Ferlið við að búa til vinnsluminni fyrir spjaldtölvur
Vinnsluminni (Random Access Memory) er einn mikilvægasti íhluturinn í spjaldtölvu. Án vinnsluminnis getur spjaldtölva ekki keyrt forrit vel, skipt hratt á milli verkefna eða viðhaldið viðbragðshraða þegar mörg ferli eru í gangi samtímis. Þrátt fyrir litla stærð sína og þétt lokaða inni í tækinu eru vinnsluminnisflísar afleiðing af mjög flóknu og nákvæmu framleiðsluferli sem felur í sér hundruð skrefa. Þessi grein fjallar um helstu skrefin í framleiðsluferli vinnsluminnisflísar sem almennt eru notaðir í spjaldtölvum - venjulega af gerðinni LPDDR (Low Power Double Data Rate), þar sem þeir eru hannaðir til að vera orkusparandi.
1. Byggingarhönnun og forskriftir
Ferlið hefst löngu áður en raunverulegur örgjörvi er jafnvel til staðar. Hönnunarteymi hjá hálfleiðarafyrirtækjum ákvarða þarfir spjaldtölvumarkaðarins: geymslurými (t.d. 4GB, 8GB, 12GB), bandbreidd, orkunotkun og eindrægni við kerfis-á-örgjörva (SoC). Fyrir nútíma spjaldtölvur verður vinnsluminni að vega og meta afköst og rafhlöðunýtni. Þess vegna eru staðlar eins og LPDDR4X eða LPDDR5/LPDDR5X oft notaðir.
Í hönnunarfasanum þróa verkfræðingar einnig arkitektúr minnisfrumna, minnisbanka, gagnaleiða (gagnarúta) og stuðningsrása eins og skynjunarmagnara, rað-/dálkaafkóðara og endurnýjunarkerfa. DRAM er frábrugðið SRAM: DRAM geymir bita með litlum þéttum sem þarf að endurnýja reglulega, en SRAM er hraðara en mun dýrara og plássfrekara.
2. Hönnun og staðfesting á útliti
Þegar arkitektúrinn hefur verið skilgreindur er hönnunin breytt í efnislegt útlit: nákvæmt kort af staðsetningu smára, þétta, málmtenginga og laganna sem mynda á kísilþráðinn. Þetta stig krefst EDA hugbúnaðar (Electronic Design Automation) og strangs sannprófunarferlis til að tryggja að hönnunin sé framleiðsluhæf og virki eins og til er ætlast.
Staðfesting felur í sér tímasetningarhermir, orkunotkun, þol gegn breytingum á ferlum og rökfræðiprófanir til að forðast banvæn villur sem gætu valdið því að öll skífulotan bilar.
3. Framleiðsla á kísilplötum (undirlögum)
Vinnsluminnisflísar eru gerðar á afarhreinum kísilplötum. Kísillinn er unninn úr kristöllum sem ræktaðir eru með svipaðri tækni og Czochralski. Stöngunum er síðan skorið í þunnar plötur, slípað þar til yfirborðið er fullkomlega slétt og síðan efnafræðilega hreinsað.
Gæði skífunnar ákvarðar afköst (hlutfall vel heppnaðra örgjörva). Í framleiðslu hálfleiðara geta jafnvel örsmáar rykagnir valdið göllum á einum deyja (einum örgjörva) eða jafnvel stærra svæði skífunnar.
4. Framhlið ferlis: myndun smára og minnisfrumna
Næsta stig er að smíða rafeindabúnað á skífuna með röð endurtekinna ferla. Þetta er kjarni „verksmiðju“ hálfleiðara.
a. Oxun og þunnlagsútfelling
Skífan er húðuð með þunnu lagi af efni eins og kísildíoxíði, kísillnítríði eða öðru rafeindaefni. Þetta lag getur virkað sem einangrari, skjöldur eða sem hluti af smára/þétta uppbyggingu.
b. Ljósmyndun (ljósmyndun)
Ljósmyndataka er ferlið við að „teikna“ rafrásarmynstur. Skífan er húðuð með ljósnæmu efni og síðan lýst upp í gegnum grímu með því að nota litmyndavél. Ákveðin svæði harðna eða leysast upp (fer eftir gerð viðnámsins) og mynda þannig mynstrið. Þetta ferli er endurtekið nokkrum sinnum fyrir hvert lag.
Í nútíma framleiðslustöðvum getur litgrafía notað djúp útfjólubláa geislun (DUV) eða öfga útfjólubláa geislun (EUV) til að framleiða afar litla eiginleika. Því minni sem eiginleikarnir eru, því fleiri minnisfrumur er hægt að pakka, afkastagetan eykst og orkunotkunin minnkar — þó að flækjustig ferlisins aukist.
c. Etsun
Þegar mynstrið hefur myndast er efni á ákveðnum svæðum fjarlægt með þurretsun (plasma) eða blautetsun (efnafræðileg) til að mynda þá uppbyggingu sem óskað er eftir.
d. Lyfjagjöf og jónígræðsla
Til þess að smári virki verða kísillsvæðin að vera „dópuð“ - óhreinindi eins og bór eða fosfór bætt við til að mynda p-gerð og n-gerð svæði. Þetta er gert með jónaígræðslu og síðan með glæðingu (hitun) til að fínpússa kristalinn og virkja dopefnin.
e. Myndun DRAM þétta
Lykillinn að DRAM er hleðslugeymsluþéttir. Þar sem þéttar þurfa að vera nógu stórir til að geyma áreiðanlega lesanlega hleðslu, en flísarrýmið er takmarkað, eru þéttahönnun gerðar í þrívíddarhönnun, svo sem skurðþéttum eða staflaðum þéttum, allt eftir tækni. Há-k díelektrísk efni eru oft notuð til að auka rýmd án þess að auka efnislega stærð.
DRAM-frumur eru yfirleitt einir smári og einum þétti (1T1C). Gæði þessarar uppbyggingar ákvarða stöðugleika, hraða og endurnýjunarkröfur.
5. Bakvinnsluferli: málmlög og samtengingar
Þegar smárarnir og minnisfrumurnar eru myndaðar þarf örgjörvinn „þjóðveg“ til að flytja merki og afl. Þetta er gert með bakendaferli (BEOL): þar sem mörg lög af málmtengingum eru raðað saman.
Málmefnið er yfirleitt kopar með dreifingarhindrun til að koma í veg fyrir að koparinn skemmi hin lögin. Einangrandi lag (díelektrískt lag) er sett á milli málmanna til að draga úr sníkjudýraorku og merkjaleka. Í nútíma örgjörvum getur fjöldi málmlaga verið gríðarlegur, hvert með einstöku mynstri til að tengja milljónir til milljarða frumefna.
6. Skoðun, mælifræði og gæðaeftirlit á hverju stigi
Í gegnum allt ferlið eru skífur stöðugt skoðaðar með mælitækjum: rafeindasmásjá, þykktarmælingum á filmu, gallaprófunum og yfirborðsgreiningu (nákvæmni mynsturstöflunarinnar milli laga). Þar sem ein skífa inniheldur hundruð til þúsunda af deyja geta lítil mistök haft veruleg áhrif á kostnað.
Hálfleiðaraverksmiðjur halda hreinum herbergjum með ströngum stöðlum, þar sem smásæjar agnir geta truflað framleiðslu. Starfsmenn klæðast sérstökum fatnaði og loftflæði er stýrt til að lágmarka mengun.
7. Flokkun á skífum: upphafsprófun á skífustigi
Eftir að öll lögin eru tilbúin er skífan ekki enn skorin. Næsta skref kallast skífuprófun eða skífuflokkun. Prófunarnálar snerta prófunarflöt á hverjum diski til að athuga grunnvirkni: hvort hægt sé að skrifa í og lesa úr minnisfrumunum, hvort einhverjir gölluð svæði séu og rafmagnseiginleika eins og leka og orkunotkun.
Niðurstöðurnar eru kortlagðar (wafer map) til að bera kennsl á góða og gallaða form. Á þessum tímapunkti metur fyrirtækið einnig afköstin og aðlagar ferlið ef ákveðin gallamynstur eru greind.
8. Teningaskurður: Skerið skífuna í forma
Prófuðu skífurnar eru skornar í litla bita (form) með demantsög eða leysigeisla. Gallaðir form eru venjulega fargað. Þeir sem standast prófið fara síðan í pökkunarstig.
9. Umbúðir: að breyta teningnum í tilbúinn örgjörva
Umbúðir eru meira en bara „umbúðir“; þær tryggja að hægt sé að tengja örgjörvann við rafrásarborðið, vernda hann og dreifa hita.
Fyrir spjaldtölvuvinnsluminni er algengasta umbúðin BGA (Ball Grid Array) eða samþjappaðari útgáfa eins og FBGA, oft með stillingu sem hentar fyrir LPDDR. Á þessu stigi er flísaröðin tengd við undirlagið, tengd með vírtengingu eða flip-chip, og síðan eru lóðkúlur bættar við til að tengja hana við móðurborðið.
Þar sem spjaldtölvur eru svo þunnar skiptir stærð og hæð örgjörvans miklu máli. Framleiðendur velja pakka sem eru þéttir en samt sem áður með góðri merkjatryggð, þar sem vinnsluminni vinnur á miklum hraða og er viðkvæmt fyrir truflunum.
10. Lokaprófun, flokkun og samþætting við spjaldtölvu
Pakkaðar örgjörvar eru endurprófaðir í lokaprófun. Prófunin felur í sér hámarkshraða, orkunotkun, stöðugleika við mismunandi hitastig og áreiðanleika. Þaðan er framkvæmt flokkun: örgjörvarnir eru flokkaðir eftir afköstum. Örgjörvar sem geta keyrt stöðugt við hærri tíðni eru settir í úrvalsflokk, en þeir sem eru aðeins stöðugir við staðlaðar forskriftir eru settir í annan flokk.
Eftir að prófunin hefur staðist er örgjörvinn sendur til samsetningarverksmiðjunnar. Á samþættingarstiginu er vinnsluminni lóðað við rafrásarborð spjaldtölvunnar, prófað ásamt SoC og síðan gengst undir gæðaprófanir á tækisstigi eins og álagsprófanir, fallprófanir og hitastigsprófanir.
Lokun
Framleiðsluferlið við vinnsluminni fyrir spjaldtölvur er sambland af nákvæmri hönnun, nanómetra-nákvæmri framleiðslutækni og ströngu gæðaeftirliti í hverju skrefi. Frá hreinum kísilkristöllum til orkusparandi LPDDR vinnsluminnispakka er allt búið til með röð endurtekinna ferla - steinritun, útfellingu, etsun, efnablöndun, myndun þétta, tengingu málma, prófun á skífum, skurði og pökkun og lokaprófun. Þó að vinnsluminni virðist vera einföld afkastageta fyrir spjaldtölvunotendur, þá liggur á bak við það stöðugt þróandi framleiðslutækni sem gerir tæki hraðari, skilvirkari og áreiðanlegri.
Ef þú vilt get ég líka bætt við sérstökum kafla um muninn á LPDDR4X og LPDDR5, eða farið nánar út í tæknilegar upplýsingar um uppbyggingu DRAM-frumunnar og EUV-litografíuferlið.
