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晶圆和芯片有什么区别?

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一、什么是晶圆

想要了解什么是晶圆?我们必须从源头学起了。晶圆制作过程是件非常复杂的事情。那么晶圆的原材料是什么呢?或者晶圆是从哪里提炼的呢?

要理解晶圆与芯片的区别,我们得先从半导体制造的基础材料说起。你可能难以想象,现代电子设备的核心竟然起源于最普通的沙子。是的,半导体工业的起点就是二氧化硅(SiO₂),也就是沙子的主要成分。

通过一系列复杂的化学提纯过程,沙子被转化为纯度高达99.9999999%的多晶硅。这个纯度意味着每十亿个原子中,杂质原子不超过一个。想象一下,这相当于在一个标准足球场里只允许存在一粒沙子大小的杂质。这种超高纯度的硅材料是制造半导体器件的基础。

多晶硅经过进一步处理,会形成单晶硅锭。单晶硅的特点是整个晶体内部的原子排列完全一致,没有晶界存在。这种完美的晶体结构对于电子器件的性能至关重要。目前行业中最常用的方法是”柴可拉斯基法”(Czochralski method),通过将籽晶浸入熔融硅中缓慢旋转提升,生长出圆柱形的单晶硅锭。

有了单晶硅锭后,下一步就是将其切割成薄片,这就是我们所说的晶圆(Wafer)。晶圆可以说是半导体制造的”画布”,所有集成电路都将在这上面”绘制”出来。因此晶圆被誉为半导体的画布。你可以再这块画布上尽情开发你想要的功能。

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二、那么什么是芯片呢?

如果说晶圆是画布,那么芯片(Chip或Die)就是画布上完成的艺术品。芯片是指晶圆上经过一系列复杂工艺处理后形成的独立功能单元,每个芯片都包含完整的集成电路。

芯片的制造过程堪称人类工业文明的巅峰之作。通过光刻、蚀刻、离子注入、薄膜沉积等数百道工序,在晶圆表面构建出纳米级的晶体管和互连线。现代芯片上的晶体管数量已经达到数百亿个,相当于在地球上为每个人建造十几个晶体管。

芯片的尺寸差异很大,从几平方毫米到几百平方毫米不等。通常,芯片面积越小,单片晶圆上能生产的芯片数量就越多,成本也就越低。但芯片尺寸的缩小受到物理极限、散热问题和设计复杂度的限制。

一个有趣的现象是,晶圆边缘的芯片良率通常低于中心区域,这是因为晶圆边缘的工艺均匀性较难控制。因此,芯片制造商会尽量避免将关键芯片设计在靠近晶圆边缘的位置。

三、晶圆与芯片的关键区别再哪里呢?

现在我们已经了解了晶圆和芯片各自的特点,让我们系统地比较它们之间的主要区别:

定义层面:晶圆是制造芯片的基底材料,而芯片是在晶圆上制造完成的独立功能单元。可以类比为画布与画作的关系。

生产阶段:晶圆属于半导体制造的前端材料,而芯片是制造过程的最终产品(在封装之前)。晶圆需要经过完整的芯片制造流程才能转化为芯片。

物理形态:晶圆是圆形薄片(考虑到制造工艺的历史沿革),而芯片通常是矩形或方形的。这是因为圆形晶圆在旋转涂布和曝光时更为均匀,而矩形芯片则更利于电路设计和后续封装。

功能完整性:晶圆本身不具备电子功能,它只是承载电子器件的平台;而芯片则是具备完整电路功能的独立单元,可以直接或经过封装后用于电子设备中。

价值构成:一片晶圆的价值相对固定,而晶圆上芯片的总价值则取决于芯片的设计复杂度和数量。高端处理器芯片的晶圆产出价值可能是简单电源管理芯片的数十倍。

尺寸标准:晶圆尺寸有行业标准(如6英寸、8英寸、12英寸等),而芯片尺寸则根据设计需求变化多样,没有固定标准。

四、晶圆是怎么变成芯片的呢?

晶圆完成所有制造工艺后,上面排列着数十甚至数百个相同的芯片。这时候需要通过划片(Dicing)工艺将芯片分离。这个过程类似于将一张邮票分割成单枚邮票。

划片通常采用以下两种方法之一:

机械切割:使用金刚石刀片的高速旋转锯,沿着芯片之间的切割道(Scribe Line)进行切割。切割道是专门留出的空白区域,宽度通常为50-100微米。

激光切割:对于更精密的芯片或超薄晶圆,会采用激光切割技术。这种方法热影响区小,切割质量更高,但设备成本也更昂贵。

划片后,合格的芯片会被挑选出来进行封装测试,而有缺陷的芯片则会被废弃。芯片在晶圆上的良品率(Yield)是半导体制造中最重要的经济指标之一,直接影响产品的成本和利润。

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