芯片是什么?芯片它从何而来,是不是越小就越先进?

说到芯片大家可能既熟悉又陌生,熟悉是因为我们提到芯片第一想到的是多少纳米(nm),但是芯片的由来和用途就不太清楚了,今天我们就来一起来聊聊芯片。

其实芯片在我们生活中随处可见,手机电脑、可穿戴电子产品、家电和汽车等都离不开芯片。

芯片(半导体元件的统称),是指集成电路的载体,也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。通常是一个可以立即使用的独立整体。

1949年到1957年间,维尔纳·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·达林顿(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)几位科学家都开发了原型,第一个集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的,包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器,并在2000年获得了诺贝尔物理奖,同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯。

芯片由大规模数量的晶体管组成芯片也可以称为集成电路,我们把晶体管、电阻、电容等集成到晶片上就成为集成电路了。大规模数量的晶体管集成在一起设计的电路,可以大大的提升性能,并且降低成本,尺寸更是可以大大的缩小。

为什么我们平常见到的芯片(集成电路)好像很简单,只是引脚比较多呢?是因为芯片经过了封装,只把功能引脚引出来,这样才可保护芯片,避免受到损伤。

芯片是否越小越先进?芯片越小,难度就越高,为什么我们要把芯片做得那么小呢?比如手机,大家是不是觉得手机越来越轻薄了呢,如果光手机的芯片就有手掌那么大,那么手机尺寸可能还停留在九十年代的大哥大,所以芯片尺寸超小,电子产品设计的灵活性越高,同时制作过程更加要求更高。

近年来,芯片持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能,见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每1.5年增加一倍。

虽然随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了,单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC也存在问题,主要是泄漏电流。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图中有很好的描述。

芯片它从何而来,是不是越小就越先进?

要提升芯片的性能,就需要更多CPU核心,也就需要集成更多晶体管,相同尺寸的芯片,要集成更多数量的晶体管,意味着单个晶体管的尺寸更小。晶体管之间的距离就更小的,它们之间的电容就会减少,晶体管的开关频率就可以得到提升。

所以越先进的芯片,除了需要越先进的工生工艺和技术水平,还需要有先进的设备支持。ASML公司生产的极紫外光(EUV)光刻机就是必不可少的设备了,而紫外光(EUV)光刻机本身就是全球尖端科技的结晶。

下面我们就来聊聊制造过程。芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,晶片制作过程到底有多复杂?我就简单的概括说一下吧。

第一步,芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样”,就比如我们建房子要根据需求去设计图纸。

第二步,需要芯片的原料晶圆,晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着把这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,把它切片就是芯片制作具体所需要的晶圆了。

第三步,晶圆开始涂膜,晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,这种材料也是光阻的一种。

芯片它从何而来,是不是越小就越先进?

第四部:掺加杂质,把晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。

第五步:晶圆测试,经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。

第六步:把这些制造完成晶圆固定,绑定引脚,然后进行封装。

芯片它从何而来,是不是越小就越先进?

第七步:芯片进行测试,然后将没有问题的进行包装。

目前台积电已经突破5纳米工艺,并在今年实现量产,而中芯国际目前也只能量产14nm的芯片,所以最近大家积电断供华为麒麟芯片受到广泛关注也是这个原因。

有消息称,美国科学家已经在实验室中试探1nm的芯片了,它的技术特点是不用硅做底板而是用石墨稀做底板。如果未来1nm的芯片商业化,那将是电子行业的一场“革命”。​

关键词: 芯片

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