于它處于元素周期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處,所以具有半導體的性質,適合于制造各種微小的晶體管,是目前最適宜于制造現代大規模集成電路的材料之一。
在硅提純的過程中,原材料硅將被熔化,并放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種,以便硅晶體圍著這顆晶種生長,直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是 200 毫米,而 CPU 廠商正在增加 300 毫米晶圓的生產。
( 2 )切割晶圓
硅錠造出來了,并被整型成一個完美的圓柱體,接下來將被切割成片狀,稱為晶圓。晶圓才被真正用于 CPU 的制造。所謂的“切割晶圓”也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規格的硅晶片,并將其劃分成多個細小的區域,每個區域都將成為一個 CPU 的內核 (Die) 。一般來說,晶圓切得越薄,相同量的硅材料能夠制造的 CPU 成品就越多。
( 3 )影印( Photolithography )
在經過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻 (Photoresist) 物質,紫外線通過印制著 CPU 復雜電路結構圖樣的模板照射硅基片,被紫外線照射的地方光阻物質溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾,必須制作遮罩來遮蔽這些區域。這是個相當復雜的過程,每一個遮罩的復雜程度得用 10GB 數據來描述。
( 4 )蝕刻 (Etching)
這是 CPU 生產過程中重要操作,也是 CPU 工業中的重頭技術。蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上,使之曝光。接下來停止光照并移除遮罩,使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜,以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。
然后,曝光的硅將被原子轟擊,使得暴露的硅基片局部摻雜,從而改變這些區域的導電狀態,以制造出 N 井或 P 井,結合上面制造的基片, CPU 的門電路就完成了。
( 5 )重復、分層
為加工新的一層電路,再次生長硅氧化物,然后沉積一層多晶硅,涂敷光阻物質,重復影印、蝕刻過程,得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重復多遍,形成一個 3D 的結構,這才是最終的 CPU 的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。 Intel 的 Pentium 4 處理器有 7 層,而 AMD 的 Athlon 64 則達到了 9 層。層數決定于設計時 CPU 的布局,以及通過的電流大小。
( 6 )封裝
這時的 CPU 是一塊塊晶圓,它還不能直接被用戶使用,必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中,這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結構各有不同,但越高級的 CPU 封裝也越復雜,新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩定性的提升,并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。
( 7 )多次測試
測試是一個 CPU 制造的重要環節,也是一塊 CPU 出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能,以檢查是否出了什么差錯,以及這些差錯出現在哪個步驟(如果可能的話)。接下來,晶圓上的每個 CPU 核心都將被分開測試。
由于 SRAM (靜態隨機存儲器, CPU 中緩存的基本組成)結構復雜、密度高,所以緩存是 CPU 中容易出問題的部分,對緩存的測試也是 CPU 測試中的重要部分。
每塊 CPU 將被進行完全測試,以檢驗其全部功能。某些 CPU 能夠在較高的頻率下運行,所以被標上了較高的頻率;而有些 CPU 因為種種原因運行頻率較低,所以被標上了較低的頻率。最后,個別 CPU 可能存在某些功能上的缺陷,如果問題出在緩存上,制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存,這意味著這塊 CPU 依然能夠出售,只是它可能是 Celeron 等低端產品。
當 CPU 被放進包裝盒之前,一般還要進行最后一次測試,以確保之前的工作準確無誤。根據前面確定的最高運行頻率和緩存的不同,它們被放進不同的包裝,銷往世界各地。
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( 發表人:李倩 )