一颗芯片的3万公里之旅

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来源 ： 内容编译自IEEE 。

如果你想真正了解电子行业的全球规模，看看你的智能手机就知道了。驱动它的处理器最初只是一块不起眼的石头，但当它进入你的设备时，它可能已经走过了比你更多的世界。一路上，它经历了地球上一些技术最先进、最严密保护的工序。跟随我们，重温这段令人难以置信的3万公里旅程。

你的智能手机处理器的旅程始于西班牙西北角圣地亚哥-德孔波斯特拉市附近的米纳塞拉巴尔（Mina Serrabal ）石英矿。石英——更确切地说，是二氧化硅或硅石——是沙子的主要成分。但在塞拉巴尔，石英块的宽度可达智能手机的两倍。矿场运营商Ferroglobe运行着一套自动化系统，按大小对二氧化硅进行分类。经过清洗和处理后，大块的石英将被运往大西洋海岸，开启旅程的下一阶段。

经过一个小时的卡车运输，这些石英小石块抵达了位于沿海省份拉科鲁尼亚的Sabón工厂，这是Ferroglobe公司占地12.5万平方米的工厂。在这里，石英将与脱水木屑混合，并在三台电弧炉中加热至1500至2000摄氏度。这些电弧炉使用20世纪90年代该工厂发明的大型电极。在炉内，会发生反应，将二氧化硅中的氧气分离出来，并将其与木材中的碳结合。最终生成金属硅和一氧化碳。

生成的硅金属纯度约为 98%，但这还不够。要成为微处理器，它的纯度至少需要达到 99.9999999%，而这需要相当强大的化学反应。因此，它被送到了德国布格豪森的瓦克化学公司。

在这里，金属要经过所谓的西门子法：浸泡在盐酸中，发生反应生成氢气和一种叫做三氯氢硅的液体。任何杂质都会在液体中，然后液体要经过多步蒸馏过程，将纯三氯氢硅与任何不需要的物质分离。达到所需的纯度后，反应就会逆转：在 1,150°C 下，三氯氢硅与氢气发生反应，沉积多个硅晶体，称为多晶硅，然后产生的盐酸气体被吸走。多晶硅在加热元件周围形成粗棒。一旦冷却并从反应室中取出，多晶硅就会被粉碎以便运输。

超纯硅由许多不同取向的晶体组成。但微处理器必须由单晶制成。因此，这种材料可能会迁移到德克萨斯州谢尔曼，环球晶圆公司最近在那里开设了一家投资 35 亿美元的硅片工厂。在这里，多晶硅要经过所谓的提拉法 (Cz)。

在高纯度石英坩埚中，多晶硅被加热到约 1,425°C 并熔化。然后将具有精确晶体取向的籽晶浸入熔体中，慢慢向上拉，并旋转。如果所有步骤都准确无误，就能拉出一块直径 300 毫米、高数米的纯净晶体硅锭。然后用专用锯将这根高纯度的半导体柱切成厚度不到 1 毫米的晶圆。晶圆在送往晶圆厂之前要经过清洁、抛光，有时还要进行进一步加工。

现在，这些晶圆将运往位于台湾南部的台南，台积电的 Fab 18工厂将把这些晶圆变成最新的智能手机处理器。这是一个极其复杂的过程，涉及一些地球上最复杂、最昂贵的设备，包括每台成本高达 3 亿美元的EUV 光刻系统。

在 Fab 18 工厂，每块晶圆都要经过数月极其精密的加工，才能生产出构成处理器的晶体管和线路。极紫外光会将图案印到晶圆上，热离子会撞击其表面，精密的化学反应会逐原子层构建某些部件，酸会蚀刻掉纳米级结构，金属会通过电化学镀层对部件进行电镀，并在其他部件上进行抛光。结果是：一块布满相同处理器的晶圆。

尽管这些处理器非常出色，但您不能以这种形式使用它们。它们首先需要进行封装。对于我们的硅片，封装将在马来西亚槟城的 ASE 工厂进行。封装为芯片提供了机械保护、散热途径以及将芯片的微米级部件连接到电路板的毫米级部件的方法。为此，首先将晶圆切成芯片。然后将微小的焊球（有些只有几十微米宽）附着到芯片上。将焊球对准封装的相应部分，然后将两个部分熔化在一起。将多个硅片集成在同一个封装内正变得越来越普遍，它们要么堆叠在一起，要么并排放置在称为中介层的单独硅片上。接下来是该过程的其他步骤，然后封装好的部件就可以进行下一步了。

我们封装好的芯片接下来将抵达印度南部，富士康位于班加罗尔郊区、耗资25.6亿美元新建的组装厂。这座占地1.2平方公里的工厂包含可容纳3万名工人的宿舍，他们将把芯片、印刷电路板、触摸屏、电池以及众多其他组件组装成一部iPhone——该公司预计该工厂和其他三家工厂每年将生产约2500万部iPhone。

https://spectrum.ieee.org/the-long-strange-trip-from-silica-to-smartphone

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4176期内容，欢迎关注。

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