Как добывают кремний для микросхем. Как очищают кремний до сверхчистого состояния. Как выращивают монокристаллы кремния. Как изготавливают кремниевые пластины. Как наносят слои на кремниевые пластины методом фотолитографии. Как формируют транзисторы и другие элементы микросхем. Как тестируют и упаковывают готовые процессоры.

Добыча и очистка кремния для производства микросхем

Производство современных микросхем и процессоров начинается с добычи кремния — второго по распространенности элемента в земной коре после кислорода. Кремний содержится в песке в виде диоксида кремния (SiO2).

Процесс получения чистого кремния включает следующие этапы:

1. Восстановление диоксида кремния (песка) коксом в дуговых печах при температуре около 1800°C: SiO2 + 2C = Si + 2CO
2. Очистка полученного «технического» кремния (чистота 98-99.9%) до «электронного» кремния (чистота 99.9999999%) путем ряда химических реакций: — Хлорирование технического кремния с получением тетрахлорида кремния (SiCl4) — Преобразование тетрахлорида кремния в трихлорсилан (SiHCl3) — Очистка трихлорсилана до моносилана (SiH4) — Разложение моносилана с получением сверхчистого кремния

В результате получается кремний, в котором содержится не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Такая чистота необходима для производства современных микросхем.

Выращивание монокристаллов кремния

Следующий этап — выращивание из очищенного кремния монокристаллов цилиндрической формы. Этот процесс происходит следующим образом:

1. Расплавленный сверхчистый кремний помещается в тигель
2. В расплав опускается затравочный кристалл («точка роста»)
3. Затравка медленно вытягивается из расплава, вокруг нее наращивается монокристалл
4. В результате формируется цилиндрический слиток-монокристалл высотой с человека и весом около 100 кг

Полученный монокристалл кремния имеет строго упорядоченную кристаллическую решетку, что необходимо для создания полупроводниковых структур.

Изготовление кремниевых пластин

Из выращенного монокристалла кремния изготавливают пластины — основу будущих микросхем:

1. Цилиндрический слиток разрезают алмазной пилой на тонкие диски
2. Получаются пластины («вафли») диаметром 300 мм и толщиной около 1 мм
3. Поверхность пластин тщательно шлифуется и полируется до зеркального блеска

Диаметр пластин постоянно увеличивается для повышения эффективности производства. Сейчас используются 300-мм пластины, в перспективе планируется переход на 450 мм.

Формирование структуры микросхемы методом фотолитографии

Ключевой этап создания микросхемы — формирование на кремниевой пластине сложной многослойной структуры транзисторов и других элементов. Это осуществляется методом фотолитографии:

1. На пластину наносится слой фоторезиста — светочувствительного полимера
2. Пластина экспонируется (облучается) через фотошаблон — маску с рисунком нужного слоя схемы
3. В облученных участках фоторезист меняет свои свойства
4. Проявка фоторезиста — удаление незасвеченных или засвеченных участков (в зависимости от типа фоторезиста)
5. Травление открытых участков пластины
6. Удаление оставшегося фоторезиста

Этот процесс повторяется для каждого слоя микросхемы (их может быть более 20). Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов, поэтому точность фотолитографии имеет критическое значение.

Легирование и формирование транзисторных структур

Для создания областей с разным типом проводимости (n и p) производится легирование — внедрение в кремний примесных атомов:

• Ионная имплантация — бомбардировка пластины ускоренными ионами примесей
• Диффузия — внедрение примесей при высокой температуре

Путем многократного повторения процессов осаждения, фотолитографии, травления и легирования формируются сложные многослойные структуры транзисторов, конденсаторов, резисторов и соединений между ними.

Тестирование и упаковка готовых микросхем

После завершения всех технологических операций производятся:

1. Тестирование работоспособности каждого кристалла на пластине
2. Разрезание пластины на отдельные кристаллы (чипы)
3. Упаковка рабочих кристаллов в корпуса
4. Окончательное тестирование готовых микросхем

Весь процесс производства микросхем занимает несколько месяцев и включает сотни технологических операций. Современный процессор является одним из самых сложных промышленных изделий, создаваемых человечеством.

Ключевые технологии в производстве микросхем

Производство современных микросхем опирается на ряд ключевых технологий:

• Фотолитография — позволяет формировать топологию микросхемы с нанометровой точностью
• Плазмохимическое травление — обеспечивает селективное удаление материалов
• Осаждение тонких пленок — для формирования проводящих, диэлектрических и других слоев
• Ионная имплантация — для точного легирования полупроводника
• Химико-механическая полировка — для выравнивания поверхности между слоями

Постоянное совершенствование этих технологий позволяет уменьшать размеры элементов микросхем и повышать их производительность.

Проблемы масштабирования технологий производства микросхем

При переходе к все более миниатюрным элементам микросхем производители сталкиваются с рядом физических ограничений:

• Туннельный эффект — утечки тока через тонкие диэлектрики
• Разброс параметров транзисторов из-за статистических флуктуаций примесей
• Возрастание удельного сопротивления проводников
• Сложности отвода тепла от миниатюрных элементов

Преодоление этих ограничений требует внедрения новых материалов и конструкций транзисторов, таких как high-k диэлектрики, металлические затворы, многозатворные транзисторы и т.д.

Перспективы развития технологий производства микросхем

Основные направления дальнейшего развития микроэлектроники:

• Переход к трехмерным структурам транзисторов и многослойным кристаллам
• Использование новых материалов (графен, углеродные нанотрубки и др.)
• Внедрение элементов квантовых вычислений
• Развитие нейроморфных архитектур, имитирующих работу мозга
• Интеграция оптических компонентов в кремниевые микросхемы

Эти инновации позволят продолжить повышение производительности и энергоэффективности вычислительных систем даже после достижения физических пределов масштабирования традиционных транзисторов.

Как делают микросхемы

Как делают микросхемы

      Поскольку микросхема создается на поверхности пластины, технология ее изготовления называется планарной (от англ.“planar” – “плоский”). Ее основу составляет литография. Наз-вание “литография” происходит от греческих слов “литос” камень и “графо” – пишу, что дословно означает “писать на камне”. Литография в микроэлектронике – это действительно способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое полупроводника.

      Изготовление, или “выращивание”, интегральной микросхемы включает в себя несколько основных этапов:

1. Подготовка подложки

      Подложкой обычно является пластина кристалла кремния (Si) _ самого распространенного полупроводника на Земле. Обычно пластина имеет форму диска диаметром 200 мм и толщиной менее миллиметра. Получают ее разрезанием цилиндрического монокристалла.

      Так как свойства полупроводникового кристалла сильно зависят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют

во всех направлениях и ориентируют нужным образом.

      Для резки монокристаллов на пластины применяются диски с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40-60 микрон, поэтому после резки пластины получаются шерохо-ватыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя и его физико_химические свойства. Чтобы восстановить поверхностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

      Все процессы по обработке полупроводниковых пластин проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных помещениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль). Очищенная кремниевая пластина подвергается так называемому оксидированию

(или окислению) _ воздействию на заготовку кислородом, которое происходит под высокой температурой (1000°C).

      Таким образом на поверхности заготовки создается тончайший слой диоксида кремния SiO2. Регулируя время воздействия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно легко сформировать слой оксида нужной толщины. Диоксидная пленка отличается очень высокой химической стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хорошего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию находящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных воздействий в ходе дальнейшей обработки.

2. Нанесение фоторезиста

      Если некоторые области кремния, лежащие под слоем оксида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо предварительно удалить с соответствующих участков. Для этого на

диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.

Рис 102 .Исходная полупроводниковая пластина с

проводимостью р_типа, покрытая слоями SiO2, и

фоторезиста: 1 _ слой фоторезиста, 2 _ слой SiO2,

3 _ полупроводниковая пластина

      Фоторезист – это светочувствительный материал, который после облучения становится

растворимым в определенных химических веществах. Фотошаблон представляет собой пластинку, состоящую из прозрачных и непрозрачных участков, и играет роль трафарета.

        3. Экспонирование

        На следующем этапе-экспонировании-пластину с наложенным на нее фотошаблоном подвергают действию излучения. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками

фотошаблона, засвечивается.

Рис 103. Облучение фоторезиста через фотошаблон:

1 _ засвеченный участок фоторезиста, 2 _ слой SiO2,

3 _ полупроводниковая пластина, 4 – фотошаблон

        В результате засвеченный слой, чьи структура и химические свойства изменились под действием излучения, а также находящийся под ним слой диоксида кремния могут быть удалены с помощью химикатов (каждый слой-своим химикатом).

 

nno.dtn.ru

Делаем микросхемы дома — часть 3 / Habr

Прошло чуть больше года после предыдущих статей о моем проекте создания микросхем дома (1, 2), люди продолжают интересоваться результатами — а значит пора рассказать о прогрессе.

Напомню цель проекта: научиться изготавливать несложные кремниевые цифровые микросхемы в «домашних» условиях. Это никоим образом не позволит конкурировать с серийным производством — помимо того, что оно на порядки более совершенное (~22нм против ~20мкм, каждый транзистор в миллион раз меньше по площади), так еще и чудовищно дешевое (этот пункт не сразу стал очевиден). Тем не менее, даже простейшие работающие микросхемы, изготовленные в домашних условиях будут иметь как минимум образовательную и конечно декоративную ценность.

Как я уже упоминал в комментариях к другому топику, попытка выйти с этим проектом на kickstarter провалилась — проект не прошел модерацию из-за отсутствия прототипа. Это заставило в очередной раз переосмыслить пути коммерциализации этой упрощенной технологии. Возможность релиза технологии домашних микросхем в виде RepRap-подобного opensource-кита покрыта туманом: очень уж много опасной, дорогой и нестойкой химии — так просто рассылать по почте не выйдет. Также по видимому отсутствует возможность делать мелкие партии микросхем дешевле серийных заводов: сейчас минимальные тестовые партии микросхем можно изготавливать примерно по 30-50$ штука (в партии ~25 штук), и существенно дешевле 30$ за микросхему сделать это на самодельной упрощенной установке не получится. Кроме того, не смотря на низкую цену на обычных заводах — любительские микросхемы практически никто не делает, задач где они имели бы преимущества перед FPGA/CPLD/микроконтроллерами практически нет, а стоимость и сложность разработки — остается очень высокой.

Но как я уже упоминал выше — даже с этими недостатками проект остается для меня интересным.

Из того, что уже упоминалось в моих других статьях в последние месяцы — куплен кислородный концентратор, позволяет получить ~95% кислород без головной боли. Из вредных примесей — похоже только углекислый газ (35ppm), будем надеяться, этого будет достаточно. Также едет из Китая генератор озона (ему на входе нужен кислород) — есть результаты исследований, показывающих что им удобно растить тонкие подзатворные диэлектрики и использовать как один из этапов для очистки пластин.

Уже достаточно давно куплен металлографический микроскоп, и исследованы кучи существующих микросхем. В целом, стало намного понятнее с чем придется иметь дело. И наконец, поскольку микроскоп — симметричный прибор, его можно использовать для проекции уменьшенного изображения при фотолитографии. Совмещение изображения — визуальное и ручное. Источник освещения для проецирования — даже не обязательно УФ диодом делать, белый свет также вполне подойдет — качество изображения позволяет (хотя мощные 405нм диоды у меня тоже есть). Достижимые таким образом нормы фотолитографии — микронные (если сильно постараться — то до ~350нм), но смысла сильно уменьшать транзисторы нет — т.к. пропорционально уменьшается и «размер кадра», контакты к которым придется приваривать выводы станут слишком мелкими. Так что придется первоначально ограничиться нормами 10-20мкм, как и планировалось.

Микроскоп несколько поколебал веру как в отечественных производителей, так и в китайских. Оказалось, некоторые «отечественные» микроскопы — перемаркированные китайцы за 200-300% цены. С другой стороны — один из объективов похоже немного кривоват и предметный столик имел небольшой дефект литья — пришлось дорабатывать напильником (в прямом смысле этого слова).

Один из важных химических элементов для производства микросхем — вода. Опять-же в Китае куплен кондуктометр — измеритель электропроводности воды. По электропроводности можно оценить количество растворенных солей (+-50%, если не известно что именно растворено). В воде обычно растворены соли калия, натрия, кальция и марганца — и все они очень опасны для микросхем (особенно натрий и калий), т.к. их ионы могут быстро двигаться в кремнии и оксиде кремния при обычных температурах и изменять электрические параметры транзисторов (для полевых транзисторов — пороговое напряжение, утечку).

Измерил имеющиеся образцы воды, и получил следующее:

	Концентрация примесей
Водопроводная вода	219ppm
«Новый» бытовой фильтр	118ppm
«Старый» бытовой фильтр	210ppm
Кипяченая вода из нового фильтра	140ppm (!!! 2 раза перепроверял)
Бидистиллированная вода из Русхима (Не похоже на бидистиллированную)	10ppm
Деионизировнаная вода из института микробиологии	0ppm
Деионизированная после 6 часов на воздухе (Из-за растворения углекислого газа из воздуха)	8ppm

«Правильная» деионизированная вода — должна иметь 0.1ppm и менее, что меньше того, что может измерить мой прибор. Тем не менее, сразу видно, что далеко не любой источник воды подойдет. Куплены ионообменные смолы — они используются для очистки воды до деионизированной. Оказалось, закрома родины очень глубоки — одна из банок расфасована в 1968-м году

Также удалось купить и TMAH (тетраметиламмония гидроксид) — используется как проявитель для фоторезиста, не содержащий ионов щелочных металлов (которые как мы знаем — зло).

Для вакуумной системы — вместо покупки вакуумной резины (несколько раз пытался — но так и не осилил), нашелся в Китае вот такой вот gasket maker — паста, которую можно выдавить в нужную форму, она затвердевает — и становится резиновой.

По печке: для теплоизоляции — куплено вот такое базальтовое полотно, используется для теплоизоляции ядерных реакторов. Выдерживает 1000-1200 градусов.

Под микроскопом — видно отдельные нити расплавленного базальта, из которых сплетено полотно. Вот это настоящие нанотехнологии!!! В голове по началу не укладывается: как из камня можно сделать тончайшие нити, и соткать гибкий материал? (масштаб: 1 пиксель ~ 3 микрометра):

Найдены и порезаны кварцевые трубки для печки разного диаметра. Первый уровень теплоизоляции — воздушный зазор межу вставленными друг в друга трубками.

Изначально я думал питать печку прямо от 220 вольт — но все-же благоразумно решил перейти на питание постоянным напряжением 48 Вольт — это позволит как точнее регулировать и контролировать мощность, так и сделает конструкцию безопаснее. Куплены 2 блока питания на 400Вт. Как китайцы такой блок производят и доставляют за 19$ — загадка:

Для контроля температуры — изначально были куплены высокотемпературные термопары, рассчитанные на 1200 градусов (про них писал в прошлой серии — но фотографии не было). Размер конечно конский. Вероятно будет проще следить за уровнем инфракрасного излучения на длине волны 1мкм — кварц для него прозрачен.

И наконец — инертная среда для печки. В моем случае это Аргон. Из-за особенностей разделения газов — аргон получается чище, чем азот, хоть и несколько дороже. Я купил маленький 10л баллон, и регулятор. Регулятор внезапно не подошел — резьба не совпадает, нужно или переходник искать, или другой регулятор покупать.

Оказалось, сжатые газы продают рядом с домом (жизнь в промышленной зоне Москвы имеет свои преимущества) — и я приехал за ним с тележкой. Рабочий не оценил мой порыв — и настоятельно рекомендовал завернуть баллон в картон, чтобы прохожие не переживали. За 15 минут мы справились с камуфляжем. В общем, встреча с реальным миром вечно дарит сюрпризы 🙂

Самое главное — удалось досконально разобраться в том, как работает микросхемы по NMOS технологии, зачем там 3 напряжения питания (или 2, со снижением скорости). Также наконец найден качественный open-source софт для разработки простых микросхем, в том числе поддерживающий и NMOS процесс — gnuelectric:

Из того, что упоминал в предыдущей статье — TEOS видимо не нужен, слишком сложно с ним работать, HMDS — не обязателен, по крайней мере для «больших» транзисторов.

Генератор азота — это конечно удобно, работать с пластинами в инертной атмосфере и не возиться с баллонами, но также не критично.

Единственное, что серьёзно могло бы облегчить работу — это образцы spin-on dopants и spin-on glass. В России по различным причинам их не используют и не производят, за рубежем — производителей мало, продается большими партиями и стоит дорого (тысячи $). Компания Emulsitone, у которой покупала образцы Jeri Ellsworth когда делала свои транзисторы — похоже загнулась, с ними связаться так и не удалось. Но это также не обязательный пункт — работать можно и без них (с фосфорной и борной кислотами, POCl3 и BBr3), хоть и намного сложнее / несколько опаснее.

И наконец — конечно не хватает спонсора для моих проектов, иногда между дополнительными затратами времени и дополнительными затратами денег приходится выбирать первое. Если кто-то из компаний или частных лиц имеет желание спонсировать мои проекты (условия обсуждаемы) — вы знаете, где меня найти :-).
Update: Ориентировочная смета есть, высылаю по запросу — т.е. представление на что именно нужны деньги — есть.

В прошлой статье я упоминал о моём классическом микроэлектронном проекте — я хотел разработать и производить на серийных заводах микроконтроллеры. Исследовав под микроскопом конкурентов (нормы производства, площадь), и узнав цены производства на практически всех заводах (как отечественных, так и зарубежных) — стало понятно, что бизнес это хороший, хоть и очень капиталоемкий. Тем не менее, тут похоже пока не судьба — в Сколково проект дважды завернули, из-за отсутствия у меня профильного опыта. С одной стороны они безусловно правы, с другой — пришел бы Цукерберг в Сколково, а ему «А сколько социальных сетей вы уже создали?». Вводить в команду фиктивных членов — совершенно нет желания. Так что жизнь как всегда вносит коррективы в радужные планы — видимо сначала придется зарабатывать деньги на проект другими путями, и вернуться к нему через 3-5 лет (если он тогда еще будет кому-то нужен). Следующий шаг — сборка печки с управляющей электроникой, и наконец производство первых образцов. Для начала — кремниевые диоды, исследование их характеристик, солнечные батареи, затем — полевые транзисторы, возможно и биполярные. Можно попробовать сделать диоды Шоттки — но с ними все не так просто (высокие требования к интерфейсу металл-полупроводник и краям диода).

Затем нужно думать, как в домашних условиях сделать ультразвуковую или термокомпрессионную сварку проволоки с кремниевой пластиной — это нужно для подключения выводов.

Надеюсь, в обозримом будущем домашние микросхемы мы все-же увидим 🙂

habr.com

Делаем микросхемы дома — шаги 0 и 1 / Habr

В этой статье я расскажу о начале своей работы над совершенно безбашенной задачей: конечная цель в том, чтобы получить рабочую микросхему по «толстым» нормам (5-10µm) дома. Это не первое апреля и я не сумасшедший, это просто моё хобби.

Возникла эта идея не сейчас и неспроста. С детства я хотел быть газосварщиком, и… делать микросхемы. И если по первому пункту мне достаточно быстро удалось сделать дома сварочный аппарат (бутан-водород/кислород), то с микросхемами все никак не складывалось. Долгое время все мысли останавливались на том, что я не знал где можно взять собственно полупроводники необходимой чистоты (и мысли останавливались на ковырянии мощных транзисторов), пока на форуме не подсказали что в принципе, можно и купить пластины. Затем я даже наткнулся на человека, который 20 лет работал над похожей задачей, и в итоге сдался. Пожалуй, тут можно было опустить руки и перестать тратить время на глупые мечты. Но, однажды я увидел ролик чудовищно гениальной женщины – Jeri Ellsworth – она смогла сделать отдельные полевые транзисторы на основе заводских пластин – и тогда я решил, что настало время поплотнее заняться этой проблемой.

В этой статьях я расскажу о своём текущем прогрессе, но не ждите быстрого продолжения – весь процесс может легко занять пару лет.

Шаг 0:

Были скуплены все книги по теме из местных Интернет-магазинов (как раз на 1 полку), повыкачаны из торрентов все доступные сборники оцифрованных книг. Теоретической информации там конечно много, но с практической стороны – многое покрыто мраком. Даже старые техпроцессы в деталях не описаны нигде, и потому придется много пробовать. Также перерыл интернет в поисках местных поставщиков всех потенциально необходимых материалов (собственно кремний, фоторезисты, химия, газы). Пока найти не удалось местную компанию которая может изготавливать асферическую оптику из оптического/кварцевого стекла – но это в ближайший год не станет препятствием.

Шаг 1: Кремний

Монокристаллический кремний – сердце домашней микросхемы. Вырастить дома – хоть и реально (по моим безумным меркам), но чертовски дорого. Потому я стал гуглить местных производителей кремния – кто-то говорил что они свернули производство и занимаются только сдачей помещений в аренду, кто-то не отвечал, пока наконец я не дошел до компании Терасил – там я наконец смог купить все что мне нужно. Самое главное – разрезанные и отполированные пластины монокристаллического кремния легированного в P и N тип (справа на фото).

Далее – куча разбитых пластин для тренировки. Потренировался раскалывать пластину на кусочки (оказалось, что они все с ориентацией кристаллической решетки 111 – раскалываются треугольниками, а не квадратами). Т.к они еще не отполированы – я попробовал и отполировать – провал полный: паста гои кремний не берет, нужна алмазная паста. Если со временем получится полировать, можно будет пробовать делать солнечные батареи (а из монокристаллического кремния они получаются довольно эффективные).

И наконец – кусочки монокристаллического кремния. Те что толстые слева – погрязнее (но достаточно чистые для микросхем), 2 тоненьких справа – сверхчистые, намного выше требований чистоты кремния для обычных микросхем. Само собой, разрезать их дома не выйдет (если конечно не завалялась алмазная дисковая пила) – только разбить. Нужны для того чтобы пробовать осаждать пленки аморфного кремния химическим (PE CVD Sih5) или физическим (испарение в вакууме) путем.

Какие дальше стоят задачи

• В первую очередь – строительство печи на 1200 градусов для маленького образца. Промышленные печи под такую температуру в квартире не поставить, и стоят огого. Потому буду пробовать нагревать образец галогеновыми лампами с рефлекторами.
  
• Переезд в отдельную квартиру: меня сразу выгонят увидев бородатого мужика в противогазе и резиновых перчатках с кучей подозрительных баночек.
  
• Далее – необходимая химия и фоторезисты – и можно пробовать делать 1 транзистор по процессу Jeri.
  

Что я ищу и пока не нахожу

В первую очередь – это информация. Хотелось бы иметь контакты людей, которые работают на производстве – ведь я соберу все грабли, которые технологи собирали последние 50 лет Затем – информация о техпроцессах и главное – библиотеки под толстые техпроцессы – пока мне их не удалось достать, а из отдельных транзисторов особо не по-проектируешь. Ну и наконец, хочу найти разработчика ASIC, который показал бы мне основные шаги разработки (кое-что я думаю что знаю, но много пробелов и я могу ошибаться сильно). По всем этим вопросам приглашаю на форум по этому проекту (English only).

Комментарии / мнения — в студию.

habr.com

От песка до процессора / Intel corporate blog / Habr

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO₂) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO₂ в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl₄), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl₃):

3SiCl₄ + 2H₂ + Si 4SiHCl₃

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:

2SiHCl₃ SiH₂Cl₂ + SiCl₄
2SiH₂Cl₂ SiH₃Cl + SiHCl₃
2SiH₃Cl SiH₄ + SiH₂Cl₂
SiH₄ Si + 2H₂

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:

— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Финишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

BONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Успехов!

habr.com

Как работает микроэлектронное производство и что нам стоит дом построить? / Habr

Многие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах — разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?

Сколько стоит запуск производства микросхемы, и почему при наличии 22нм фабрик, бОльшая часть микросхем по всему миру до сих пор делается на «устаревшем» 180нм-500нм оборудовании?

Ответы на эти и многие другие вопросы под катом.

Транзисторы на кремниевой пластине рисуются с помощью фотолитографии, с помощью аппаратов называемых степперами или сканерами. Степпер — рисует кадр (до 26×33мм) целиком, затем переходит на новую позицию. Сканер — одновременно сдвигает маску и пластину таким образом, чтобы в каждый момент рисовать только одну узкую «строку» в центре кадра, таким образом аберрации оптической системы меньше влияют на изображение.

Основные характеристики степперов/сканеров — длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line — 365nm, затем на эксимерных лазерах — 248nm и 193nm), и численная апертура объектива. Чем короче длина волны, и чем больше апертура — тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:

Например, для одного из самых совершенных сканеров ASML NXT 1950i с длиной волны 193нм и численной апертурой 1.35, и k1=0.4(обычное значение для фотолитографии без «хитростей») получаем теоретическое разрешение 57нм. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination, поляризации света — получают минимальные элементы до 22нм.

Другие параметры степперов/сканеров — производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах — до 3-5нм).

Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15×15см) в точно заданных местах.

Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке — их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.

«Крутость» технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (отдельные части транзистора, например затвор — могут быть как меньше так и больше этой цифры — т.е. это величина достаточно условная). Понятно что чем меньше транзисторы — тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).

Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой. EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.

Цифры — грубые оценки, точных нигде не скажут без NDA.

Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем — от 20’000 до 100’000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.

Далее — изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7’000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100’000$ для микросхем на 180нм и до ~5’000’000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает — и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок — тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW — multi project wafer).

Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии — простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм — они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).

Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить — так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).

Лицензии на софт — 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков — допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW — 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 — потому что как ни старайся — с первого раза не выйдет)

Итого — 28.8 млн$

Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) — единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.

Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла — 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…

И вот теперь вопрос — сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос — есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?

Вот такой вот адский бизнес получается — огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.

Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами производства решена ((1) (2)).

Таким образом, главный вопрос при создании микросхем — это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?

Стоимость современного завода подбирается к отметке 5 млрд$ и выше. Такая сумма получается потому, что стоимость лицензий и некоторых других фиксированных расходов не сильно зависит от объёмов производства — и выгодно иметь большие производства, чтобы затраты «размазывались» по бОльшему объёму продукции. А каждый современный сканер (который собственно рисует эти 22–32нм детали) стоит 60–100млн $ (на большом заводе их может быть пара десятков). В принципе, 5млрд — не такие большие деньги в масштабах страны. Но естественно, никто не потратит 5 млрд без чёткого плана по возврату инвестиций. А ситуация там такая — несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами.

Это просто не укладывалось у меня в голове — как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто — по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль — заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше — SMIC заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» — это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм…) — первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта — вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Это похоже поняли и в России — и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства — чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне — это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6×0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87’000 билетов в метро — но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).

Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет — на поправку Джексона — Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги — любой каприз.

Но нужно помнить и о том, что свой завод не гарантирует полной независимости производства, и не дешевле производства за рубежом: основную стоимость составляют технологии/лицензии и стоимость закупаемого оборудования — а если своих технологий и оборудования нет, и все импортировать — то и дешевле получится не может. Многие расходные материалы также в любом случае придется импортировать. Отдельный больной вопрос — производство масок, только очень крупные фабрики могут иметь «своё» производство масок.

Многим кажется — вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм — как мы безнадежно отстали, подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов — MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь — почти для всех из них хватает и 1000нм технологии. Вся промышленная электроника, и микросхемы для космоса и военных — это практически в 100% случаев технологии 180нм и толще. Таким образом, самые последние технологии нужны лишь для центральных процессоров (которые делать очень сложно/дорого из–за высоких рисков и высокого порога выхода на рынок), и различных «жопогреек» (айфонов и проч). Если вдруг случится война, и Россия лишится импорта — без «жопогреек» прожить можно будет, а вот без промышленной, космической и военной электроники — нет. Т.е. по факту мы видим, что критичные для страны вещи по возможности делают в России (или закупают впрок), а то, без чего можно будет прожить в крайнем случае — импортируем.

Есть и другие факторы — та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ — может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в десятки и сотни миллионов копий. А если нам нужно всего 100’000 микросхем — выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой «толстой» технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем — их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок — то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла (если конечно «толстые нормы» удовлетворяют требованиям по скорости и энергопотреблению).

В результате — подавляющее большинство микросхем в мире делается по «толстым» технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов (правда в основном в виде пластин) — вполне себе востребованы и продаются (так что в материнских платах и сотовых телефонах есть наши микросхемы и силовые транзисторы — но под зарубежными именами).

Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm — никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.

Рыночная экономика эльфов и микроэлектронное производство — слабо совместимые вещи. Чем больше копаешься — тем меньше видно рынка, больше дотаций, картельных сговоров, патентных ограничений и прочих радостей «свободного рынка». Бизнес в этой отрасли — это одна большая головная боль, с огромными рисками, постоянными кризисами перепроизводства и прибылью только у монополистов.

Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.

Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.

В следующих статьях — расскажу об особенностях космической и военной микроэлектроники, и о текущем состоянии микроэлектроники в России.

habr.com

Корпуса микросхем | Типы корпусов микросхем, их виды.

В этой статье мы рассмотрим самые основные корпуса микросхем, которые очень часто используются в повседневной электронике.

DIP корпус

DIP ( англ. Dual In-Line Package)  –  корпус с двумя рядами выводов по длинным сторонам микросхемы. Раньше, да наверное и сейчас, корпус DIP был самым популярным корпусом для многовыводных микросхем. Выглядит он вот так:

В зависимости от количества выводов микросхемы, после слова “DIP” ставится количество ее выводов. Например, микросхема, а точнее, микроконтроллер atmega8 имеет 28 выводов:

Следовательно, ее корпус будет называться DIP28.

 А вот у этой микросхемы корпус будет называться DIP16.

Чтобы не считать каждый раз количество выводов, можно их сосчитать только на одной стороне микросхемы и тупо умножить на два. 

В основном в корпусе DIP в Советском Союзе производили логические микросхемы, операционные усилители и тд. Сейчас же корпус DIP также не теряет своей актуальности и в нем до сих пор делают различные микросхемы, начиная от простых аналоговых и заканчивая микроконтроллерами.

Корпус DIP может быть выполнен из пластика (что в большинстве случаев) и называется он PDIP, а также из керамики – CDIP. На ощупь корпус CDIP твердый как камень, и это неудивительно, так как он сделан из керамики.

Пример CDIP корпуса.

Имеются также модификации DIP корпуса: HDIP, SDIP.

HDIP (Heat-dissipating DIP) – теплорассеивающий DIP. Такие микросхемы пропускают через себя большой ток, поэтому сильно нагреваются. Чтобы отвести излишки тепла, на такой микросхеме должен быть радиатор или его подобие, например, как здесь два крылышка-радиатора посерединке микрухи:

SDIP (Small DIP) – маленький DIP. Микросхема в корпусе DIP, но c  маленьким расстоянием между ножками микросхемы:

 

SIP корпус

SIP корпус (Single In line Package) – плоский корпус с выводами с одной стороны. Очень удобен при монтаже и занимает мало места. Количество выводов также пишется после названия корпуса. Например, микруха снизу в корпусе SIP8.

У SIP тоже есть модификации – это HSIP (Heat-dissipating SIP). То есть тот же самый корпус, но уже с радиатором

 

ZIP корпус

ZIP (Zigzag In line Package) – плоский корпус с выводами, расположенными зигзагообразно. На фото ниже корпус ZIP6. Цифра – это количество выводов:

Ну и корпус  с радиатором HZIP:

Только что мы с вами рассмотрели основной класс In line Package микросхем. Эти микросхемы предназначены для сквозного монтажа в отверстиях в печатной плате.

Например, микросхема DIP14, установленная на  печатной плате

и  ее выводы с обратной стороны платы, уже без припоя.

Кто-то все таки умудряется запаять микросхемы DIP, как микросхемы для поверхностного монтажа (о них чуть ниже), загнув выводы под углом в 90 градусов, или полностью их выпрямив. Это извращение), но работает).

Переходим к другому классу микросхем – микросхемы для поверхностного монтажа или, так называемые SMD компоненты. Еще их называют планарными радиокомпонентами.

Такие микросхемы запаиваются на поверхность печатной платы, под выделенные для них печатные проводники. Видите прямоугольные дорожки в ряд? Это печатные проводники или в народе пятачки.  Вот именно на них запаиваются планарные микросхемы.

 

SOIC корпус

Самым большим представителем этого класса микросхем являются микросхемы в корпусе SOIC  (Small-Outline Integrated Circuit)  – маленькая микросхема с выводами по длинным сторонам. Она очень напоминает DIP, но обратите внимание на ее выводы. Они параллельны поверхности самого корпуса:

Вот так они запаиваются на плате:

Ну и как обычно, цифра после “SOIC” обозначает количество выводов этой микросхемы. На фото выше микросхемы в корпусе SOIC16.

 

SOP корпус

SOP (Small Outline Package) – то же самое, что и SOIC.

Модификации корпуса SOP:

PSOP – пластиковый корпус SOP. Чаще всего именно он и используется.

HSOP  – теплорассеивающий SOP. Маленькие радиаторы посередине служат для отвода тепла.

SSOP(Shrink Small Outline Package) – ” сморщенный” SOP. То есть еще меньше, чем SOP корпус

TSSOP(Thin Shrink Small Outline Package) – тонкий SSOP. Тот же самый SSOP, но “размазанный” скалкой. Его толщина меньше, чем у SSOP. В основном в корпусе TSSOP делают микросхемы, которые прилично нагреваются. Поэтому, площадь у таких микросхем больше, чем у обычных. Короче говоря, корпус-радиатор).

SOJ – тот же SOP, но ножки загнуты в форме буквы “J” под саму микросхему.  В честь таких ножек и назвали корпус SOJ:

Ну и как обычно, количество выводов обозначается после типа корпуса, например SOIC16, SSOP28, TSSOP48 и тд.

 

QFP корпус

QFP (Quad Flat Package) – четырехугольный плоский корпус. Главное отличие от собрата SOIC в том, что выводы размещены на всех сторонах такой микросхемы

Модификации:

PQFP –  пластиковый корпус QFP.  CQFP – керамический корпус QFP.  HQFP – теплорассеивающий корпус QFP.

TQFP (Thin Quad Flat Pack) – тонкий корпус QFP. Его толщина намного меньше, чем у его собрата QFP

 

PLCC корпус

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) – соответственно пластиковый и керамический корпус с расположенными по краям контактами, предназначенными для установки в специальную панельку, в народе называемую “кроваткой”. Типичным представителем является микросхема BIOS в ваших компьютерах.

Вот так примерно выглядит “кроватка” для таких микросхем

А вот так микросхема “лежит” в кроватке.

Иногда такие микросхемы называют QFJ, как вы уже догадались, из-за выводов в форме буквы “J”

Ну и количество выводов ставится после названия корпуса, например PLCC32.

 

PGA корпус

PGA (Pin Grid Array) – матрица из штырьковых выводов. Представляет из себя прямоугольный или квадратный корпус, в нижней части которого расположены выводы-штырьки

Такие микросхемы устанавливаются также в специальные кроватки, которые зажимают выводы микросхемы с помощью специального рычажка.

В корпусе PGA  в основном делают процессоры на ваши персональные компьютеры.

Корпус LGA

LGA (Land Grid Array) — тип корпусов микросхем с матрицей контактных площадок. Чаще всего используются в  компьютерной технике для процессоров.

Кроватка для LGA микросхем выглядит примерно вот так:

Если присмотреться, то можно увидеть подпружиненные контакты.

Сам микросхема, в данном случае процессор ПК, имеет просто металлизированные площадки:

Для того, чтобы все работало, должно выполняться условие: микропроцессор должен быть плотно прижат к кроватке. Для этого используются разного рода защелки.

 

Корпус BGA

BGA (Ball Grid Array) – матрица из шариков.

Как мы видим, здесь выводы заменены припойными шариками. На одной такой  микросхеме можно разместить сотни шариков-выводов. Экономия места на плате просто фантастическая. Поэтому микросхемы в корпусе BGA применяют в производстве мобильных телефонов, планшетах, ноутбуках и в других микроэлектронных девайсах. О том, как перепаивать BGA, я  еще писал в  статье  Пайка  BGA микросхем.

В красных квадратах я пометил микросхемы в корпусе BGA на плате мобильного телефона. Как вы видите, сейчас вся микроэлектроника строится именно на BGA микросхемах.

Технология BGA является апогеем микроэлектроники. В настоящее время мир перешел уже на технологию  корпусов microBGА, где расстояние между шариками еще меньше, и можно  уместить  даже тысячи(!) выводов под одной микросхемой!

Вот мы с вами и разобрали основные корпуса микросхем.

Ничего страшного нет в том, что вы назовете микросхему в корпусе SOIC SOPом или  SOP назовете SSOPом. Также ничего страшного нет и в том, чтобы назвать корпус QFP TQFPом. Границы между ними размыты и это просто условности. Но вот если микросхему в корпусе BGA назовете DIP, то это уже будет полное фиаско.

Начинающим радиолюбителям стоит просто запомнить три самых важных корпуса для микросхем – это DIP, SOIС (SOP) и QFP безо всяких модификаций и стоит также знать их различия. В основном именно эти типы корпусов  микросхем радиолюбители используют чаще всего в своей практике.

www.ruselectronic.com

Ответы@Mail.Ru: Из чего делают платы?

Раньше наша «бытовуха» шла на фольгированном гетинаксе (прессованная пропитанная бумага, покрытая медной фольгой) . Сейчас в основном используют фольгированный стеклотекстолит (стеклоткань, пропитанная фенолформальдегидной смолой) . В СВЧ технике применяют фольгированный фоторопласт (тефлон) . В радиотехнике иногда применяют керамику, в канавки на поверхности которой вжигается серебро. Т. е. смысл печатной платы простой: нужен плоский твердый изоляционный материал, на который можно наклеить (осадить химически) слой меди. И чтобы это материал еще и выдерживал температуру плавления олова.

Фольгированный гетинакс. правда, я в этом вопросе не разбираюсь.

а по-моему из текстолита:))

<a rel=»nofollow» href=»http://ru.wikipedia.org/wiki/Системная_РїР» ата» target=»_blank»>http://ru.wikipedia.org/wiki/Системная_РїР» ата</a>

Это бутерброд: фольга — ткань — смола — ткань — фольга и т. д. Потом под пресс и сушат. Так получают фольгированный текстолит. Дорожки потом прорисовывают краской и опускают в едкий раствор. Где краска не легла — фольгу разьедает.. . Потом краску смывают, дорожки облуживают и сверлят отверстия под ножки радиодеталей. Бывают что отверстия сверлят «до» травления. Платы бывают многослойные, с несколькими слоями токоведущих дорожек.

из текстолита (эпоксидные или формальдегидные смолы, армированные стекловолокном)

Из фольгированных гетинакса (бумага, пропитанная связующим, обычно эпоксидной смолой) , текстолита (ткань, пропитанная связующим) , стеклотекстолита (стеклоткань, пропитанная связующим) . Сейчас в основном используют фольгированный стеклотекстолит. Для особо ответственных изделий используют фольгированную керамику или сапфировые подложки.

touch.otvet.mail.ru