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深究芯片的製造過程及硬件成本

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芯片在電子學中是一種把電路小型化的方式,主要包括半導體設備,也包括被動組件等,並通常製造在半導體晶圓表面上。像Intel這樣的巨頭,巔峯時期的利潤可以高達60%。那麼,相對應動輒幾百、上千元的CPU,它的實際成本到底是多少呢?下面請看本站小編的詳細分析。想了解更多相關資訊請持續關注我們應屆畢業生培訓網。

深究芯片的製造過程及硬件成本

先來看看製造過程

芯片製作完整過程包括芯片設計、晶片製作、封裝製作、成本測試等幾個環節,其中晶片製作過程尤爲的複雜。 精密的芯片其製造過程非常的複雜首先是芯片設計,根據設計的需求,生成的“圖樣”。

1、芯片的原料晶圓

晶圓的成分是硅,硅是由石英沙所精練出來的,晶圓便是硅元素加以純化(99.999%),接着是將些純硅製成硅晶棒,成爲製造集成電路的石英半導體的材料,將其切片就是芯片製作具體需要的晶圓。晶圓越薄,生產的成本越低,但對工藝就要求的越高。

2、晶圓塗膜

晶圓塗膜能抵抗氧化以及耐溫能力,其材料爲光阻的一種。

3、晶圓光刻顯影、蝕刻

該過程使用了對紫外光敏感的化學物質,即遇紫外光則變軟。透過控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片塗上光致抗蝕劑,使得其遇紫外光就會溶解。

這時可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,這溶解部分接着可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了,而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。

4、攙加雜質

將晶圓中植入離子,生成相應的P、N類半導體。具體工藝是是從硅片上暴露的區域開始,放入化學離子混合液中。

這一工藝將改變攙雜區的導電方式,使每個晶體管可以通、斷、或攜帶數據。簡單的芯片可以只用一層,但複雜的芯片通常有很多層,這時候將這一流程不斷的重複,不同層可透過開啓視窗聯接起來。

這一點類似多層PCB板的製作製作原理。 更爲複雜的芯片可能需要多個二氧化硅層,這時候透過重複光刻以及上面流程來實現,形成一個立體的結構。

5、晶圓測試

經過上面的幾道工藝之後,晶圓上就形成了一個個格狀的晶粒。透過針測的方式對每個晶粒進行電氣特性檢測。

一般每個芯片的擁有的晶粒數量是龐大的,組織一次針測試模式是非常複雜的過程,這要求了在生產的時候儘量是同等芯片規格構造的型號的大批量的生產。

數量越大相對成本就會越低,這也是爲什麼主流芯片器件造價低的一個因素。

6、封裝

將製造完成晶圓固定,綁定引腳,按照需求去製作成各種不同的封裝形式,這就是同種芯片內核可以有不同的封裝形式的原因。

比如:DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。這裏主要是由用戶的應用習慣、應用環境、市場形式等外圍因素來決定的。

7、測試、包裝

經過上述工藝流程以後,芯片製作就已經全部完成了,這一步驟是將芯片進行測試、剔除不良品,以及包裝。

芯片的硬件成本構成

芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的設計成本。

芯片硬件成本包括晶片成本+掩膜成本+測試成本+封裝成本四部分(像ARM陣營的IC設計公司要支付給ARM設計研發費以及每一片芯片的版稅,但筆者這裏主要描述自主CPU和Intel這樣的巨頭,將購買IP的成本省去),而且還要除去那些測試封裝廢片。

用公式表達爲:

芯片硬件成本=(晶片成本+測試成本+封裝成本+掩膜成本)/ 最終成品率

對上述名稱做一個簡單的解釋,方便普通羣衆理解,懂行的可以跳過。

從二氧化硅到市場上出售的芯片,要經過製取工業硅、製取電子硅、再進行切割打磨製取晶圓。晶圓是製造芯片的原材料,晶片成本可以理解爲每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。

一般情況下,特別是產量足夠大,而且擁有自主知識產權,以億爲單位量產來計算的話,晶片成本佔比最高。不過也有例外,在接下來的封裝成本中介紹奇葩的例子。

封裝是將基片、內核、散熱片堆疊在一起,就形成了大家日常見到的CPU,封裝成本就是這個過程所需要的資金。在產量巨大的一般情況下,封裝成本一般佔硬件成本的5%-25%左右,不過IBM的.有些芯片封裝成本佔總成本一半左右,據說最高的曾達到過70%.

測試可以鑑別出每一顆處理器的關鍵特性,比如最高頻率、功耗、發熱量等,並決定處理器的等級,比如將一堆芯片分門別類爲:I5 4460、I5 4590、I5 4690、I5 4690K等,之後Intel就可以根據不同的等級,開出不同的售價。不過,如果芯片產量足夠大的話,測試成本可以忽略不計。

掩膜成本就是採用不同的製程工藝所需要的成本,像40/28nm的工藝已經非常成熟,成本也低——40nm低功耗工藝的掩膜成本爲200萬美元;28nm SOI工藝爲400萬美元;28nm HKMG成本爲600萬美元。

不過,在先進的製程工藝問世之初,耗費則頗爲不菲——在2014年剛出現14nm製程時,其掩膜成本爲3億美元(隨着時間的推移和臺積電、三星掌握14/16nm製程,現在的價格應該不會這麼貴);而Intel正在研發的10nm製程。根據Intel官方估算,掩膜成本至少需要10億美元。

不過如果芯片以億爲單位量產的話(貌似蘋果每年手機+平板的出貨量上億),即便掩膜成本高達10億美元,分攤到每一片芯片上,其成本也就10美元。而這從另一方面折射出爲何像蘋果這樣的巨頭採用臺積電、三星最先進,也是最貴的製程工藝,依舊能賺大錢,這就是爲什麼IC設計具有贏者通吃的特性。

像代工廠要進行的光刻、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試等步驟需要的成本,以及光刻機、刻蝕機、減薄機、劃片機、裝片機、引線鍵合機、倒裝機等製造設備折舊成本都被算進測試成本、封裝成本、掩膜成本中,就沒有必要另行計算了。