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【了不起的芯片】从晶圆到CPU,可不只是“砍”一刀那么简单

04/03 11:20
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这一期,我们聊一聊晶圆切割的那些事儿。

CPU作为计算机智能手机中最重要的电子器件之一,它是如何变成我们看到的样子呢?平平无奇的一块小板真的是从晶圆片上直接被片下来的吗?

那当然——不是!!!

直接切下来的晶圆片和CPU并不相同。两者对比,CPU是严密封装好的芯片,层层“包裹”后最终的商品;而晶圆片则像是尚未进化完全的硅基生物,如果直接“裸着出门”,这个世界将会变得非常危险。

不过,CPU确实是从晶圆上被切下来的。晶圆切割技术经历了一个从粗糙到精准的成长过程。在经过光刻刻蚀加工后,晶圆片被划分成多个小区域,就像我们拍的证件照那样,每张照片紧密排在一格格的位置上,照片之间会留出一定的间距。这个间距有一个专门的名字——Saw Street,每个Saw Street大概有80um至150um那么大,切割则需要在Saw Street内完成,保证每一块区域的完整性。

值得一提的是,这确实是最初唯一可以用来切割晶圆的办法,可追溯到20世纪60年代硅晶体管发展初期。但相较于相纸,晶圆更厚更硬,如此粗暴的切割方式难以保证精准度,经常导致晶圆边缘脱落或裂开,造成不小的损耗。

到了60年代中期,一种更聪明的办法出现了——先用硬度近似金刚石的叶轮将有厚度的晶圆片划一道槽,达到一定的薄度后再用刀片切割,同时在晶圆上表面预先贴一层胶膜,以确保每一块芯片的完整性。这样类似锯切的方式在相当长一段时间内占据主导地位,早期6英寸以下的晶圆主要采取这种方式进行切割。

随着晶圆片直径变大,厚度变薄,特别是晶圆尺寸大到8英寸以上时,又开始在切割中再度出现脱落和裂纹等问题,于是“先切割,后研磨”代替了此前的切割工艺......后续过渡到激光切割和等离子切割......但无论晶圆切割工艺如何变化,其实目的始终如一——力求提升精准度,确保尽量不损坏任何一片芯片。

从晶圆上切割下来的这片小小的区域,就是我们常说的“die”,即芯粒。随着工艺制程的发展,die越来越精细,上面的电路图也越来越复杂,相应的成本也随之攀升。一旦处理不当,die就可能面临“go die”的风险。

而die距离成为真正的“chip”还有一步之遥——“封装”。封装过程可以把脆弱难用的裸片变成方正结实、管脚规范、散热良好的独立芯片,在保护die的同时降低了焊接难度。有关封装的更多详情,可以在我们往期的视频中了解。

CPU绝不是简简单单从晶圆上片一块下来就能用的!未来,晶圆切割的工艺又会如何发展,人类是否能找到一个完美的切割办法呢?

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