Un breve análisis del proceso de fabricación de CPU

La CPU ha pasado por más de 20 años de desarrollo desde su nacimiento, y el proceso de fabricación y la tecnología de fabricación de la CPU también han logrado grandes avances y desarrollo. Antes de presentar el proceso de fabricación de la CPU, es necesario presentar la estructura del procesador de la CPU por separado.

Desde el exterior, la CPU es en realidad un objeto sólido rectangular conectado a la placa base a través de numerosos pines. Sin embargo, lo que el usuario ve en este momento es sólo el caparazón de la CPU, que en términos profesionales es el paquete de la CPU.

Dentro de la CPU, su núcleo es un chip de silicio delgado que generalmente mide menos de 1/4 de pulgada (el nombre en inglés es Die, que significa núcleo, PⅢC o p e r m i ne La parte que sobresale en el medio de la CPU como Duron es Die). No subestimes este pequeño trozo de oblea de silicio, está densamente cubierto con millones de transistores. Estos transistores funcionan como neuronas en nuestro cerebro, coordinándose entre sí para completar diversos cálculos y operaciones complejas.

La razón principal por la que el silicio se ha convertido en un importante material semiconductor para la producción de núcleos de CPU es que está ampliamente distribuido y es barato. Además, el silicio también puede formar grandes cristales de excelente calidad, que pueden cortarse en escamas circulares de 8 pulgadas o más de diámetro y menos de 1 mm de espesor, que es lo que solemos llamar obleas (también llamadas obleas). Una oblea de este tipo se puede cortar en muchos trozos pequeños, cada uno de los cuales es el núcleo de una CPU independiente. Por supuesto, todavía tenemos mucho trabajo de procesamiento por hacer antes de realizar dicho corte.

El microprocesador 4004 lanzado por Intel ese año tenía solo 2300 transistores, pero el actual procesador de mina de cobre P III contiene más de 20 millones de transistores, y el nivel de integración ha aumentado decenas de miles de veces, y los usuarios Sin embargo, no es difícil descubrir que el área del núcleo de silicio de una sola CPU no ha aumentado en absoluto, e incluso se ha vuelto cada vez más pequeña. Este es el resultado de que los diseñadores mejoran constantemente el proceso de fabricación.

Además de los materiales de fabricación, el ancho de línea también es una parte importante de la estructura de la CPU. El ancho de línea se refiere al ancho del circuito de puerta de la unidad funcional más básica en el chip. Debido a que el ancho de la conexión entre los circuitos de puerta es en realidad el mismo que el ancho del circuito de puerta, el ancho de línea puede describir el proceso de fabricación. Reducir el ancho de línea significa que los transistores pueden hacerse más pequeños y más densos, lo que puede reducir el consumo de energía del chip, hacer que el sistema sea más estable, permitir que la CPU funcione a frecuencias más altas y utilizar obleas más pequeñas, por lo que el costo también disminuirá.

Con la reducción continua del ancho de línea, el rendimiento conductivo del cableado de aluminio utilizado dentro del chip en el pasado ha dejado gradualmente de cumplir con los requisitos. Los futuros procesadores utilizarán cableado de cobre con mejores propiedades conductoras. AMD ha comenzado a utilizar tecnología de cableado de cobre en versiones de alta frecuencia de sus procesadores Thunderbird de la serie Athlon de alta gama. Con una estructura tan compleja, naturalmente todos estarán más preocupados por "cómo se fabrica la CPU". Objetivamente hablando, el proceso inicial de fabricación de CPU fue relativamente duro hasta la producción y aplicación de transistores. Como todos sabemos, el componente más importante de la CPU es el transistor. Un transistor es como un interruptor, y estas dos opciones más simples de "encendido y apagado" corresponden a las computadoras, que son el "0 y 1" de los que hablamos a menudo. Comprenda esta verdad, echemos un vistazo a cómo se fabrica la CPU.

1. Fabricación de CPU

1. Corte de obleas

Las llamadas "obleas de corte" se cortan a partir de varillas de silicio monocristalino mediante máquinas. Una oblea con especificaciones predeterminadas se divide en múltiples áreas pequeñas, y cada área se convertirá en el núcleo (D i e) de una CPU.

2. Fotocopia (P h o t o l i t h o g r a p hy)

Se recubre un material fotorresistente sobre la capa de óxido de silicio obtenida mediante tratamiento térmico, y los rayos ultravioleta pasan a través de ella para imprimir el complejo de la CPU. La plantilla del patrón de la estructura del circuito se irradia sobre el sustrato de silicio y el material fotorresistente se disuelve en las áreas expuestas a los rayos ultravioleta.

3. Grabado (Etch h i n g)

Utiliza un disolvente para eliminar el fotorresistente que ha estado expuesto a los rayos ultravioleta, y luego utiliza un tratamiento químico para eliminar el silicio que no está cubierto por el fotorresistente. La capa de óxido se elimina. Luego se retira todo el material fotorresistente y se obtiene un sustrato de silicio con ranuras.

4. Estratificación

Para procesar una nueva capa de circuitos, se vuelve a hacer crecer el óxido de silicio, luego se deposita una capa de polisilicio, se recubre el fotorresistente y se procede al fotocopiado y grabado. Se repiten los procesos y se obtiene una estructura de zanja que contiene polisilicio y óxido de silicio.

5. Implantación de iones (I o n Implant a t i o n)

Mediante el bombardeo de iones, el sustrato de silicio expuesto se dopa localmente, cambiando así el estado conductor de estas áreas y formando un circuito de puerta. El siguiente paso es repetir el proceso anterior. Un núcleo de CPU completo contiene alrededor de 20 capas, con ventanas entre las capas y llenas de metal para mantener la conexión de los circuitos entre las capas. Después de completar el trabajo de prueba final, la oblea de silicio se corta en núcleos de CPU individuales, se empaqueta y se fabrica una CPU.

Además de los pasos de fabricación anteriores, el entorno para producir la CPU también es muy importante. El espacio ultralimpio es un requisito previo para la fabricación de la CPU. Si se compara la sala ultralimpia donde se producen chips en una fábrica de microprocesadores con el quirófano de un hospital, creo que este último está muy por detrás. Como sala ultralimpia de primer nivel para la producción de chips, solo se permite una partícula de polvo por pie cuadrado y el aire de cada sala ultralimpia debe reemplazarse por completo cada minuto. El aire entra a través del techo y se aspira a través del suelo. La presión del aire dentro de la sala limpia es ligeramente mayor que la presión del aire exterior. De esta forma, si aparecen grietas en la sala blanca, el aire limpio del interior también escapará por las grietas, evitando así la entrada de aire contaminado. Al mismo tiempo, en la fábrica de chips de procesador, miles de empleados de Intel visten ropa de trabajo tipo "traje de conejo" hecha de materiales especiales. Este tipo de ropa de trabajo tipo "traje de conejo" es en realidad una de las formas de prevenir el polvo. Está hecha de una fibra antiestática que no deja pelusa y que puede evitar que el polvo, la suciedad u otras fuentes de contaminación dañen los chips de computadora. durante el proceso de producción. El traje de conejito se puede usar sobre ropa normal, pero debe someterse a un riguroso proceso de inspección de ropa de 54 pasos, que debe repetirse cada vez que el usuario entra y sale de la sala ultralimpia.

2. Embalaje de la CPU

Desde que Intel Company diseñó y fabricó un chip de microprocesador de 4 bits en 1971, en más de 20 años, la CPU ha evolucionado desde Intel 4004,

8 0 2 86, 8 0 3 86, 8 0 4 86 desarrollado para Pentium, PⅡ, PⅢ, P4, de 4 bits, 8 bits, 16 bits, 32 bits a 64 bits principales La frecuencia ha evolucionado desde MHz; hasta los GHz actuales; el número de transistores integrados en el chip de la CPU ha aumentado de más de 2000 a más de 10 millones; la escala de la tecnología de fabricación de semiconductores ha alcanzado ULSI desde SSI, MSI, LSI, VLSI (circuito integrado de muy gran escala). El número de pines de entrada/salida (E/S) del paquete aumenta gradualmente de docenas a cientos, e incluso puede llegar a 2000. Qué cambio radical ha sido todo esto. Los lectores ya están muy familiarizados con las CPU, 286, 386, 486, Pentium, PII, Cellon, K6, K6-2, Athlon... Creo que se pueden enumerar una larga lista como innumerables tesoros. Pero cuando se trata del empaquetado de CPU y otros circuitos integrados a gran escala, es posible que no mucha gente lo sepa.

El llamado embalaje se refiere a la carcasa utilizada para instalar chips de circuitos integrados semiconductores. No solo desempeña la función de colocar, fijar, sellar, proteger el chip y mejorar la conductividad térmica, sino que también sirve como un. puente entre el mundo interno del chip y el circuito externo: los contactos del chip están conectados a los pines de la carcasa del paquete con cables, y estos pines están conectados a otros dispositivos a través de cables en la placa de circuito impreso.

Por lo tanto, el empaquetado juega un papel importante para las CPU y otros circuitos integrados LSI (Large Scale Integration). La aparición de una nueva generación de CPU suele ir acompañada del uso de nuevas formas de empaquetado.

La tecnología de empaquetado de chips ha pasado por varias generaciones de cambios, desde D IP, Q FP, P GA, B GA hasta C SP y luego hasta M CM.

Comparación de generaciones. Una generación de tecnología avanzada, incluida la relación entre el área del chip y el área del paquete, se acerca cada vez más a 1, la frecuencia aplicable es cada vez mayor, la resistencia a la temperatura es cada vez mejor, el número de pines aumenta y el espacio entre pines es cada vez mayor. Se reduce, se reduce el peso y se mejora la confiabilidad, es más cómodo de usar, etc. La forma de embalaje específica se describirá en detalle a continuación.

Paquete IP 1.D

En la década de 1970 era popular el paquete dual en línea, conocido como DIP (paquete dual en línea). La estructura del paquete D IP tiene las siguientes características:

(1) Adecuado para instalación a través de orificios en PCB (placa de circuito impreso).

(2) PCB más fácil de enrutar que TO); tipo paquete;

p>

(3) Fácil de operar.

Las formas de estructura de empaque D IP incluyen: DIP doble en línea de cerámica multicapa, DIP doble en línea de cerámica de una sola capa, DIP de marco de plomo (incluido el tipo de sellado de cerámica de vidrio, tipo de estructura encapsulada de plástico, cerámica tipo encapsulado de vidrio de bajo punto de fusión), etc.

Un indicador importante para medir si una tecnología de envasado de chips es avanzada o no es la relación entre el área del chip y el área de embalaje. Cuanto más cercana sea esta relación a 1, mejor. Tomando como ejemplo una CPU que utiliza un paquete plástico dual en línea (PDIP) de pines de E/S de 40 pines, su área de chip/área de paquete = (3 × 3)/(1 5 .24 × 5 0) = 1: 86, lejos de 1. No es difícil ver que el tamaño de este paquete es mucho mayor que el chip, lo que indica que la eficiencia del embalaje es muy baja y ocupa una gran cantidad de área de instalación efectiva. Las primeras CPU de Intel, como 8086 y 80286, estaban empaquetadas en PDIP (plástico dual en línea).

2. Embalaje portador

El embalaje portador de chips apareció en la década de 1980, incluido el portador de chips cerámico sin plomo LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) y el portador de chips de plástico con plomo PLCC ( Plastic Leaded Chip Carrier). , paquete de tamaño pequeño SOP (paquete de contorno pequeño), paquete plano de plomo de cuatro lados de plástico PQFP (paquete plano cuádruple de plástico).

Tomando como ejemplo una CPU con un paquete QFP con una distancia entre centros de pad de 0,5 mm y 208 pines de E/S, si las dimensiones totales son 2,8 mm × 2,8 mm, el núcleo

El tamaño del chip es 1 0 mm × 1 0 mm, entonces área del chip/área del paquete = (10 × 1 0 )/(28 × 28) = 1:7,8. Mucho más pequeño que el del paquete DIP. Las características de Q FP son:

(1) Utilice tecnología de montaje en superficie SMT para instalar el cableado en la PCB

(2) El tamaño del paquete es pequeño, los parámetros parásitos se reducen; y es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia;

(3) Fácil de operar

(4) Alta confiabilidad;

El procesador Intel 8 0 3 86 utiliza un paquete plano de plástico de cuatro lados (P Q F P).

　3.B Paquete GA

En la década de 1990, con el avance de la tecnología de integración, las mejoras en los equipos y el uso de tecnología submicrónica profunda, LSI, V L SI, U L SI

p>

Aparecen uno tras otro, la integración de chips continúa aumentando, el número de pines de E/S aumenta considerablemente, el consumo de energía también aumenta y los requisitos para el empaquetado de circuitos integrados también son más estrictos.

Para satisfacer las necesidades de desarrollo, sobre la base del método de empaque original, se agregó un nuevo método: el empaque de matriz de rejilla de bolas, denominado BGA (B a l l G r i d A r r a y P a c k a g e). Tan pronto como apareció BGA, se convirtió en la mejor opción para chips VLSI como CPU y puente norte y sur. Sus características son:

(1) Aunque el número de pines de E/S aumenta, el espacio entre pines es mucho mayor que el de QFP, mejorando así el rendimiento del ensamblaje

(2; ) Aunque el consumo de energía aumenta, BGA se puede soldar mediante el método de chip de colapso controlado, conocido como soldadura C4, que puede mejorar su rendimiento de calentamiento eléctrico.

(3) El espesor se reduce en 1 en comparación; con QFP /2 o más, el peso se reduce en más de 3/4

(4) Los parámetros parásitos se reducen, el retraso de transmisión de la señal es pequeño y la frecuencia de uso aumenta considerablemente;

(5) El ensamblaje está disponible** *Soldadura de superficie, alta confiabilidad.

(6) El paquete B GA sigue siendo el mismo que Q FP y P GA, y ocupa un sustrato demasiado grande; área.

Intel utiliza cerámica para chips de CPU que están altamente integrados (más de 3 millones de transistores en un solo chip) y consumen mucha energía, como Pentium, Pentium Pro y Pentium II Pin grid array (. CPGA) y un paquete de matriz de rejilla de bolas de cerámica (CBGA), y se instala un microventilador de extracción en la carcasa para disipar el calor, de modo que la CPU pueda funcionar de manera estable y confiable.

4. Tecnología de embalaje orientada al futuro

El embalaje B GA es más avanzado que Q FP y mejor que P GA, pero su relación área de chip/área de paquete sigue siendo muy baja.

Tessera Company ha realizado mejoras sobre la base de BGA y ha desarrollado otra tecnología de embalaje llamada μBGA. Según la distancia entre centros del área de soldadura de 0,5 mm, la relación entre el área del chip y el área del paquete es 1. :4, un gran paso adelante que B GA.

En septiembre de 1994, Mitsubishi Electric de Japón desarrolló una estructura de embalaje con un área de chip/área de embalaje = 1:1,1, y su tamaño de paquete es sólo ligeramente mayor que el de un chip desnudo. Es decir, el tamaño de un solo chip IC depende del tamaño del paquete, por lo que nació una nueva forma de empaque, denominada paquete de tamaño de chip, o CSP (paquete de tamaño de chip o paquete de escala de chip) para abreviar. El empaque CSP tiene las siguientes características:

(1) Satisface las crecientes necesidades de pines de chip LSI

(2) Resuelve el problema de que los chips IC desnudos no se pueden usar para pruebas de parámetros de CA; y problema de detección de envejecimiento

(3) El área de empaque se reduce a 1/4 o incluso 1/10 de BGA, y el tiempo de demora se reduce considerablemente.

Alguien se preguntó alguna vez si un chip CSP altamente integrado, de alto rendimiento y altamente confiable (que usa LSI o IC) y un chip de circuito integrado dedicado (ASIC) se ensamblan en una variedad de componentes, subsistemas o sistemas electrónicos. utilizando tecnología de montaje superficial (SMT) en sustratos de interconexión multicapa de alta densidad. De esta idea surgió el módulo multichip MCM (Multi Chip Model).

Tendrá un impacto significativo en las computadoras modernas, la automatización, las comunicaciones y otros campos. Las características de MCM son:

(1) Se reduce el tiempo de demora del embalaje, lo que facilita la realización de componentes de alta velocidad

(2) El tamaño y el peso del conjunto; el embalaje de la máquina/componentes se reduce y el volumen general se reduce a 1/4 más pequeño, 1/3 más liviano.

(3) La confiabilidad mejora considerablemente.

Con el avance de la tecnología y los procesos de diseño LSI y el uso de tecnología submicrónica profunda y miniaturización para reducir el tamaño del chip, la gente ha ensamblado múltiples chips LSI en una carcasa de cableado multicapa de precisión para desarrollar ideas. Productos MCM.

Más adelante surgió otra idea: integrar los circuitos de múltiples chips en una oblea grande, lo que llevó a un cambio en el empaque de un solo nivel de chip pequeño a un empaque a nivel de oblea de silicio (nivel de oblea), lo que condujo al SOC del sistema en chip. (System On Chip) y chip de computadora PC O C (PC On Chip).

Creo que con el avance continuo de las CPU y otros circuitos ULSI, la forma de empaque de los circuitos integrados también se desarrollará en consecuencia, y el avance de las formas de empaque promoverá a su vez el desarrollo de la tecnología de chips.