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走進晶圓廠，深入了解芯片制造流程

走進晶圓廠，深入了解芯片制造流程

技術交流|Technology Exchange|

2022-04-15 06:54:05 7

有些晶體管的尺寸超過500億個，這些晶體管比人類頭發絲的寬度還小1萬倍。它們是在巨大的超潔凈廠房地板上制作的，可達七層樓高，長度相當于四個足球場。

微芯片在許多方面都是現代經濟的命脈。它們為電腦、智能手機、汽車、電器和其他許多電子產品提供動力。但自疫情以來，*對它們的需求激增，這也導致供應鏈中斷，導致全球短缺。

這反過來又加劇了通貨膨脹，并在美國引起了人們的警覺:美國正變得過于依賴海外制造的芯片。美國僅占全球半導體制造產能的12%左右;超過90%的最先進的芯片來自臺灣。

硅谷巨頭英特爾(Intel)正試圖恢復其在芯片制造技術方面的長期*地位，該公司正押注200億美元，希望能幫助緩解芯片短缺的局面。該公司正在其位于亞利桑那州錢德勒的芯片制造中心建造兩家工廠，這將需要三年時間才能完成。最近，該公司宣布了可能更大規模的擴張計劃，將在俄亥俄州的新奧爾巴尼和德國的馬格德堡建立新工廠。

為什么制造數以百萬計的這些微小部件意味著建造和花費如此之大?看看位于俄勒岡州錢德勒和希爾斯伯勒的英特爾生產工廠，就能找到一些答案。

芯片有什么作用？

芯片或集成電路在20世紀50年代末開始取代體積龐大的單個晶體管。許多這些微小的部件是在一塊硅上生產的，并連接在一起工作。產生的芯片存儲數據、放大無線電信號和執行其他操作;英特爾以各種微處理器而聞名，它們執行計算機的大部分計算功能。

英特爾公司已經成功地將其微處理器上的晶體管縮小到令人難以置信的尺寸。但競爭對手臺積電可以生產更小的元件，這是蘋果選擇臺積電為其最新款iphone制造芯片的一個關鍵原因。

芯片是如何制造的

成排排列的專用機器接收裝滿芯片的容器，這些芯片被移入和移出這些系統進行處理。

其中一臺機器用于在制造芯片時從硅晶片上蝕刻材料。

芯片制造商將越來越多的晶體管封裝到每一塊硅上，這就是為什么技術每年都在增加。這也是為什么新的芯片工廠要花費數十億美元，而很少有公司能負擔得起。

除了建造廠房和購置機器外，公司還必須花費巨資開發復雜的加工步驟，用平板大小的硅片來制造芯片——這就是為什么這些工廠被稱為“晶圓廠”。

巨大的機器在每個晶圓上設計芯片，然后沉積和蝕刻材料層來制造晶體管并將它們連接起來。在這些系統中，在自動高架軌道上的特殊吊艙中，一次最多可運送25片晶圓。

加工一塊晶圓需要數千個步驟，長達兩個月。近年來，臺積電已經為產量設定了節奏，運營著擁有四條或四條以上生產線的“千兆工廠”(gigafabs)。市場研究公司TechInsights的副董事長Dan Hutcheson估計，每個工廠每月可以加工10萬片以上的晶圓。他估計，英特爾在亞利桑那州的兩家計劃投資100億美元的工廠每個月的生產能力約為4萬個晶圓。

芯片如何封裝

使用新技術堆疊芯片，然后進行封裝。

單個芯片在包裝前存儲在磁帶和卷軸上。

芯片將附著在封裝基板上。

在封裝過程中，小型“小芯片”將直接鍵合到晶圓上。

加工后，晶圓被切成單獨的薄片。這些被測試和包裹在塑料包裝連接到電路板或系統的一部分。

這一步已經成為一個新的戰場，因為要把晶體管做得更小更加困難。現在，各家公司正在將多個芯片堆疊起來，或者將它們并排放置在一個包裝中，將它們連接起來，就像一塊硅片一樣。

如今，將少量芯片封裝在一起已成為一種常規做法，而英特爾(Intel)已經開發出一種先進的產品，利用新技術將47個獨立芯片捆綁在一起，其中包括一些由臺積電(TSMC)和其他公司制造的芯片，以及在英特爾工廠生產的芯片。

是什么讓芯片工廠與眾不同

英特爾員工在俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾園區潔凈室內等待移動工具零件。

工人在潔凈室內安裝自動化物料搬運系統。

大型管道將氣體從英特爾希爾斯伯勒園區的處理機器中排出。

英特爾芯片通常售價為數百至數千美元。例如，英特爾今年3月發布了其最快的臺式電腦微處理器，起價為739美元。一塊肉眼看不見的灰塵可以毀掉一個人。因此，晶圓廠必須比醫院手術室更清潔，需要復雜的系統來過濾空氣、調節溫度和濕度。

晶圓廠還必須不受任何可能導致昂貴設備故障的振動的影響。因此，*的潔凈室建在巨大的混凝土板上，安裝在特殊的減震器上。

同樣重要的是移動大量液體和氣體的能力。英特爾的*工廠大約有70英尺(21米)高，有巨大的風扇幫助空氣循環到正下方的潔凈室。在潔凈室的下面是成千上萬的泵、變壓器、動力柜、公用事業管道和與生產設備連接的冷水機。

對水的需求

希爾斯伯勒的水處理廠。芯片制造每天需要數百萬加侖的水。

英特爾希望與環保組織和其他組織合作，到 2030 年增加亞利桑那州的供水。

英特爾希爾斯伯勒工廠的一座塔從水中去除氣體。

晶圓廠是水密集型業務。這是因為在生產過程的許多階段都需要水來清潔晶圓。

英特爾公司在錢德勒的兩個站點每天從當地公用事業單位共抽取約1100萬加侖(約4200萬升)的水。英特爾未來的擴張將需要更多的資金，這對于像亞利桑那州這樣飽受干旱困擾的州來說似乎是一個挑戰，該州已經削減了對農民的用水分配。但農業實際消耗的水比一個芯片廠多得多。

英特爾表示，它在錢德勒的站點依靠三條河流和一口井的供應，通過過濾系統、沉淀池和其他設備回收了約82%的淡水。這些水被送回該市，該市運營英特爾資助的處理設施，并重新分配用于灌溉和其他非飲用水用途。

英特爾希望通過與環保組織和其他組織合作，在當地社區節約和恢復水資源的項目上，到2030年促進亞利桑那州和其他州的供水。

如何建造晶圓廠

希爾斯伯勒的工人搬運建筑材料。

英特爾未來在錢德勒的工廠之一。為了建造其設施，英特爾將需要大約 5,000 名熟練的建筑工人，為期三年。

挖掘錢德勒的兩個新工廠的地基預計將清除 890,000 立方碼的泥土

Chandler 挖掘的泥土將以每分鐘一輛自卸卡車的速度運走。

起重機在錢德勒工地搬運建筑材料。除其他外，這些起重機將為新晶圓廠吊裝 55 噸冷水機。

為了建造未來的工廠，英特爾將在三年內需要大約5000名熟練的建筑工人。

他們有很多事要做。英特爾建筑主管丹?多倫(Dan Doron)說，挖掘地基預計將清除89萬立方碼(約合68萬立方米)的泥土，這些泥土以每分鐘一輛自卸卡車的速度運走。

該公司預計將澆筑超過44.5萬立方碼的混凝土，并使用10萬噸鋼筋作為地基，這比建造*最高建筑迪拜哈利法塔的鋼筋還要多。

多倫說，一些施工用的起重機非常大，需要100多輛卡車才能把零件組裝起來。這些起重機將為新晶圓廠吊起55噸的冷卻器。

一年前成為英特爾首席執行官的帕特里克?蓋爾辛格正在游說美國國會為芯片廠建設提供撥款，并為設備投資提供稅收抵免。為了管理英特爾的支出風險，他計劃重點建設晶圓廠“外殼”，這些外殼可以配備相應的設備，以應對市場變化。

為了解決芯片短缺的問題，蓋爾辛格將不得不執行他的計劃，生產由其他公司設計的芯片。但一家公司能做的也就這么多了;像手機和汽車這樣的產品需要來自許多供應商的零部件，以及舊芯片。在半導體領域，也沒有哪個*能夠獨善其身。盡管推動國內制造業可以在一定程度上降低供應風險，但芯片行業將繼續依賴一個復雜的全球企業網絡來提供原材料、生產設備、設計軟件、人才和專業制造。

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