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      芯片為什么這么難造 做完這些堪稱神跡

      2018-6-7 09:09| 發布者: admin| 查看: 823| 評論: 0

      眾所周知,在每個智能設備當中,芯片起到了至關重要的作用,不論是PC、智能手機還是智能可穿戴設備,CUP作為核心元器件都是必不可少的存在。但就這么一個小小的玩意,中國目前卻無法有效地進行量產。

      有時候一個東西過于細微,并不意味著容易制造,更別說芯片這種需要納米級工藝來進行操控的東西,更是人力所不能及的。在IC芯片中,最重要的東西是晶體管,這相當于人體大腦中的神經系統,晶體管越多,芯片的運算速度也就越快。因此,如何在這么一個狹小的地方放置更多的晶體管,成為一道難題。

      芯片的基本單位——晶體管

      所謂晶體管是一種半導體器件,放大器或電控開關常用。由于其相應速度快,準確性高,可以用于各種數字和模擬功能,包括放大、開關、穩壓、信號調制和振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區域,可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分,這也是為什么CPU中可以集成如此多晶體管的原因。

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      早在1929年,當時的工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是限于當年的技術水平,還無法將晶體管制造出來。直到1947年12月,世界上最早的實用半導體器件才在貝爾實驗室中被制造出來,而在首次試驗時,這個晶體管能夠把音頻信號放大100被,而外形則類似火柴棍。

      而到了1950年,第一只“PN結型晶體管”(PN結就是P型和N型的結合處,P型多空穴,N型多電子,下面會講到)才終于問世,如今的晶體管,大部分仍然屬于這種PN結型晶體管。

      制造芯片的流程

      回到芯片制作中來,如今一塊好的芯片制作流程又是怎樣的呢?作為這些智能設備的大腦,它的誕生又需要經歷哪些步驟呢?

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      芯片實際上是一片載有集成電路的元件,大致可以分為兩類,一類為功能芯片,如CPU、通訊基站的處理芯片等;第二類為存儲芯片,比如電腦中的閃存。

      而要制造一個芯片,在產業上主要分為這么幾個內容。首先便是芯片的設計,就如同做一個工程需要有藍圖一樣,芯片也是如此,做出的芯片想要實現什么樣的功能,在設計這一步就已經確定,這需要專業人才來進行電路的設計。

      其次是制作,這一步也是最繁瑣的,后面會詳細講到。而最后是封裝,也就是把成品的芯片裝好變成一個可以銷售的產品,也就是我們在市面上所看到的模樣,這樣的過程就叫做封裝,我國大多數芯片產業中所涉及的便是封裝行業。

      在這三大步驟中,最難的是設計,而容易的是封裝。作為芯片的靈魂,沒有一個好的設計,芯片根本無法成行,因此設計至關重要。

      現如今我國芯片產業主要集中在制作與封裝,尤其是封裝最多,而在設計層面有所涉獵的企業則是鳳毛麟角。即便有設計出來的芯片也主要是集中在中低端層面,而在高端芯片的設計中所占份額基本為零。

      芯片運行的原理

      制作芯片的主要原材料是硅,通常而言是從砂石之中提煉而出,把沙子中的二氧化硅融化然后還原,最后得到硅單質。然后再在硅單質上進行摻雜,左側摻入硼元素,右側摻入磷元素。

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      摻雜的主要原因是由于硅單質本身不導電,而硅元素周圍有四個電子,相當于四個空穴,硼元素周邊只有三個電子,相對硅而言缺少了一個電子,因此以空穴導電為主,稱之為P型半導體。而磷元素周圍有五個電子,相比硅多一個,因此稱為N型半導體。兩者相結合,也就成為上述的PN結。

      PN結的主要特點在于,只有在左側加正極右側加負極電流才能通過,如果把電流方向掉轉,那么電流是不流通的,這也就是二極管。這樣做我們便可以通過這些只能進行單向電流流通的二極管做出許多操作,比如與或非門等等,這些知識如今在高中課程中也有講到,這里就不再贅述。

      怎么做一塊芯片?

      回到芯片的具體制作,在把硅單質制作出來后進行切片,切成一個個的圓盤。然后在這些圓盤之上涂抹光刻膠,再用紫外線通過透鏡對這些涂抹光刻膠的硅片進行光刻,按照設計中的圖紙對某些特定位置的光刻膠照射后,這些光刻膠也會產生相應的變化。

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      光刻之后便是腐蝕,由于設計的不同,腐蝕的區域也不同,通產而言經過光刻之后的區域會被腐蝕,而沒有經過光刻的區域則不會,當然情況也有可能相反,這都是根據實際需求來制作。

      以光刻區域被腐蝕為例,腐蝕的地方為形成凹槽,再在這些凹槽中進行摻雜,也就是上面講到的硼元素或者磷元素等。最后通過洗刷,把光刻膠洗掉,只留下了摻雜之后的硅片,這時候就可以制作半導體PN結了。

      而這樣的步驟可能不止一次,若是需要實現復雜的功能,則還需要重復上膠、摻雜、腐蝕、清洗等步驟,然后再在其上沉積金屬,進行電路的聯接。最后,一片完整的晶圓就此產生。把晶圓切割后,封裝就成為芯片。這便是一個完整的芯片制作流程。

      芯片設計領域稀缺的原因

      從產業結構上來看,我國的芯片行業在設計領域尤其稀缺,最主要的原因有三點。第一是教育環境問題,由于國外技術封鎖,加上國內的芯片領域人才稀缺,因此對于教育方面一直欠缺,無法接觸世界上最先進的芯片設計思維,自然無法培養出一個好的人才。

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      第二是對于技術人才不夠重視,或者說整個行業對于技術人才都過于冷漠,導致許多技術向的人才從硬件改行從事軟件開發或者銷售,這樣也導致了我國的芯片人才缺口一直無法填補。

      第三是整個市場全都充斥著國外的高端芯片,因此國產芯片在很多情況下無法得到市場有效的反饋,這導致其更新換代的速度非常緩慢,自然也就拖累了國產芯片發展的腳步。

      當然,對于這樣的現狀,如今國家已經有許多對策進行解決。針對第一個問題,中國已經有

      “國家千人計劃”,將國外的高科技人才引渡回國,帶領國內科技產業進一步發展。

      對于第二個問題,還是要改變國內企業家的觀念,當技術人員的待遇什么時候能夠成為公司中靠前的位置,這些技術人才自然也會回流。

      關于最后一個問題,由于美國對于中興的制裁,雖然如今已經有所緩和,但這件事的影響已經讓國內所有科技公司感到了威脅,對于國內芯片產業則迎來了新的商機,至少能夠給國產芯片一個試水的地方,讓其進行更新迭代。

      小結

      我國芯片產業一路走來跌跌撞撞,在“漢芯”事件后更是經受了沉重的打擊,如今一切都處于百廢待興的狀態,加上美國創造的大好時機,正是我國芯片產業蓬勃發展的關鍵機遇,相信我國的芯片行業能夠重回輝煌。

      與企業不同,國家若想要實現偉大復興,必然要在每個行業中都掌握自己的核心技術,可以不用第一,但是不能沒有,而這個芯片領域的興起,加上國家的助推,相信會對未來半導體行業造成更加深遠的影響。

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