硬件工程师培训教程（五）

精品资料网（）25万份精华管理资料，2万多集管理视频讲座精品资料网（）专业提供企管培训资料硬件工程师培训教程（五）第二节CPU的制造工艺CPU从诞生至今已经走过了20余年的发展历程，CPU的制造工艺和制造技术也有了长足的进步和发展。在介绍CPU的制造过程之前，有必要先单独地介绍一下CPU处理器的构造。从外表观察，CPU其实就是一块矩形固状物体，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不过，此时用户看到的不过是CPU的外壳，用专业术语讲也就是CPU的封装。而在CPU的内部，其核心则是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片(英文名称为Die，也就是核心的意思，PⅢCoppermine和Duron等CPU中部的突起部分就是Die)。可别小瞧了这块面积不大的硅片，在它上面密不透风地布满了数以百万计的晶体管。这些晶体管的作用就好像是我们大脑上的神经元，相互配合协调，以此来完成各种复杂的运算和操作。硅之所以能够成为生产CPU核心的重要半导体素材，最主要的原因就是其分布的广泛性且价格便宜。此外，硅还可以形成品质极佳的大块晶体，通过切割得到直径8英寸甚至更大而厚度不足1毫米的圆形薄片，也就是我们平常讲的晶片(也叫晶圆)。一块这样的晶片可以切割成许多小片，其中的每一个小片也就是一块单独CPU的核心。当然，在执行这样的切割之前，我们也还有许多处理工作要做。Intel公司当年发布的4004微处理器不过2300个晶体管，而目前PⅢ铜矿处理器所包含的晶体管已超过了2000万个，集成度提高了上万倍，而用户却不难发现单个CPU的核心硅片面积丝毫没有增大，甚至越变越小，这是设计者不断改进制造工艺的结果。除了制造材料外，线宽也是CPU结构中的重要一环。线宽即是指芯片上的最基本功能单元门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系统更稳定，CPU得以运行在更高的频率下，而且可使用更小的晶圆，于是成本也就随之降低。随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能已逐渐满足不了要求，未来的处理器将采用导电特性更好的铜连线。AMD公司在其面向高端的Athlon系列Thunderbird(雷鸟)处理器的高频率版本中已经开始采用铜连线技术。这样复杂的构造，大家自然也就会更关心“CPU究竟是怎么做出来的呢”。客观地讲，最初的CPU制造工艺比较粗糙，直到晶体管的产生与应用。众所周知，CPU中最重要的元件就属晶体管了。晶体管就像一个开关，而这两种最简单的“开和关”的选择对应于电脑而言，也就是我们常常挂在嘴边的“0和1”。明白了这个道理，就让我们来看看CPU是如何制造的。一、CPU的制造1.切割晶圆所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核(Die)。2.影印（Photolithography）在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。3.蚀刻(Etching)用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除，就得到了有沟槽的硅基片。4.分层为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。5.离子注入(IonImplantation)通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。一个完整的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路的连接。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装，一个CPU便制造出来精品资料网（）25万份精华管理资料，2万多集管理视频讲座精品资料网（）专业提供企管培训资料了。另外，除了上述制造步骤外，生产CPU的环境也十分重要，超洁净空间是CPU制造的先决条件。如果拿微处理器制造工厂中生产芯片的超净化室与医院内的手术室比较的话，相信后者也是望尘莫及。作为一级的生产芯片超净化室，其每平方英尺只允许有一粒灰尘，而且每间超净化室里的空气平均每分钟就要彻底更换一次。空气从天花板压入，从地板吸出。净化室内部的气压稍高于外部气压。这样，如果净化室中出现裂缝，那么内部的洁净空气也会通过裂缝溜走，以此来防止受污染的空气流入。同时，在处理器芯片制造工厂里，Intel公司的上千名员工都身穿一种特殊材料制造的“兔装”工作服。这种“兔装”工作服其实也是防尘的手段之一，它是由一种极其特殊的非棉绒、抗静电纤维制成，可以避免灰尘、脏物或其他污染源损坏生产过程中的计算机芯片。兔装可以穿着在普通衣服的外面，但必须经过含有54个单独步骤的严格着装检验程序，而且当着装者每次进入和离开超净化室时都必须重复这个程序。二、CPU的封装自从Intel公司1971年设计制造出4位微处理器芯片以来，在20多年里，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium、PⅡ、PⅢ、P4，从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从MHz发展到今天的GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000多个跃升到千万以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI(超大规模集成电路)达到ULSI。封装的输入/输出(I/O)引脚从几十根，逐渐增加到几百根，甚至可能达到2000根。这一切真是一个翻天覆地的变化。对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、PⅡ、Celeron、K6、K6-2、Athlon……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI(LargeScaleIntegration)集成电路都起着重要的作用，新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。下面将对具体的封装形式作详细说明。1.DIP封装20世纪70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(DualIn-linePackage)。DIP封装结构具有以下特点:(1)适合PCB(印刷电路板)的穿孔安装;(2)比TO型封装易于对PCB布线;(3)操作方便。DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)等。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=(3×3)/(15.24×50)=1:86，离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。Intel公司早期的CPU，如8086、80286，都采用PDIP封装(塑料双列直插)。2.载体封装20世纪80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(LeadlessCeramicChipCarrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)、小尺寸封装精品资料网（）25万份精华管理资料，2万多集管理视频讲座精品资料网（）专业提供企管培训资料SOP(SmallOutlinePackage)、塑料四边引出扁平封装PQFP(PlasticQuadFlatPackage)。以0.5mm焊区中心距、208根I/O引脚QFP封装的CPU为例，如果外形尺寸为28mm×28mm，芯片尺寸为10mm×10mm，则芯片面积/封装面积=(10×10)/(28×28)=1:7.8，由此可见QFP封装比DIP封装的尺寸大大减小。QFP的特点是:(1)用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;(2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;(3)操作方便;(4)可靠性高。Intel公司的80386处理器就采用塑料四边引出扁平封装(PQFP)。3.BGA封装20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为满足发展的需要，在原有封装方式的基础上，又增添了新的方式——球栅阵列封装，简称BGA(BallGridArrayPackage)。BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的最佳选择。其特点有:(1)I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;(2)虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能;(3)厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;(4)寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;(5)组装可用共面焊接，可靠性高;(6)BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大。Intel公司对集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)、功耗很大的CPU芯片，如Pentium、PentiumPro、PentiumⅡ采用陶瓷针栅阵列封装(CPGA)和陶瓷球栅阵列封装(CBGA)，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而使CPU能稳定可靠地工作。4.面向未来的封装技术BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。Tessera公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。1994年9月，日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)。CSP封装具有以下特点:(1)满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要;(2)解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题;(3)封装面积缩小到BGA的1/4甚至1/10，延迟时间大大缩小。曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(MultiChipModel)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有:(1)封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化;(2)缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3;(3)可靠性大大提高。随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将精品资料网（）25万份精华管理资料，2万多集管理视频讲座精品资料网（http:/