Технoлогия изгoтовления микрoсхем

Производство микросхем один из самых сложных процессов так как же их делают?

Основой для создания чипа служат слитки кремниевых монокристаллов, которые разрезаются на пластины круглой формы. Кремний уникальный полупроводник, в зависимости от обработки он может проводить электричество либо послужить изоляционным материалом, это свойство идеально подходит для формирования на поверхности пластины миллионов крошечных транзисторов, диодов и других элементов необходимых для работы готового устройства.

Все начинается с кропотливой разработки микросхемы, сперва определяется последовательность выполнения операций, а также количество отдельных слоев чипа, что бы на пластине появился микро рисунок изготавливаются увеличенные шаблоны, позже изображение слой за слоем переносится на заготовку.

Поскольку размеры элементов невероятно малы то любая частица пыли может испортить работу всей команды производства и поэтому изготовление микросхем проходит в сверх стерильных помещениях в которых трудятся роботы, люди в защитных костюмах же только контролируют их работу.

Что бы создать пластину с кристаллами микросхем применяется до пятисот различных технологических операций, основной процесс изготовления фотолитография, сначала пластины с нанесённым технологическим слоем покрываются тонким слоем светочувствительного фоторезиста, затем на заготовку проецируется уменьшенное изображение с шаблона, фоторезист под воздействием ультрафиолета застывает и когда его не засвеченные участки смываются изображение остается подобно проявки фотографии, далее пластина подвергается различным операциям. На некоторые слои воздействуют ионизированной плазмой где необходимо используют ионную имплантацию, некоторые слои травятся в жидкостях.

Все операции требуют высокой точности и специального оборудования. На готовых кремниевых пластинах размещаются сотни крошечных кристаллов. Что бы проверить их работу используют специальные установки. Непригодные кристаллы маркируются краской и в дальнейшем процессе не учувствуют. Но система сохраняет их данные, что бы понять причину возникновения брака.

Затем пластину с кристаллами разрезают и годные кристаллы фиксируются с помощью клея на металлических рамках, затем каждый микроскопический вывод кристалла приваривается к отдельной площадки выводной рамки, после чего следует процесс герметизации. На получившиеся рамки с помощью пресс форм подается расплавленная пластмасса, после затвердевания она защищает кристалл от воздействия внешней среды.

Завершающий этап, это процесс вырубки микросхем из выводных рамок, финишное тестирование, маркировка и упаковка.

Стоимость производства микросхем.

Допустим фабрика производит КМОП логику, с максимальным объемом выпуска 100 000 пластин в год. На оборудование мы истратили. 75000000 рулей.

Расходы

Расходы на производстве делятся на два типа – постоянные, которые не зависят от объема производства и прямые (переменные) – которые напрямую зависят от объемов производства. Кроме того, некоторые (непрямые) затраты будут увеличиваться с объемом производства, но не пропорционально ему.

Прямые расходы

Кремниевые пластины. Самый очевидный компонент полупроводникового чипа, но его вклад в себестоимость довольно небольшой. 100 мм пластина стоит около 2000 рублей, 300 мм –4000 рублей. пластина вносит вклад в себестоимость около 1%.

Химикаты и газы. В современном техпроцессе содержится порядка 500 шагов. Некоторые из них требуют дорогостоящих химикатов (например резист для литографии или мишень для напыления металла), некоторые вообще не требуют химикатов. Рассчитать точное количество химикатов и их стоимость на каждую операцию довольно сложно, но если просто взять общие затраты на химикаты и разделить на количество операций и пластин, то расчеты существенно упрощаются. В таком случае на одну операцию над одной пластиной уйдет примерно 700 рублей химикатов. Таким образом, если у нас в техпроцессе 500 операций, то мы истратим на изготовление одной пластины 350000 рублей.

Маски (фотошаблоны). Если мы производим много продуктов и постоянно их меняем, то затраты на фотошаблоны будут существенными. Если же мы производим один продукт, то расходы на фотошаблоны не будут зависеть от объемов производства. Для простоты анализа предположим, что мы производим только один продукт и включим затраты на изготовление фотошаблонов в постоянные расходы.

 

 

Непрямые расходы

Электричество. На первый взгляд, это прямые затраты, но на самом деле потребление электричества не прямо пропорционально объему производства. Дело в том, что полупроводниковое оборудование находится постоянно во включенном состоянии, даже если простаивает. Делается это потому, что выход в рабочий режим может занимать довольно много времени. Например, в вакуумном оборудовании, широко используемом в полупроводниковом производстве, большая часть электроэнергии потребляется насосами, которые постоянно работают; печи поддерживают рабочую температуру, работают системы водяного охлаждения, вентиляции и кондиционирования чистых помещений и т.д. Таким образом, при увеличении объемов производства потребление электричества вырастет несущественно и так как его доля в себестоимости не такая большая, в первом приближении мы можем считать, что это постоянные расходы, которые не зависят от объемов производства.

Фонд оплаты труда. С увеличением объемов производства вам может потребоваться больше сотрудников, но связь не прямо пропорциональная. Во-первых, количество административных работников практически не изменится. Во-вторых, количество инженеров может возрасти, но незначительно. При работе фабрики 24/7 инженеры работают 8/5 и только некоторые дежурные покрывают выходные. При увеличении количества смен пропорционально вырастет количество операторов, но, во-первых, при высокой степени автоматизации производства много операторов не нужно, во-вторых, это относительно низкооплачиваемая категория сотрудников. Таким образом, при введении 4 смен на производстве вместо одной затраты на оплату труда вырастут процентов на 20 – 30.

Обслуживание и ремонт оборудования. Составляют в год где-то 5% от стоимости оборудования. Очень много постоянных регламентных работ, которые иногда зависят, иногда не зависят от объемов производства. =

Постоянные расходы

Сюда входит все остальное, что не зависит от объемов производства – амортизация оборудования, аренда земли, ремонт зданий, поддержание работоспособности офиса и т.д. и т.п. Отдельно остановимся на амортизации. Путь оборудование амортизируется за 5 лет. Тогда при общей стоимости оборудования в 75000000 млн мы должны включить в расходы 10000000 млн в год.

Сложив все в кучу, увидим, что наши постоянные расходы составляют примерно 15000000 рублей в год и пусть они растут на 10% при введении одной дополнительной смены. Таким образом стоимость одной пластины будет складываться из прямых затрат на производство одной пластины + постоянные затраты на всю фабрику разделенные на количество пластин = 350000 рублей + 15000000 рублей/объем производства (таблица 2).

Кол-во смен	Объем производства, пластин в год	Постоянные расходы, руб.	Себестоимость пластины, руб.
1	25000	15000000	350600
2	50000	16500000	350300
3	75000	18000000	350240
4	100000	19500000	350195

Таблица 2

Размер пластин

Чтобы узнать, сколько чипов будет на пластине нужно знать размер чипа и размер пластин. В интернете есть удобный калькулятор, который позволит быстро прикинуть, сколько чипов поместится на пластины разного размера. Для примера возьмем чипы разных размеров, «большой» Intel Sandy Bridge E 6C (435 мм2) и «маленький» Qualcomm Snapdragon 835 (72.3 мм2) и посмотрим, сколько их поместится на пластины разных размеров. Disclaimer: чипы взяты просто для примера размеров, последующий расчет себестоимости не имеет ничего общего с реальной себестоимостью данных продуктов (таблица 3).

Размер пластины, мм	Кол-во чипов 435 мм^2	Кол-во чипов 72.3 мм^2
100	9	69
150	24	180
200	52	345
300	127	836

Таблица 3

Учитывая, что себестоимость изготовления одной пластины практически одинакова, из данной таблицы делаем два очень важных вывода:

1. Чем меньше чип, тем больше их на одной пластине, тем он дешевле. Следовательно, уменьшая размеры транзисторов мы можем либо уменьшить стоимость при той же функциональности (не меняя количество транзисторов чип будет меньше), либо увеличив количество транзисторов не меняя размер чипа мы получим увеличение производительности/функциональности при той же стоимости (тот же размер чипа). Становится понятной гонка за уменьшение размеров транзисторов (закон Мура): либо дешевле, либо выше производительность при той же стоимости.

2. Чем больше пластина, тем дешевле один чип. Стоит отметить, что оборудование для размеров пластин от 100 мм до 200 мм практически одно и то же, так что стоимость обработки одной пластины 100 мм, 150 мм и 200 мм будет одинаковой. Для 300 мм оборудование дороже, так что мы должны увеличить постоянные расходы (амортизация и обслуживание) для последующих расчетов. Примем это увеличение равным 50% от стоимости постоянных расходов.

Выход годных

Рис. 20 Пример выхода годных чипов у пластины. Черным обозначены дефектные чипы.

Выход годных влияет на себестоимость напрямую – чем больше выход годных на пластине, тем дешевле чип, так как стоимость пластины не меняется.

Но есть нюанс и он состоит в следующем: выход годных падает в основном из-за дефектов, у которых есть определенная вероятность возникновения на единицу площади полупроводниковой пластины. Очевидно, что у чипа большего размера вероятность поймать дефект и выйти из строя больше, чем у чипа меньшего размера. Таким образом, выход годных мелких чипов будет больше выхода годных крупных чипов при одинаковом количетсве дефектов на пластине.

Расчет себестоимости

В итоге мы имеем несколько главных факторов, влияющих на себестоимость чипа: объем производства, размер пластин, размер чипа выход годных.

Себестоимость чипа (в руб.) размером 72.3 мм2 с выходом годных 80% для фабрики, работающей с разной загрузкой и разным размером пластин (таблица 4).

Кол-во смен	100 мм	150 мм	200 мм	300 мм
1	5085	1970	1016	420
2	5075	1955	1010	415
3	5070	1950	1005	410
4	5060	1945	1000	405

Таблица 4

Прейдя от 100 мм пластин к 300 мм и от одной смены к четырем себестоимость чипа уменьшилась в 20 раз!

Себестоимость чипов (в руб.) разного размера в зависимости от выхода годных на пластине 300 мм при полной загрузке фабрики (таблица 5).

Выход годных	Чип 435 мм2	Чип 72.3 мм2
60%	5320	740
70%	4215	590
80%	4065	440
90%	3475	300
100%	2900	205

Таблица 5

Пpименение АЦП

Аналогo-цифрoвое преoбразование испoльзуется везде, где требуется oбрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифрoвой фoрме. AЦП являются сoставной частью систем сбора данных. Быстрые видео АЦП используются в ТВ-тюнерах. Медленные встрoенные 8, 10, 12 или 16-битные АЦП часто вхoдят в сoстав микроконтроллеров. Очень быстрые AЦП неoбходимы в цифровых осциллографах. Современные весы используют АЦП с разряднoстью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензoметрическогo датчика. AЦП входят в состав радиомодемов и других устрoйств радиoпередачи данных, где используются совместно с процессором ЦОС в качестве демодулятора. Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-aнтеннах) и в антенных решётках РЛС.

АЦП встрoены в бoльшую часть сoвременной звукoзаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правилo, на кoмпьютерах; даже при испoльзовании аналoговой записи АЦП необхoдим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на кoмпакт-диск. Сoвременные АЦП, используемые в звукозаписи, могут рабoтать на частoтах дискретизации до 192 кГц. Мнoгие люди, занятые в этoй oбласти, считают, чтo данный пoказатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соoбражений (oб этом свидетельствует теoрема Кoтельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой анaлоговый сигнал не сoдержит столькo инфoрмации, сколькo может быть сохраненоo в цифрoвом сигнале при такoй высокой частoте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi-аудиoтехники испoльзуется часoота дискретизации 44,1 кГц (стaндартная для кoмпакт-дисков) или 48 кГц (типична для представления звука в кoмпьютерах). Однакo ширoкая пoлоса упрoщает и удешевляет реaлизацию антиалиaсинговых фильтров, позволяя делать их с меньшим числом звеньев или с меньшей крутизной в пoлосе заграждения, чтo пoложительно сказывается на фазовой характеристике фильтра в пoлосе прoпускания. АЦП для звукoзаписи, испoльзуемые в кoмпьютерах, бывают внутренние и внешние.

 

 

Зaключение

В ходе выполнения данной работы по изучению АЦП были выполнены cледующие задачи.

Мы рассмотрели с какими сигналами работает аналогово цифровая техника, как эти сигналы получаются в ходе преобразования, а также рассмотрели виды АЦП которые выполняют эти преобразования.

Был проведен подробный обзор микросхемы AЦП, рассмотрели ее параметры, функциональную схему, и схему включения.

Провели расчет себестоимости производства микросхемы, и узнали о процессе производства микросхем.

Рассмотрели где применяют AЦП.

 В заключение хочется сказать, чтo АЦП очень важны поскольку подавляющее большинство сигналов окружающего мира имеет аналоговую природу, сигналы, предназначенные для цифровой обработки, должны быть конвертированы с помощью AЦП.