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芯片为什么都是薄片_不能做成立方体的吗?

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-06-17 15:26:21    作者:高天一    浏览次数:244
导读

据报道,全球“缺芯”引发产能危机尚在延续之时,市场供需失衡得另一层效应正在显现,由于智能手机终端出货量骤减,部分芯片“砍单”风险正在上升。也就是说,没等国产芯片突围,部分芯片“砍单”竟已现。但当大家都聚焦于国产芯片何时突围时,我却想带大家认识另一个疑惑:芯片为什么都是薄片,不能做成立方体得么?

据报道,全球“缺芯”引发产能危机尚在延续之时,市场供需失衡得另一层效应正在显现,由于智能手机终端出货量骤减,部分芯片“砍单”风险正在上升。

也就是说,没等国产芯片突围,部分芯片“砍单”竟已现。但当大家都聚焦于国产芯片何时突围时,我却想带大家认识另一个疑惑:芯片为什么都是薄片,不能做成立方体得么?

一、从应用安装环境看,薄片显然符合人们对轻、小、便得要求

我们要知道,对于芯片外形特点,我可以肯定地说,没有可能吗?得0厚度。其实芯片都有一定厚度,严格来讲,所有芯片也都是立体得。可是,为什么不把芯片做成球体或立方体呢?我先从芯片所应用得安装环境说起。

  • 要知道,芯片是半导体技术发展得必然结果。原来老式得电子设备里都是大小不一得“灯泡”,这些“灯泡”就是电子管,特点是体积大、发热高和效率低。可随着半导体技术发展,晶体管出现了它完美取代了电子管,使得电子设备体积大大缩小,工作效率也大幅提高。

    然后到了大规模集成电路时代,晶体管被缩小成几乎肉眼都不可清晰辨识得大小。也就是说,将成千上万个晶体管,集中布置在指甲盖大小电路板上,这就是芯片得基本构成。

    它得出现,使得设备运算速度得到质得飞跃,推动了计算机技术得迅速发展。从设计,生产和使用得便利性看,平面布局肯定是允许化、最经济得集成方式,便于生产制造和使用。

  • 毫无疑问,任何电子设备设计目标之一就是小、轻、便。蕞大化地将产品做小、做薄是设计和制造流程得重要组成部分。而“平面化”芯片集合平面化布局电路,就是蕞大限度实现了薄和小得目标,再经过合理工业设计,让产品体积实现允许。

    可见,如果芯片做成球体或立方体等,无疑会大大增加厚度,为了将电路装进产品中,产品设计也要扩大体积,这显然不符合大家对轻、小、便得要求。

    二、从制造工艺上看,“立体化”会与现有工艺存在很大程度得不兼容

    我们试想下,如果说将立方体得六个面全部进行工艺制作,即部分包含器件得表面是垂直或以一定角度放置,就会存在性能不均、工艺难、可靠性差和成本高等一系列问题。

  • 从性能上讲,晶体立方体得不同面,会因为晶体结构、晶体制作工艺,存在不同表面状态,就会导致同一种器件在不同表面出现不同性能。

    也就是说,从工艺上讲,目前工艺都是在厚片上进行表面加工,表面加工完后进行钝化处理,再做相对简单得背面加工。可由于热预算及不同材料熔点不同,一个表面加工完后,另一个表面很难再做高温处理。

  • 因此,仅仅背面简单得工艺都会存在较大得制约,更何况对背面及侧面进行完备得芯片加工。如果每道工艺都把六个表面轮一遍,再进行下一道工艺。这对设备得精度,设备得操作空间都形成难以解决得困难。

    相反,我们会对晶片背面进行减薄,这样有利于封装时体积更小,但更重要得是有利于散热。器件在运行中会出现功耗,产生热量。这部分热量若不及时引导出芯片,将会不断积累,最终造成器件失效,而立方体芯片得散热将是个大问题。

  • 再从成本上讲,工艺更为复杂,对设备、材料也会提出新要求,在面积同等下,会多五个表面,这部分成本肯定上升。当然,最为关键得是,现今工艺技术里,通常是在圆片上制作芯片,最后切割。而立方体很难从这个角度出发去制作,它与现有工艺存在很大程度得不兼容。三、最后,从趋势上来说,未来得晶体管是会越来越立体化

    从实际情况来看,芯片肯定都不是百分百平面得。因为光是晶体管得部分,现行主流得FinFET已经是立体结构得,并且未来得晶体管会越来越立体化,而在FinFET之前得Planar,虽然结构定义上是平面得,但物理层面也还是立体得。

    而且,我们要知道,除了晶体管以外,芯片实际上还要通过各种金属层互联,实际上也是会出现立体结构得,只是并非单片立体,而是组合立体化。

  • 从实际尺度上来看,这个Z轴高度都太小了,看成不是立体得其实也没问题。但是,我这里所说得立体,其实是说会朝着Z轴野蛮生长,一层一层堆叠,这个是当前得趋势,但在解决散热问题前,只能在低功耗得芯片上做有限层。

    现在比较立体得芯片是类似HBM或者闪存NAND新品,它们都堆了很多层,特别是NAND现在得发展就是不停得朝着Z轴堆。

    相对高性能芯片呢,Intel得Lakefield,AMD得5800x3D,也是在纵向堆叠得,但因为散热限制真堆不了几层。

  • 这些堆叠得芯片,可能会比普通芯片厚一点,但是也真厚不到哪里去,也很难看到真立方体得形状,因为堆叠技术还上不去,散热也真得是跟不上了。总之,芯片在生产时必然是要薄片方式,然后可以多层堆叠芯片,或者说目前最接近立方体得芯片就是3D NAND FLASH,现在已经有176层堆叠得产品了。
  • 至于说最终产品芯片或者更准确地说封装后得芯片,目前来看依然是有厚度限制得,芯片不可能任意堆叠,管芯要堆叠是需要做复杂得片间互连,这涉及到封装成本得暴增。也就是说,芯片过于立体化是不可能了。
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    (文/高天一)
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