Iphone 智能手机微纳科技大探秘.PDF

Iphone 智能手机微纳科技大探秘 智能手机（Smartphone) ，是指像PC 一样，具有独立的操作系统，可以由用 户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，并可以通过移动通讯网络来实 现无线网络接入的手机的总称。 目前的智能手机行业以 Android 和 IOS 操作系统 为主导的二大智能手机阵营为主。IOS 手机阵营中 ，史蒂夫-乔布斯创办的苹果公 司设计和生产的 Iphone 是智能手机的最好代表，IPhone 手机也深受广大消费者 的喜爱，在苹果公司出品的 iphone 手机应用了多项先进的微纳米科学与技术。 接下来，我们将带您一起探秘 iphone 手机的应用的微纳米科技。 第一篇章 手机微处理器芯片— “摩尔定律指引下的手机心脏” 图 1 iphone A10 处理器芯片示意图 苹果的 iPhone 芯片在先进工艺采用上一直领跑行业。苹果推出的 iPhone 7 采用的是 A10 处理器 ，如图 1 所示。该芯片以 16 纳米工艺微纳米加工技术。 什么叫做 16nm 纳米加工工艺？ 受限于产品的功耗体积等因素的困挠，智能手机芯片厂商在采用先进工艺方面 表现得极为积极，14/16nm 智能手机 CPU 刚刚面世，如骁龙 820、骁龙 625 等 仍然属于旗舰级手机的顶端配置。16nm 代表的含义就是指 CPU 芯片微纳结构中 线宽的最小尺寸，这里的线宽指的类似于智能家庭中的电线。芯片中的线宽越小， 芯片的集成度越高，单位面积内的功能单元就越多，芯片的计算速度和运算效率就 越高。用于如果不出意外，2017 年智能手机芯片就将进入 10 纳米时代。 10 纳米工艺的迫切需求 首先需要承认，智能手机芯片厂商之所以如此积极采用 10 纳米工艺，有着技 术上的迫切需求。一般而言，不同的芯片制程工艺将导致芯片性能变化，制程越小， 单位面积上可以集成的芯片越多，芯片性能将提升，更小的芯片制程也意味着功耗 的降低。同时先进工艺是降低产品功耗、让高端芯片更轻薄省电 ，体积更小。这都 将有助于提升手机厂商的产品均价与竞争力。 缩小芯片体积、增强芯片性能是维持计算机行业运行数十年的 “摩尔定律”正 确性的关键。按照摩尔定律所述，新的芯片制造技术每两年就会迭代，未来商业用 的芯片有可能会突破到 8nm 以下。它已经帮助将计算机送到我们的桌子上、口袋 里以及手腕上。 用雕刻大理石的方式制造硅芯片 当今的芯片晶体管都是利用硅元素制造的，主要依赖于硅元素在不同环境下可 导电或不导电的特性。芯片制造技术主要为光刻搀杂，沉积，封装等系列工艺。光 刻就是将硅片上特定部分除去、留下电路的技术 ，如下图 2 所示。制造硅芯片的时 候，就像用大理石雕刻塑像。 图 2 光刻和镀膜工艺制备的电路镀层 自从 1947 年第一个晶体管发明以来，科学技术一直在迅猛发展，为更高级、 更强大、成本效益和能效更高的产品发明铺平了道路。尽管进步巨大，但是晶体管 发热和电流泄露问题始终是制造更小的晶体管、让摩尔定律持久发挥效力的关键障 碍。毫无疑问，过去 40 年一直用来制造晶体管的某些材料需要进行替代。 CPU 制作技术依赖于光刻机，基本原理是光通过一块选择性透光的光罩掩膜， 使掩膜版下方的光刻胶表面选择性曝光，复制掩模版上的纳米级图案到 CPU 所在 的硅片上 ，光刻原理图如下图 3 所示。所以光刻核心部件就两个，光源和掩膜版， CPU 的尺寸也由这两者决定。首先的问题是光通过掩模版上的纳米级小孔时，因 为孔的大小接近或小于光波长，会存在衍射问题 ，所以理论上光刻分辨率大概只能 到光波长的一半，要想提高分辨率就得减小使用光的波长。目前 IBM 产的 7nm 芯 片就用的是波长为 13.5nm 的极紫外光，由 CO2 激光产生。另外就是掩模版上面 纳米图案的制造，这是靠另一种技术，电子束刻蚀，通过聚焦一束高能量电子在光 刻胶表面直接写图案，因为电子的衍射波长很小，分辨率可以小于 10nm。还有一 点就是 CPU 结构中层与层之间的对齐，需要掩模版的移动精度在纳米级，目前的 机械和压电控制可以满足要求。图 4 为光刻后 wafer 表面形成的沟道形微纳米结 构微观组织图。 图 3-光刻原理示意图 图 4-光刻得到的微纳米结构