说透芯片
邵巍
前 ARM 中国区服务器与生态系统市场总监 前阿里平头哥高级产品经理
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说透芯片
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04 | 芯片制造:一颗芯片到底是如何诞生的(下)

你好,我是邵巍。
上一讲,我带你从市场需求分析开始,完成了一颗芯片的设计。但是到此时,这颗芯片,还是一个纸上的产品,这一讲,我就带你从晶圆制造到封装测试,历遍芯片的完整制造流程。
芯片是这个世界上最复杂的工程,也是最高精尖的制造工艺。上一讲我跟你说过 iPhone 的 A11 处理器,大约在 88 平方毫米的面积上,集成了 43 亿个晶体管。43 亿个晶体管是什么概念呢?如果一秒钟制造一个晶体管的话,制造 43 亿晶体管需要 136 年。
如果仔细看每个晶体管,都是由硅基底(Silicon Substrate)、氧化层(Oxide)、鳍(Fin)、栅(Gate)构成的。鳍的高度,宽度都在十几、几十纳米;栅极长度,高度也在几十纳米的范围之内,是非常精致的纳米级器件。下图已经是简化过的抽象模型,随着半导体工艺的演进,实际的器件,其实比下图要更加复杂。
而芯片的制造,就是要在平方毫米的尺寸上,制造上亿个纳米级晶体管的过程。我们在讲芯片的物理实现的时候说过,每个晶体管,都是被工程师们精心设计,放置在特定的位置上,要完成一定功能的,因此在制造过程中,任何一个晶体管的失效,都会导致最终芯片的一部分,或者整个芯片的失效。
对于整个芯片的制造过程,我给你分了三个步骤让你理解,包括上游的晶圆材料准备,中游的晶圆加工,和下游的封装与测试。开头我给你展示了一张流程图,图中把晶圆制造和封装测试分成两步了,这里我换一种说法,分为上中下游,你也许能更好理解。我们一步一步来拆解。
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芯片制造是一项极其复杂和精密的工程过程,涉及多个关键步骤,包括晶圆加工、封装和测试。晶圆加工过程中的关键步骤包括纯硅晶圆的打磨抛光、镀膜、光刻、蚀刻、离子注入、电镀和测试。其中,光刻是整个过程中最重要且昂贵的环节,而EUV光刻机更是成本高昂且供应稀缺。晶圆加工过程的价值问题也备受关注,台积电一片5nm晶圆的加工费高达12500美金,而其平均每片晶圆可以产生近4000美金的利润,凸显了晶圆加工过程的高价值。整个制造过程需要高度精密的工艺和设备,以确保每一个晶体管的质量和功能都能得到保证。 在晶圆制造完成测试后,会被送往下游的IC封装测试厂实施切割、封装和进一步的测试。封装的主要目的是将半导体材料集中在一个保护壳内,防止物理损坏和化学腐蚀。封装技术的发展经历了三次大的技术进步,包括从引脚插入式封装到表面贴片封装,再到球型矩阵封装,最后是2D、2.5D、3D封装等先进封装。先进封装的推动力主要来自手机和数据中心对高性能芯片的需求。 随着台积电等代工厂的出现,半导体公司由一包到底的IDM模式,向代工模式转换。半导体行业是全球化分工最早最彻底的行业之一。这种分工模式的出现,使得越来越多的创业公司选择放弃建厂环节,专注在价值更高的设计芯片环节。制造和设计开始了分离,成为行业发展的新趋势。 总的来说,芯片制造是一项技术含量极高、价值巨大的工程,而制造和设计的分离也是半导体行业发展的新趋势。

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全部留言(28)

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  • 詹姆斯Li
    美国制造业外迁是大范围的,不仅是芯片,对不对我觉得可以看3个层面, 站在企业角色做战略聚焦,把经历放在利润更大的上游无可厚非,但是这样要保证研发设计方向不能踏空,比如intel在移动互联方面和ai方面就有点踏空,导致现在有点落后了。 站在国家角度属于战略失误吧,整体产业控制力减弱,就业也受影响, 站在国际角度供应链协作,生态开放,优势互补是我觉得正确的

    作者回复: 同意,国家战略角度必须干预,不能放任企业按经济规律办事。

    2021-05-26
    2
    13
  • Payne
    IBM出2nm芯片了

    作者回复: IBM研发出2nm的工艺流程(类似于IP),要晶圆厂落地量产,良率达到一定程度,才算是“有2nm的芯片”

    2021-05-26
    6
  • iLeGeND
    摩尔定律不是对结果现象的大致描述吗?怎么还能当公式去做为原因倒推结果呢

    作者回复: 这就是从事实中抽象出理论,然后再用理论指导实践的过程。太多理论,不是物理/自然理论,而只是前人的经验总结而已。

    2021-05-27
    2
    4
  • !null
    看不到打破垄断的希望

    作者回复: 事在人为,竞争对手的先进也是由人完成的,不过是有先发优势而已。努力干,总会追上,并且反超的。

    2021-05-27
    3
  • 送过快递的码农
    芯片制造应该是整个流程中我认为是至关重要的一环。。。他决定了之前的设计能不能落地,参考海思就知道了。也就是 我们痛了,才知道全产业链的重要性

    作者回复: 也有道理,短板就是重点。

    2021-05-26
    3
  • jssfy
    请问ARM在芯片设计阶段起到什么作用呢?具体的设计和制造环节都没有提到ARM,但是最后的产业链分工视角里有写到ARM了,不太理解是否有直接或者哪些间接的联系或者影响

    作者回复: arm卖IP, 如果做一个有arm CPU的soc, 前端设计的CPU代码是有arm公司提供的,就是在RTL的阶段。 如果soc中没有arm的CPU,就没有arm什么事了。

    2021-06-09
    2
  • Longerian
    放弃IDM模式,在商业是应该是合理的,可以参考李嘉图比较优势理论;但对一个国家行业的发展战略上,可能会有影响,就好比现在美国已经无法生产iPhone,更是缺少了一整条供应链的制造能力

    作者回复: 一个国家,特别是大国,应该是产业链完整。 一个公司,可以只专注于价值最高的环节。

    2021-06-02
    2
  • 彭海民⬆️
    对于芯片这种高精尖的产品,它的制造环节和设计环节的重要性相当。 美国公司放弃 IDM 模式,将生产制造环节转到亚洲的这个做法对整体行业的发展是好的,美国公司专注顶层设计,依然能保持行业龙头地位。但是分工越细,竞争对手想要赶超就只需单点突破,理论上更容易被超越?

    作者回复: 美国公司专注设计是因为利润更高。设计上想超越,也不容易... ...特别是芯片设计和软件生态强强联手的时候。

    2021-05-26
    2
    2
  • Lorry
    荷兰的光刻机之前看到一篇文章,好像还是要被淘汰了,所以最近才主动找中国合作,是这样吗?

    作者回复: 目前看,ASML还在巅峰状态

    2021-06-27
    1
  • CaptainJackey
    美国表面上将生产制造环节转到亚洲,但在ASML光刻设备的专利、配件供应有足够话语权,所以本质还是占领着制高点。而设计环节更不用说,EDA和IP生态足以让其设计保持领先地位。

    作者回复: EDA和IP生态,美国真是很强。同时美国也在反思制造环节的重要性。

    2021-05-27
    1
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