Uusimmat

Mikroprosessori – suunnittelu ja valmistus (osa 2)

14.06.2011 12:19 Sampsa Kurri

Tutustuimme Muropaketin mikroprosessorista kertovassa artikkelisarjan ensimmäisessä osassa mikroprosessorin historiaan, x86-arkkitehtuurin kehittymiseen, Mooren lakiin ja käsitelimme suorituskykyyn liittyvät tekjät. Toisessa osassa esitellään nykyaikaisen mikroprosessorin suunnittelun ja valmistuksen vaiheet hiekasta kaupan hyllyiltä löytyviksi tuotteiksi.

 

Mikroprosessorin suunnittelu ja valmistus

Mikroprosessori on äärimmäisen monimutkainen integroitu piiri, joka rakentuu nykypäivänä sadoista miljoonista tai jopa miljardeista transistoreista. Mikroprosessorin suunnittelussa on monia vaiheita, mutta tärkeimmät ovat logiikan ja piirikytkennän suunnittelu sekä asettelu. Jokainen suunnittelun ja valmistuksen vaihe on huolellisesti määritelty ja vahvistetaan korkean tason abstraktisuudella. Valtaosassa piirisuunnittelun testaamista ja simulointia käytetään apuna laitteiston kuvauskieltä (HDL, Hardware Description Language), joka on tekstimuotoinen ohjelmointikieltä muistuttava tapa kuvata integroitu piiri.

Mikroprosessorin suunnitteluvuo yksinkertaistettuna

Mikroprosessorin suunnittelussa ja kehityksessä ensimmäinen vaihe on määritellä markkinointitiedoista, mitkä toiminnallisuudet mikroprosessoriin tarvitaan ja käytetäänkö suunnittelun perustana jo olemassa olevaa arkkitehtuuria vai suunnitellaanko kokonaan uusi arkkitehtuuri. Uuden arkkitehtuurin suunnittelu puhtaalta pöydältä on ajallisesti huomattavasti pidempi prosessi, joten edellisistä arkkitehtuureista saatetaan käyttää tiettyjä hyväksi todettuja ominaisuuksia ja kehittää vain muutosta kaipaavia lohkoja. Mikroprosessorin täytyy mukailla väyläliitäntöjen, ajoituksien ja valmistuksessa käytettävän koteloinnin standardeja, joten niiden tärkeys ja prioriteetti on päätettävä ensin. Yleensä mikroprosessorin suunnittelussa on usein tehtävä kompromisseja ja jokaista vaatimusta ei voida täyttää, sillä niiden toteuttaminen veisi liian kauan aikaa.

Mikroprosessorin arkkitehtuuri on pääasiallisesti tapa, jolla integroitu piiri jaetaan toiminnallisiin lohkoihin ja kuinka lohkot ovat yhdistetty toisiinsa. Arkkitehtuuria määritellessä jokainen lohko optimoidaan siten, että halutut suorituskykytavoitteet täyttyvät. Lohkojen asettelun suhteen arkkitehtuuri ilmaisee muun muassa, kuinka iso lohko on, mihin se on järkevintä sijoittaa, mikä on lohkojen välinen looginen suhde ja mitkä ovat tärkeitä signaaleja.

Digitaaliset tai toiminnalliset simulaatiot suoritetaan osana suunnittelun käyttäytymismallin validointia, joka vahvistaa, että mikroprosessorin arkkitehtuuri on toteuttamiskelpoinen ja suoriutuu halutunmukaisesti. Skemaattisessa suunnittelussa eri lohkot jalostetaan kytkentäkaavioiksi, jotka esittävät transistoritason suunnittelua. Tässä suunnitteluvaiheessa on käsiteltävä käytännön ilmiöitä, kuten lämmöntuottoa, tehonkulutusta, resistanssia, kapasitanssia ja johtimia. Lisäksi suunnittelun toiminnallisuus ja piirin lopullinen koko vahvistetaan.
Asettelu on suunnittelun vaihe, jossa simuloitu kytkentäkaavio toimitetaan asettelusuunnittelijoille, jotka työstävät polygoneihin perustuvan esityksen piiristä. Lopuksi koko mikroprosessorin lohkojen asettelu tarkistetaan, ettei siinä ole esteitä valmistusteknisille vaatimuksille ja se vastaa lopullista kytkentäkaaviota. Suunnittelun lopputulos ovat mikroprosessorin eri kerroksien lasiset maskit, joiden avulla piikiekolle valotetaan piirikuviot.

Mikroprosessorin valmistukseen liittyy viisi päävaihetta, jotka ovat materiaalien valmistelu, piikiteen eli piitangon kasvatus, piikiekon valmistaminen ja piisirujen lajittelu, valmiiden piisirujen kotelointi ja pakkaus. Koko monimutkainen valmistusprosessi hiekasta mikroprosessoriksi sisältää yli 300 yksittäistä vaihetta.

Piisirun valmistuksen vaiheet yksinkertaistettuna

Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine hapen jälkeen ja sen osuus on noin 25 % maankuoren massasta. Piin tavallisin luonnossa esiintyvä yhdiste on piidioksidi, jota esiintyy hiekassa ja kvartsissa. Piikiekkojen raaka-aineena käytettävä polypii valmistetaan huolellisesti valikoidusta puhdistetusta hiekasta kolmessa vaiheessa.

Hiekan prosessointi piitankojen raaka-aineeksi polypiiksi

Puhdistetusta hiekasta erotetaan pii kuumentamalla sitä ja sekoittamalla siihen valokaariuunissa hiiltä. Useamman kemiallisen reaktion seurauksena valokaariuunista saatava pii on 98 % puhdasta metallurgista piitä eli raakapiitä (MGS, Metallurgic Grade Silicon). Metallurginen pii puhdistetaan liuottamalla epäpuhtauksia sisältävät piihiukkaset suolahappoon, joiden välisestä reaktiosta muodostuu piikloroformia eli trikloorisilaania (SiHCl3). Lopuksi huoneenlämmössä nestemäinen piikloroformi puhdistetaan tislausprosessissa elektroniikkalaatuiseksi polypiiksi (EGS, Electronic Grade Silicon).

Polypiikimpaleita

Puolijohteissa käytettävän polypiin on täytettävä elektroniikkalaatuisen piin kriteerit eli sen oltava 99,999999999 % puhdasta ja joukossa saa olla ainoastaan yksi vieras atomi miljardia piiatomia kohti. Puhdistetusta elektroniikkalaatuisesta piistä kasvatetaan kiinteä piikide eli piitanko, josta leikataan huolellisesti irti ohuita, alle millimetrin paksuisia piikiekkoja. Piikiteen valmistuksessa käytetään yleisesti kahta eri menetelmää, jotka ovat puolalaisen tiedemiehen Jan Czochralskin mukaan nimetty Czochralskin menetelmä tai float-zone-prosessi.

Czochralskin menetelmässä piikiteen valmistus aloitetaan kuumentamalla piikimpaleilla täytetty sulatusastia 1415 celsiusasteeseen, jossa kimpaleet sulavat nestemäiseksi. Piikidettä aletaan kasvattaa piisulasta kastamalla siihen siemenkide, jonka pinnalle sula pii alkaa vähitellen kiteytyä. Siemenkide on pieni kide, jonka yhdenmukainen kiderakenne on sama kuin piikiteessä tarvittava kiderakenne. Piikidettä pyöritetään tasaisesti ja samanaikaisesti vedetään pois piisulasta sitä mukaan, kun uutta kidettä syntyy. Syntyvän piitangon ominaisuuksiin vaikuttavat muun muassa kasvatusuunin lämpötilajakauma, sulan ja ympäröivän kaasun virtaukset, seosaineiden kulkeutuminen, ympäröivien materiaalien kuluminen sekä mahdolliset ulkoiset magneettikentät. Piikiteen tärkeimpiä ominaisuuksia ovat säännöllisen kiderakenteen lisäksi kiteen halkaisija, happiatomien ja muiden seosaineiden lukumäärä sekä jakauma kidehilassa.

Czochralskin menetelmällä valmistettu piikide

Kovan lasimaisen piikiteen valmistaminen kestää muutamia päiviä, valmis piitanko painaa noin 100 kilogrammaa ja on noin pari metriä korkea. Nykyään mikroprosessorit valmistetaan halkaisijaltaan 300 millimetrin eli 12 tuuman piikiekoille, mutta puolijohdeteollisuus on siirtymässä tulevaisuudessa halkaisijaltaan 450 mm piikiekkojen käyttöön. Puolijohdevalmistajille tämä tarkoittaa suuria investointeja, jotta tehtaiden laitteet ovat yhteensopivat uuden standardin kanssa, mutta vastineeksi yhdellä piikiekolla pystytään valmistamaan kerralla suurempi määrä piisiruja.

a) Valmis piikide leikataan piikiekoiksi b) piikiekko käsitellään peilipintaiseksi

Valmiista piikiteestä sahataan irti muutaman millimetrin paksuisia piikiekkoja. Irti sahatut piikiekot käsitellään hiomalla ensin mekaanisesti ja lopuksi kemiallisesti, jotta niihin saadaan virheetön ja tasainen peilipinta. Esimerkiksi Intel ostaa piikiekkoaihiot kolmansilta osapuolilta valmiina. Suomessa toimii piikiekkoja valmistava yritys Okmetic, joka toimittaa asiakaskohtaisesti räätälöityjä piikiekkoja anturi- ja puolijohdeteollisuudelle ja myy teknologiaosaamistaan eteenpäin.

a) Piikiekon piirien valotus maskilla b) transistorin altistuminen ultraviolettivalolle

Mikroprosessorien tuotantolaitoksessa valmistusprosessi aloitetaan kuumentamalla piikiekko erittäin korkeaan lämpötilaan sulatusuunissa, jossa pii reagoi hapen kanssa muodostaen oksidikerroksen piikiekon päälle. Ohut hapen ja piin yhdiste eli oksidikerros toimii sähköisenä eristeenä piikiekon päällä ja on yksi sähköpiirien avaintekijöistä. Tyhjiössä pyörivän piikiekon oksidikerroksen päälle kaadetaan erittäin ohut ja tasainen kerros valoherkkää ainetta, jota kutsutaan fotoresistiksi. Fotoresisti on herkkä ultraviolettivalolle, mutta kestää tiettyjä etsauskemikaaleja, joille se myöhemmässä vaiheessa altistetaan.

Lasiset maskit, joissa on läpinäkyviä ja läpikuultavia alueita, ovat mikroprosessorin suunnitteluvaiheen lopputulos ja määrittelevät jokaisen piirin kerroksen piirikuvion. Maski asetetaan koneellisesti piikiekon päälle, jonka jälkeen ultraviolettivaloa väläytetään läpinäkyvien kohtien läpi puolijohdealuistaan piisiru kerrallaan. Maskin ja piisirun välissä käytetään linssiä, joka pienentää maskin kuvaa. Yleensä maskin piirikuviot siirtyvät piikiekolle neljä kertaa pienempinä.

Transistoritasolla ne alueet fotoresististä, jotka eivät ole maskin kuvioiden alla ja altistuivat ultraviolettivalolle, pehmenevät liukenevaksi ja voidaan helposti poistaa liuottimella. Tätä prosessin vaihetta kutsutaan fotolitografiaksi. Kemiallinen etsaus fluorivetyhapolla poistaa transistorista oksidikerroksen niiltä osin, joista fotoresisti liuotettiin pois päältä. Jäljelle jäänyt fotoresisti suojaa etsauksen aikana sitä osaa oksidikerroksesta, joka muodostaa halutun piikuviokerroksen. Kun fotoresisti poistetaan oksidikerroksen päältä, jäljelle jää maskin mukainen kuvio oksidikerrosta.

Transistoriin lisätään useita kerroksia, kuten esimerkiksi hilaeriste, hila ja eristekerros, edellä selostetun fotolitografian ja etsauksen avulla. Jokaisessa kerroksessa on uniikki kuvio ja yhdistettynä kerrokset muodostavan piirin kolmiulotteisen rakenteen.

a) NMOS-transistorin rakenne b) PMOS-transistorin rakenne

Miljoonista transistoreista rakentuvia mikroprosessoreita kutsutaan Very-Large-Scale-Integration-termillä (VLSI). Mikroprosessorit perustuvat Complementary Metal Oxide Semiconductor -logiikkaan (CMOS), jossa yhdistetään p- ja n-kanavaisia Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect -transistoreita (MOSFET) samaan piirisuunnitteluun. Lopputuloksena on piiri, joka ei kuluta lepotilassa virtaa virtavuotoja lukuun ottamatta.

CMOS:n virrankulutus määräytyy kytkimien ajamien kapasitanssien suuruudesta ja samanaikaisesti tapahtuvien tilamuutosten lukumäärästä. Valmistusprosessissa transistorista tehdään joko n-kanavainen NMOS tai p-kanavainen PMOS. Transistori on symmetrinen, joten virta voi kulkea lähteestä nieluun tai nielusta lähteeseen. NMOS-transistori on johtavassa tilassa, kun hilajännite ylittää niin sanotun kynnysjännitteen, jonka jälkeen virta kulkee kanavassa ja pois päältä, kun hilajännite on alle kynnysjännitteen. PMOS-transistori toimii päinvastaisesti eli on pois päältä, kun hilajännite on yli kynnysjännitteen ja johtavassa tilassa, kun hilajännite on alhaisempi kuin kynnysjännite.

Fotoresistillä suojaamattomien piin kohtien altistaminen ionisäteelle, joka muodostaa lähteen ja nielun

N-kanavaisen transistorin valmistuksessa piikiekko altistetaan boori-ionisäteelle, jotka istuttavat itsensä fotoresistillä suojatun keskiosan molemmille puolille. Ne toimivat transistorin nieluna ja lähteenä ja niitä kutsutaan p-kaivoiksi. Boori-ioni on booriatomi, josta on poistettu elektroni ja näin ollen se on positiivisesti varautunut. Tämä varaus mahdollistaa ionien kiihdytyksen elektrostaattisesti ja antaa niille tarpeeksi energiaa, jotta ne voidaan istuttaa piikiekolle. Ionit ammutaan piikiekon pinnalle erittäin suurella nopeudella ja sähkökenttä kiihdyttää ne yli 300 000 km/h nopeuteen. Ionien istutuksella eli douppauksella piin sähkönjohtavuutta saadaan muutettua halutuilla alueilla. P-kanavaisen transistorin valmistuksessa piikiekko altistetaan fosfori-ionisäteelle, jolle altistettuja alueita eli nielua ja lähdettä kutsutaan n-kaivoiksi.

Kun n- ja p-tyyppiset alueet ovat paikoillaan, MOSFET-transistori tarvitsee vielä hilan. Aluksi piin päälle lähteen ja nielun väliin luodaan ohut eristekerros ja lopuksi sen päälle levitetään ohut kerros polypiitä tai muuta materiaalia toimimaan johtimena.

Douppauksen jälkeen transistori alkaa olla valmis ja eristekerrokseen etsataan kolme reikää, jotka täytetään kuparilla. Kuparin täyttöä varten piikiekot laitetaan kuparisulfaattijärjestelmään, jossa kupari-ioneita laskeutetaan transistorille elektropinnoitukseksi kutsuttavalla prosessilla. Kupari-ionit matkaavat positiiviselta anodilta negatiiviseen katodiin ja elektropinnoituksen seurauksena kupari-ionit muodostavat piikiekon päälle ohuen kuparikerroksen.

Lopuksi ylimääräinen kupari hiotaan eristekerroksen päältä pois. Kuparilla täytetyt reiät toimivat kontaktipintoina kuparijohtimille, jotka ovat yhteydessä muihin transistoreihin muodostaen piirisuunnittelun mukaisen kytkennän. Nykypäivän mikroprosessorit saattavat muodostua yli 20 kerroksesta piirikuvioita ja johtimia.

a) Valmiit piisirut erittelytestataan b) leikataan irti piikiekolta c) lajitellaan koteloitavaksi

Kun kaikki piirisuunnittelun miljoonat transistorit on yhdistetty toisiinsa kuparijohtimilla ja piisiru on valmis, se testataan ensimmäisen kerran piikiekon erittelytestissä. Tässä vaiheessa piikiekon jokaiseen piisiruun syötetään joukko testejä ja jos saadut parametrit ovat halutun mukaiset, piisiru jatkaa tuotantoon. Ne piisirut, jotka eivät anna piikiekon erittelytestissä toivotunlaista vastausta testeihin, eivät päädy mikroprosessoreihin, vaan hävitettäväksi.

Piikiekosta sahataan huolellisesti sahausviivoja pitkin irti kaikki piisirut ja testien perusteella valitut piisirut lajitellaan koteloitaviksi ja mikroprosessoreiksi valmistettaviksi.

Mikroprosessorin piisirun kotelointi ja suojaaminen

Koteloinnissa piisiru istutetaan orgaaniseen lasikuidulla vahvistettuun hartsialustaan, joka tarjoaa elektronisen ja mekaanisen liitännän mikroprosessorille (kuva 2.16.). Näiden liitäntöjen avulla se kommunikoi muiden tietokoneen komponenttien kanssa. Hartsia käytetään piisirun alustana sen sähköisesti eristävän ominaisuuden ja keraamiseen alustaan verrattuna edullisen hinnan takia. Alustassa on myös muutamia ohituskondensaattoreita, joiden tehtävänä on ehkäistä ulkoisia häiriöitä. Piisiru on suojattu nykypäivän mikroprosessoreissa kuparisella nikkelillä päällystetyllä lämmön levittäjällä. Sen tehtävänä on levittää piisirun tuottama lämpö laajemmalle alalle ja päälle asennettavaan jäähdytyselementtiin. Piisirun ja lämmön levittäjän välissä on lämpöä johtavaa materiaalia.

Koteloidut mikroprosessorit luokkatestataan ja pakataan myyntiä varten

Valmiit mikroprosessorit testataan vielä uudelleen, että ne toimivat myös koteloinnin jälkeen ja käyvät läpi luokkatestauksen, jossa niiden ominaisuudet, kuten tehonkulutus ja maksimikellotaajuus määritellään eri ilmankosteus- ja lämpötila-arvoilla. Näiden testien tulosten perusteella samanlaisilla ominaisuuksilla varustetut prosessorit lajitellaan ja merkitään tietyllä mallinimellä. Valmistusprosessi päättyy mikroprosessoreiden toimitukseen asiakkaille. OEM-valmistajille toimitettavat mikroprosessorit lähetetään eteenpäin sellaisinaan ja kuluttajille myyntiin menevät pakataan erilliseen myyntipakkaukseen.

 

Artikkeli perustuu osiin diplomityöstä: Mikroprosessorin ylikellottaminen. TTY Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta, 2010, 67 s