原文转自：http://www.systhinker.com/html/85/n-21185.html
 
 
 
如果你想写份邮件，检索一下网页的数据库，传输一段720p的小猫视频，或以60帧每秒的速度再现爆炸场面，首先必须得有台电脑。
 
若要构建一台电脑，你还得设计和制造出微小的处理器来，这些处理器必须能快速运算隐藏在数字行为背后海量的离散计算步骤，其运算速度要达到每秒30亿次。
 
其实归根结底，你还是需要去美国应用材料公司（Applied Materials）购置一套芯片加工设备，应用材料公司是半导体工业设备的主要供应商之一。
 
应用材料公司的机器会对硅晶圆（如下图所展示的英特尔硅晶圆）进行一系列的处理：绝对真空，化学腐蚀，高能等离子体撞击和强烈的紫外线辐射等等，经过数百道分散的加工步骤以后，硅晶圆才会被打磨成CPU、存储芯片和图形处理器。
 
这些加工过程对人体的危害很大，因此大多数工作都在密封室中进行，机械手臂会把晶圆从一个加工区移到另一个加工区。机器本身也是被置于洁净室中，洁净室中的净化空气（以及全身裹得严严实实的员工）使空气污染降至最低。要知道，你头发上的一粒灰尘就足以将一块价值500美元的CPU变成废品，因此这些高科技公司都非常希望能将这种损失降到最低。
 
《连线》最近探访了应用材料公司位于加州圣克拉拉（Santa Clara）的梅登技术中心（Maydan Technology Center），这是一家最先进的无尘中心，应用材料公司专门在此开发和测试其加工机器。
 
3600平方米的超净工作区和一块足球场差不多大，被分割成三个大区，每块区域中都塞满了应用材料公司价值数百万的机器，机器旁边摆满了管道、管线、配件、装满腐蚀化学品的储罐、工具箱和架起的巨大硅晶圆。进入工作区以前，你必须穿上特制的工作服，戴上面罩和护目镜，双层手套和鞋套。甚至连记者用来记录的笔记本也不准带进去，公司的工作人员给我们每人发了一本洁净室专用的笔记本和钢笔，都是包在收缩膜中经过特殊净化过的。
 
这里并不是制造工厂，洁净室只是用来模拟机器的生产环境，在新工艺和工序投入实际生产线之前对其进行彻底检验。因此，它等同于为我们提供了一次极为难得的机会，去一睹尖端半导体的生产过程。
 
 
图片来源：Intel
 
 
光掩膜（Photomask）
 
 
芯片制造的核心工艺是光刻技术（lithography），它类似于丝网印刷，后者是将油墨通过丝模压到棉质T恤上，而光刻技术是利用透过玻璃光掩膜的紫外线辐射到包裹着光阻剂（photoresist）的硅衬底上。
 
紫外线的照射会化学性弱化光阻剂，并在硅衬底的表面留下图案。晶圆再经过化学浸浴，利用腐蚀剂去蚀刻暴露出来的硅基质，同时那些覆盖有光阻剂的区域依然完好无损。
 
去除光阻剂以后，其他机器会在蚀刻痕迹中填入各种各样的材料，如铜或铝，它们是构成处理器的组件之一。
 
上图显示的即为一块光掩膜，它上面印的图案会被印到晶圆上。
 
沉积，蚀刻，再重复
 
 
晶圆被送到制造区以后还需要进行250道不同工序的加工，这些工序包括不同材料的膜沉积，和将沉积膜蚀刻成晶体管和铜线的形式。
 
上图中的右图是一台应用材料公司生产的Endura机械系统。Endura平台是一种模块化的可配置系统，用来在晶圆上沉积金属和金属合金。用用材料公司的工作人员告诉我们，过去20年所出产的每块芯片都用到了Endura平台。
 
左图是一套Applied Tetra III高级掩膜蚀刻系统，如果掩膜板制造商要开发和生产45纳米的掩膜，就必须得使用这套设备。
 
应用材料公司现在正在致力于开发和测试新型的制造设备，因此他们在相关研究上投入了巨额资金。2009年，公司在研发上的支出为9.34亿美元，占其销售收入的20%。
 
目前最先进的芯片制造工艺为30纳米，这意味着芯片元件的平均尺寸为300亿分之一米。
 
芯片制造商们现在致力于制造更小的22纳米芯片。
 
某些芯片元件的深度比其宽度要大得多——某些时候，深度与宽度之比达到了60比1，这种要求增加了加工的难度，它意味着蚀刻系统必须以极高的精度在硅晶圆上制造出极深极狭窄的纳米级沟道来。
 
光刻室沐浴在黄色的灯光中，以避免对光掩膜中使用的紫外线造成干扰。
 
 
 
极度真空
 
 
上图中，一位技术员正在Endura系统的触摸屏界面上进行操作。
 
右边是一台大型的镀银泵，用于在机器内部创造真空——其真空度会低至10的负12次方个大气压（相比之下，地球上方200公里处，即航天飞机所在位置的真空度才达到10的负10次方个大气压）。
 
无金属过程
 
 
图中这台Centura机器右侧的银色金属装置是一台分批装载机，用来给堆积的晶圆迅速减压，再把它们送入机器进行加工。
 
绿色的“非金属添加工具（metal free tool）”标志意味着硅晶圆必须得经过这台机器的处理以后，才能去添加铜质电路。铜是一种污染物，会对非金属加工过程造成混乱，因此用于添加铜质电路的机器需要被仔细的隔离。
 
 
前开式标准晶圆盒（FOUP）
 
 
过去几十年，随着晶圆尺寸的不断增加，芯片制造商们可以利用单片晶圆上制造出更多的芯片。2000年，半导体工业的晶圆标准被定为300毫米。
 
 
为了简化运输和尽可能降低被污染的风险，芯片制造商利用“前开式标准晶圆盒”即所谓的FOUP来搬运晶圆。每个无尘超净的晶圆盒中可放置25块硅晶圆。
 
FOUP可以对接在大多数应用材料机器系统的前端，机器可以将晶圆一片片的吸进去，自动进行加工。
 
 
自动操作和存储
 
 
装满硅晶圆的FOUP重量可达9公斤，因此自动化操作就成了洁净室设计的一项重要内容。
 
应用材料公司的洁净室利用高架的机械单轨来搬用FOUP。在上图中的密封室中贮存着700个FOUP（共有17500块晶圆），需要使用时，机械手臂会将晶圆盒从架子的任意一端移出，放到高架的单轨（图中未显示）上，由单轨输送至目的地。
 
另有2800个FOUP被存储在主洁净室的下方。
 
现代洁净室中的所有机器都是用来制造300毫米硅晶圆的。下一代的芯片将利用450毫米的硅晶圆进行生产，面积的扩大将会产生更多的规模效益，但同时也意味着芯片制造公司需要对所有的机器设备进行调整，因此很多公司不愿接受新标准也在情理之中。
 
应用材料、因特尔、AMD和其他相关公司正在进行旷日持久的谈判磋商，一旦协商成功，这种转变将不可避免。
 
精密制造业
 
 
电脑芯片只有指甲盖般大小，却包含了数以百万计的晶体管，而将这些晶体管连接到其他工作单元、主板和电脑其他部分的线路更是不计其数。
 
它们都集中在一块直径为30厘米的圆形硅晶圆上，每一块这样的晶圆可以被做成200块各自独立且完全相同的处理器。
 
虽然洁净室异常干净，但污染还是避免不了，制造工人需要对每一块处理器进行测试，确保包含在其中的5亿个元件不会出现工艺缺陷，这些元件的尺寸只有30至45纳米。
 
所以说，这些形态各异的机器每台都价值上千万美元（其实大多数都在几百万左右）也不足为奇了。一家成熟的芯片生产企业通常拥有上百台这样的机器，总价值将近几十亿美元。
 
然而，如此巨额的费用在那些财大气粗的企业看来不过尔尔。2009年，全世界半导体产业的销售额为2263亿美元，像因特尔这样的行业巨头一直跻身于世界上最赚钱的企业行列。
 
片刻休憩
 
 
在洁净室中全副武装的工程师和技术人员负责设置和监视机器内部的加工过程。但是机器一旦开动，基本上是全自动化的，除非需要进行人工检修。undefined
 
光是穿上或脱下这一套多层的防护服就花费了我们十分钟的时间，一般有经验的工人几分钟就搞定了。而在洁净室中，更是麻烦不断，一般人只能在里面呆一会儿。undefined
 
当机器在运行的时候，洁净室中的工作人员会利用笔记本干点别的，如分析数据、写报告和收发邮件什么的。undefined
 
其实他们电脑中所用的芯片当初也是从这样的车间被打磨出来的。
 

PCBA加工过程中，要想让让PCB板能实现某些特定的功能，除了硬件到位外，还需要软件程序的匹配与支持，这时候，我们就需要将程序搬进芯片内部存储空间。
PCBA加工过程中方式一般分为离线烧录和在线烧录。
离线烧录：通过适配器和不同封装的芯片链接，芯片与适配器搭配使用才能实现程序的烧录。适配器的本质类似于一种精密夹具，不同封装的芯片需要配合不同的适配座。如果生产测试过程中出现错误，需要对进行生产回溯重新修正，就需要把芯片从适配器上拆卸下来，重新按照规定的流程进行烧录，耗费较大的人力物力，成本较高，并且也比较容易出现问题，所以一般不推荐离线烧录。
在线烧录：在线烧录使用的是芯片的标准通信总线，如USB、SWD、JTAG、UART等，接口一般固定，烧录时连接的脚位也很少。由于接口通信速率并不高，采用一般的线材即可完成烧录，不会产生高消耗。在线烧录是通过线材连接来进行程序烧录的，如果生产测试的时候发现出错了，重新进行烧录即可，无需拆卸芯片。不仅节省生产成本，而且增加了烧录的效率。更重要的是，现在生产线也在向自动化发展，越来越多的制造商将ICT、FCT等功能测试机加在生产线上，使用自动夹具配合在线烧录的生产方式可以在烧录阶段省去人工操作，贴板后直接进行烧录，然后将PCBA送到测试机测试，整个生产过程全自动化，可极大提高生产效率
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芯片一般应用在电工电器上，也是电子产品里面最核心的一个部件，是一个集成电路的载体，承载着运算和储存的功能可以起到了一个传输的作用。芯片也有很多牌子，不同的品牌芯片其质量都不同，因此，芯片品牌商需要在小小的芯片上标记品牌的信息来防伪。
芯片的打标加工精度要求非常高，但芯片体积非常小，而且芯片上还有各种集成电路，所以在小体积芯片上打标的范围有限。传统的印刷属于接触性加工，在印刷的过程中会毁坏芯片，油墨印刷时间久了也会掉色，也因为油墨印刷容易更改，让一些不不法商家进行涂改成自己的商标logo进行售卖，而激光打标加工工艺则完全可以解决这些问题。
芯片激光打标加工原理是通过激光束照射在芯片上产生的热效应烧蚀表层露出里面材质，从而留下永久标记的工艺。激光束的光斑小，能进行精细化打标图文，连复杂的图案都能精细化打标，不会因为时间的变化而掉色，很难擦掉和修改，能有效保护品牌。
芯片打标加工用激光打标无需任何辅助耗材，只需通电即可完成精细化打标，与传统油墨印刷相比节省了辅助耗材的加工成本，并且没有油墨的污染环境，危害操作加工人员的身体健康。
 芯片激光打标加工速度快效率高，搭配图像智能定位系统、全自动上下料流水线打标加工，无需人工操作，打标非常智能灵活，能为企业节省人工成本的同时，带来的生产效益也非常高。
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丁建东课题组设计并微加工制备了简便而功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片
细胞与其周围微环境的相互作用是组织工程、再生医学等领域的一个重要基础问题。其中，力学转导(即细胞感知并响应力学微环境的行为)是一个复杂的过程，亟待开发简单高效的细胞实验微器件来进行相关研究。丁建东课题组运用先进的微加工技术以及有限元分析，设计并成功制备了一种简化但功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片。
常规的微流控拉伸芯片由三层组成，即弹性膜层夹在两个微通道层之间。制作这种微流控芯片需要进行对准和多次键合，而且两侧空腔的薄膜也需要去除，这极大地增加了制备芯片的难度。丁建东课题组设计了独特的两层微流控拉伸芯片。其工作机制是当侧腔在负压下发生弹性变形时，中间腔的弹性膜被拉伸。该芯片的优点是不需要芯片对准，仅需一次键合，而且不需要去除两个侧腔的弹性膜。在显微镜观察弹性膜上的细胞时，工作距离相对于常规的三层芯片更短(图1)。
 
图1.用于细胞拉伸的新型微流控芯片与传统微流控芯片的示意图。传统微流控芯片由三层组成(称为“三层芯片”)，而新型微流控芯片仅由两层组成(称为“二层芯片”)。
从表面上看，这样一种双层芯片不具备可行性，这源于双层结构在负压驱动时中间腔的弹性膜在z方向上必然变化而导致焦平面的改变，或者由于拉伸幅度不足以达到细胞拉伸刺激的要求。丁建东课题组引入了一种将有限元分析与正交实验设计结合的新型方法，在此基础上设计获得最优的芯片结构参数(图2)，有望使得在较大拉伸振幅下z方向仅造成较小的变化。
 
图2. 通过有限元分析和正交实验设计优化芯片结构。为了便于模型的计算，我们对芯片结构进行简化，然后通过有限元分析研究了在负压作用下芯片的变形。最后，通过正交实验设计，使我们能够仅使用计算机模拟而非实验即获得了最佳结构参数。W1：执行腔的宽度，W2：侧壁的宽度，T：膜的厚度，H：微通道的高度。
 随后结合微电子的光刻等技术，在实验上成功制备了相关的硅橡胶(PDMS)高分子芯片，证实了理论设想。
 丁建东课题组进一步运用双层芯片实现了多种拉伸模式(即单轴拉伸，径向拉伸和梯度拉伸)。使用简单的光掩模设计和制造工艺就可以制备这三种微流控芯片。细胞实验发现，在不同拉伸模式下细胞发生了不同的取向变化(图3)。细胞的取向与薄膜拉伸位移场垂直相关。这是由于细胞为了达到内稳态而倾向排列于扰动最小的方向。
图3. 三种拉伸模式及其细胞实验结果。图从左到右依次为拉伸模式，拉伸后细胞状态和细胞方向统计。比例尺：200μm。
丁建东课题组还借助双层芯片工作距离短的优势，清楚地观察了单轴拉伸前后细胞的微管和微丝(图4)。
 
图4. 细胞骨架结构的荧光显微照片及其统计数据。(A)单轴拉伸前后的微管(左列)和微丝(中列)的荧光显微照片，并通过作者开发的计算机程序标记两种细胞骨架细丝的取向(右列)。(B)左图显示了单轴拉伸后微管和微丝的取向统计。右图显示了单轴拉伸前后细胞骨架的序参量。图中标星为显著性差异，其中：“ *” 表示p <0.05、“ **”表示p <0.01、“ ***”表示p <0.001。
该研究开发了一种简便且功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片。为细胞与力学微环境相互作用的研究、以及组织工程与再生医学等领域的基础研究提供了便捷的研究工具。
以上相关成果在Biofabrication发表。Yingning He, Tianjiao Mao, Yexin Gu, Yuqian Yang, Jiandong Ding*, A simplified yet enhanced and versatile microfluidic platform for cyclic cell stretching on an elastic polymer. Biofabrication, 12 (2020) 045032。论文的第一作者是复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室的贺迎宁博士后，通讯作者为丁建东教授。
论文链接:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/abb295
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