Microchips: Hoe worden ze gemaakt
Bovenstaand blokdiagram geeft de activiteiten weer om een microchip te maken van specificatie tot chip voor de klant. De verschillende disciplines zijn in de loop van de jaren hetzelfde gebleven, alhoewel in de loop der jaren de uitvoering in ieder discipline sterk veranderd is. Dit was ook nodig om de huidige complexe chips nog te kunnen maken. In dit hoofdstuk word in het kort beschreven hoe microchips worden gemaakt. In het hoofdstuk microchips: toen en nu word ingegaan hoe dit in de loop der tijd is veranderd.
Development word onderverdeeld in specificatie, ontwerp en test met als resultaat een beschrijving van de microchip, de lay-out en het testprogramma, waarmee de fabriek de microchip kan maken en testen. Manufacturing word weer onderverdeeld in front-end en backend fabricage met als resultaat een microchip in een omhulling (package microchip (IC)) als product voor de klant.
Specificatie: Een architect met team kijkt samen met de klant wat voor een IC deze nodig heeft en onder welke randvoorwaarden, zoals: maximale snelheid, maximaal stroom verbruik, maximale lek , welk soort omhulling, en wanneer en hoeveel microchips zijn er nodig zijn. Hieruit volgt een specificatie van de microchip inclusief de technologie waarin de microchip gemaakt gaat / moet worden. Uiteraard komen ook de kosten en aflevertijd in de specificatie te staan.
Ontwerpen: De ontwerper (design engineer) zal nu de specificatie beschrijven in design software. Waarna met een programma en het nodige handwerk er een elektronisch schema gemaakt word die voldoet aan de werking beschreven in de specificatie. Met simulatie programma’s controleert de ontwerper dan of het ontwerp binnen de elektrische randvoorwaarden blijft. Met een elektronisch schema kan de fabriek geen microchip maken. Daarvoor moet de ontwerper m.b.v. lay-out programma een lay-out maken. Een lay-out of mask-design representeert het design in termen van geometrische patronen van de verschillende lagen die de transistoren en de verbinding lagen beschrijven. Deze lay-out word met software programma’s gecontroleerd of de spreiding binnen de gewenste specificatie blijft. Checks zoals: is de lay-out gelijk aan het elektronisch schema, vallen de elektrisch vereiste binnen de specificatie, voldoen de geometrische patronen aan de specificatie die de fabriek vereist om de microchip te kunnen maken. Bron: Wikipedia
Testpatronen: parallel aan het ontwerp zal de test engineer testpatronen maken. Deze testpatronen zijn nodig om het eindproduct, de microchip, te kunnen testen of alles voldoet aan de specificatie. De testpatronen worden natuurlijk ook met behulp van software ontworpen.
De lay-out en de testpatronen worden nu naar de fabriek gestuurd om verder te verwerken.
Front-end manufacturing of te wel wafer fabricage: is een procedure van vele herhaalde opeenvolgende proces stappen in de fabriek, een voor iedere laag beschreven in de lay-out. Voor eenvoudige en oudere processen zijn er 8 tot 12 proces stappen nodig maar een complex proces kent wel 30 tot 36 proces stappen. Een proces stap lijkt op het maken en ontwikkelen van een foto met een oud fashion film rolletje. Alleen nu print je niet op papier, als bij foto, maar op een wafer, een schijf silicium, en moet je dit voor iedere proces stap doen precies uitgelijnd met de vorige stappen. Op een wafer (schijf silicium) zitten wel 100 tot 100000 microchips. Voor de volgende stap worden de microchips getest met de test patronen van de test engineer. De microchips worden getest op de wafer in een wafer-tester. Dit apparaat schuift razend snel over de wafer en test ieder microchip apart. Het testen van 1 microchip (die) duurt maar enkele milliseconden. Als er een microchip niet voldoet aan de test word er een rode stip op aangebracht zodat deze bij de volgende stap niet gebruikt word. Testen duurt per die dan maar enkele milliseconden maar het testen van vele wafers kost veel tijd en is daarom duur.
Bron: Wikipedia
The Fabrication of Integrated Circuits: YouTube filmpje
Back-end manufacturing of te wel packaging: in het kort gezegd de microchip in een “doosje”, IC , plakken en verbinden tussen microchip en de pinnen om het IC te kunnen aansluiten op een PCB (printed circuit board). De eerste stap is om op de wafer de microchips los te zagen. Met een machine worden nu de goede microchips opgepakt en in een omhulling geplakt. Hierna word met een bonding machine de microchip met draadjes (bond-wires) aangesloten op de pootjes van het IC. Waarna het IC dicht gemaakt word. Omdat er door deze stappen microchips kapot kunnen gaan zal er weer getest moeten worden, final toetsing) met het zelfde testpatronen.
Bron: Wikipedia
De IC’s kunnen nu naar de klant gestuurd worden om met succes in hun product te worden gebruikt.