从沙子到芯片的艺术

从沙子到芯片的艺术 

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半导体芯片所用的制造材料都是二氧化硅，而二氧化硅的来源基本上就是遍布河滩、海滩的沙子。大众很难将沙子与高科技的芯片划上等号，但事实就是如此。
原理：从沙子到芯片的过程
      以今天的目光来看，仙童时代的集成电路是非常简陋的，它只能在一枚芯片内容纳几百个晶体管，而今天的32纳米工艺将这个数量推高到几十亿。尽管数字如此悬殊，但它们的原理、设备与生产流程并没有本质性的不同。制造晶圆是生产芯片的第一步，晶圆的成分就是纯度达99.99%以上的硅晶体，它的原始材料就是二氧化硅，经过提纯、拉晶等多道复杂的工序后成为超高纯度的晶圆棒，之后晶圆棒再被切割为一个个均匀的薄片，这些硅薄片就是我们所说的晶圆。
      在接下来的工序中，这些硅晶圆会被划分为一个个矩形的区域，它们与一枚枚芯片相对应，逻辑电路便在这里生成。生成逻辑电路的工序与照相非常类似，它们都是将影像显示在底片上，对半导体生产来说，这个影像就是芯片逻辑的缩微电路图，具体地说，芯片的逻辑图会以电路磁带的方式提交给芯片工厂，工厂再利用电子束曝光系统将磁带上存储的电路图形以金属铬膜的形态制作在玻璃或石英上，这样就制造出了“光罩”。接下来，“光罩”被放置在硅晶圆表面，工程人员则操作光刻机，利用规定波长的紫外线照射硅片。有“光罩”金属铬膜的地方，光线被遮挡，而在没有金属铬膜的地方，紫外线就透过玻璃或石英到达硅片上，形成所需要的图形，这个过程也被称为“显影”。

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封装是芯片生产中的最后一个制造工序，封装本身并不影响芯片的性能，但它依然十分重要，不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，也对芯片的工作稳定性、安全性有着很大的影响。

首先，芯片的信号接触点必须用导线连接到封装外壳的引脚或触点上，这些引脚或触点又通过PCB板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。对于高频率的芯片来说，封装技术会影响到它们工作的稳定性。

芯片面积与封装面积的比值，是封装时主要考虑的因素。为提高封装的效率，二者要尽量接近1:1，同时引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离则要求尽量远，以保证互不干扰、提高性能。基于散热的要求，封装越薄越好。不难看出，上述的若干要求之间是存在矛盾的，半导体厂商则会根据芯片的实际情况选择不同的封装方式。