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走進(jìn)晶圓廠(chǎng)，深入了解芯片制造流程

走進(jìn)晶圓廠(chǎng)，深入了解芯片制造流程

有些晶體管的尺寸超過(guò)500 億個(gè)，這些晶體管比人類(lèi)頭發(fā)絲的寬度還小1 萬(wàn)倍。它們是在巨大的超潔凈廠(chǎng)房地板上制作的，可達七層樓高，長(cháng)度相當于四個(gè)足球場(chǎng)。

微芯片在許多方面都是現代經(jīng)濟的命脈。它們?yōu)殡娔X、智能手機、汽車(chē)、電器和其他許多電子產(chǎn)品提供動(dòng)力。但自疫情以來(lái)，世界對它們的需求激增，這也導致供應鏈中斷，導致全球短缺。

這反過(guò)來(lái)又加劇了通貨膨脹，并在美國引起了人們的警覺(jué): 美國正變得過(guò)于依賴(lài)海外制造的芯片。美國僅占全球半導體制造產(chǎn)能的12 % 左右; 超過(guò)90 % 的最先進(jìn)的芯片來(lái)自臺灣。

硅谷巨頭英特爾( Intel) 正試圖恢復其在芯片制造技術(shù)方面的長(cháng)期領(lǐng)先地位，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(qián)德勒的芯片制造中心建造兩家工廠(chǎng)，這將需要三年時(shí)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(chǎng)。

為什么制造數以百萬(wàn)計的這些微小部件意味著(zhù)建造和花費如此之大? 看看位于俄勒岡州錢(qián)德勒和希爾斯伯勒的英特爾生產(chǎn)工廠(chǎng)，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(kāi)始取代體積龐大的單個(gè)晶體管。許多這些微小的部件是在一塊硅上生產(chǎn)的，并連接在一起工作。產(chǎn)生的芯片存儲數據、放大無(wú)線(xiàn)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(jīng)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(chǎn)更小的元件，這是蘋(píng)果選擇臺積電為其最新款iphone制造芯片的一個(gè)關(guān)鍵原因。

芯片是如何制造的

成排排列的專(zhuān)用機器接收裝滿(mǎn)芯片的容器，這些芯片被移入和移出這些系統進(jìn)行處理。

其中一臺機器用于在制造芯片時(shí)從硅晶片上蝕刻材料。

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

除了建造廠(chǎng)房和購置機器外，公司還必須花費巨資開(kāi)發(fā)復雜的加工步驟，用平板大小的硅片來(lái)制造芯片—— 這就是為什么這些工廠(chǎng)被稱(chēng)為“ 晶圓廠(chǎng)”。

巨大的機器在每個(gè)晶圓上設計芯片，然后沉積和蝕刻材料層來(lái)制造晶體管并將它們連接起來(lái)。在這些系統中，在自動(dòng)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(gè)步驟，長(cháng)達兩個(gè)月。近年來(lái)，臺積電已經(jīng)為產(chǎn)量設定了節奏，運營(yíng)著(zhù)擁有四條或四條以上生產(chǎn)線(xiàn)的“ 千兆工廠(chǎng)”( gigafabs)。市場(chǎng)研究公司Tech Insights的副董事長(cháng)Dan Hutcheson估計，每個(gè)工廠(chǎng)每月可以加工10 萬(wàn)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(chǎng)每個(gè)月的生產(chǎn)能力約為4 萬(wàn)個(gè)晶圓。

芯片如何封裝

使用新技術(shù)堆疊芯片，然后進(jìn)行封裝。

單個(gè)芯片在包裝前存儲在磁帶和卷軸上。

芯片將附著(zhù)在封裝基板上。

在封裝過(guò)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(jīng)成為一個(gè)新的戰場(chǎng)，因為要把晶體管做得更小更加困難?，F在，各家公司正在將多個(gè)芯片堆疊起來(lái)，或者將它們并排放置在一個(gè)包裝中，將它們連接起來(lái)，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(jīng)開(kāi)發(fā)出一種先進(jìn)的產(chǎn)品，利用新技術(shù)將47 個(gè)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(chǎng)生產(chǎn)的芯片。

是什么讓芯片工廠(chǎng)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(dòng)工具零件。

工人在潔凈室內安裝自動(dòng)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(jià)為數百至數千美元。例如，英特爾今年3 月發(fā)布了其最快的臺式電腦微處理器，起價(jià)為739 美元。一塊肉眼看不見(jiàn)的灰塵可以毀掉一個(gè)人。因此，晶圓廠(chǎng)必須比醫院手

術(shù)室更清潔，需要復雜的系統來(lái)過(guò)濾空氣、調節溫度和濕度。

晶圓廠(chǎng)還必須不受任何可能導致昂貴設備故障的振動(dòng)的影響。因此，完美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(dòng)大量液體和氣體的能力。英特爾的頂級工廠(chǎng)大約有70 英尺( 21 米) 高，有巨大的風(fēng)扇幫助空氣循環(huán)到正下方的潔凈室。在潔凈室的下面是成千上萬(wàn)的泵、變壓器、動(dòng)力柜、公用事業(yè)管道和與生產(chǎn)設備連接的冷水機。

對水的需求

希爾斯伯勒的水處理廠(chǎng)。芯片制造每天需要數百萬(wàn)加侖的水。

英特爾希望與環(huán)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(chǎng)的一座塔從水中去除氣體。

晶圓廠(chǎng)是水密集型業(yè)務(wù)。這是因為在生產(chǎn)過(guò)程的許多階段都需要水來(lái)清潔晶圓。

英特爾公司在錢(qián)德勒的兩個(gè)站點(diǎn)每天從當地公用事業(yè)單位共抽取約1100 萬(wàn)加侖( 約4200 萬(wàn)升) 的水。英特爾未來(lái)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(lái)說(shuō)似乎是一個(gè)挑戰，該州已經(jīng)削減了對農民的用水分配。但農業(yè)實(shí)際消耗的水比一個(gè)芯片廠(chǎng)多得多。

英特爾表示，它在錢(qián)德勒的站點(diǎn)依靠三條河流和一口井的供應，通過(guò)過(guò)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(yíng)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(guò)與環(huán)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(jìn)亞利桑那州和其他州的供水。

起重機在錢(qián)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(chǎng)吊裝 55 噸冷水機。為了建造未來(lái)的工廠(chǎng)，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(shuō)，挖掘地基預計將清除89 萬(wàn)立方
碼( 約合68 萬(wàn)立方米) 的泥土，這些泥土以每分鐘一輛自卸卡車(chē)的速度運走。

該公司預計將澆筑超過(guò)44 . 5 萬(wàn)立方碼的混凝土，并使用10 萬(wàn)噸鋼筋作為地基，這比建造世界最高建筑迪拜哈利法塔的鋼筋還要多。

多倫說(shuō)，一些施工用的起重機非常大，需要100 多輛卡車(chē)才能把零件組裝起來(lái)。這些起重機將為新晶圓廠(chǎng)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(shuō)美國國會(huì )為芯片廠(chǎng)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(fēng)險，他計劃重點(diǎn)建設晶圓廠(chǎng)“ 外殼”，這些外殼可以配備相應的設備，以應對市場(chǎng)變化。

為了解決芯片短缺的問(wèn)題，蓋爾辛格將不得不執行他的計劃，生產(chǎn)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(chē)這樣的產(chǎn)品需要來(lái)自許多供應商的零部件，以及舊芯片。在半導體領(lǐng)域，也沒(méi)有哪個(gè)國家能夠獨善其身。盡管推動(dòng)國內制造業(yè)可以在一定程度上降低供應風(fēng)險，但芯片行業(yè)將繼續依賴(lài)一個(gè)復雜的全球企業(yè)網(wǎng)絡(luò )來(lái)提供原材料、生產(chǎn)設備、設計軟件、人才和專(zhuān)業(yè)制造。

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