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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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