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Herstellung unserer Speichermodule

Haben Sie sich je gefragt, wie Arbeitsspeicher hergestellt wird? Hier können Sie einen Blick hinter die Kulissen werfen und die strengen Prozesse kennenlernen, die bei der Herstellung von Arbeitsspeicher und der Sicherstellung höchster Qualität zum Einsatz kommen.

Teil 1: Vom Silizium zum fertigen Wafer

Speicherchips sind integrierte Schaltkreise mit verschiedenen Transistoren, Widerständen und Kondensatoren, die auf jedem Chip zusammengesetzt werden müssen. Ausgangspunkt für diese integrierten Schaltkreise ist Silizium, das in der Regel aus Sand gewonnen wird. Die Umwandlung von Silizium in Speicherchips ist ein anspruchsvoller, akribischer Prozess, an dem Techniker, Metallurgen, Chemiker und Physiker mitarbeiten.

Arbeitsspeicher wird in großen Anlagen produziert, die als Fab bezeichnet werden und über zahlreiche Reinräume verfügen. Halbleiter-Speicherchips werden in Reinräumen hergestellt, weil die Schaltkreise so klein sind, dass selbst kleinste Staubpartikel sie beschädigen können. Die Hauptanlage von Micron in Boise erstreckt sich über fast 1,8 Millionen m² und verfügt über Klasse-1- und Klasse-10-Reinräume. In einem Reinraum Klasse 1 gibt es nur einen Staubpartikel pro ft³ Luft. Zum Vergleich: In einem sauberen, modernen Krankenhaus befinden sich ungefähr 10.000 Staubpartikel in einem ft³ Luft. Die Luft in einem Reinraum wird ständig gefiltert und umgewälzt. Die Mitglieder des Produktionsteams tragen spezielle Mützen, Kittel und Masken, damit die Luft frei von Partikeln bleibt.

Schritt 1: Silizium-Ingots

Der erste Schritt vom Silizium zum integrierten Schaltkreis ist die Herstellung eines reinen, monokristallinen Zylinders, oder Ingots, der aus Silizium besteht und 15 bis 20 cm im Durchmesser misst. Nach der Formung werden Silizium-Ingots in dünne, hochpolierte Wafer mit einem Durchmesser von 15 oder 30 cm und einer Dicke von weniger als 0,635 mm geschnitten. Die Schaltkreiselemente auf dem Chip (Transistoren, Widerstände und Kondensatoren) werden dann in Ebenen auf dem Silizium-Wafer angebracht. Schaltkreise werden entwickelt, in Simulationen getestet und auf Computersystemen perfektioniert, bevor sie tatsächlich hergestellt werden. Wenn die Entwicklung abgeschlossen ist, werden Glasfotomasken hergestellt, eine Maske für jede Ebene des Schaltkreises. Fotomasken sind undurchsichtige Platten mit Löchern oder Transparenzen, die das Licht in einem festgelegten Muster durchlassen. Diese Masken sind wesentlich für den nächsten Schritt im Herstellungsprozess: die Fotolithografie.

Schritt 2: Fotolithografie

In einer sterilen Reinraumumgebung werden die Wafer einem aus mehreren Schritten bestehenden Fotolithografieprozess ausgesetzt, der für jede für den Schaltkreis erforderliche Maske wiederholt wird. Masken werden verwendet, um (a) verschiedene Teile eines Transistors, Kondensators oder Widerstands zu definieren, die den integrierten Schaltkreis bilden, und um (b) das Schaltungsmuster für jede Ebene zu definieren, auf der das Bauelement gefertigt wird.

Am Beginn des Produktionsprozesses werden die puren Silizium-Wafer mit einer dünnen Glasschicht überzogen, gefolgt von einer Nitridschicht. Die Glasschicht wird geformt, indem der Silizium-Wafer Sauerstoff bei einer Temperatur von 900 Grad Celsius für mindestens 1 Stunde ausgesetzt wird (abhängig von der gewünschten Dicke der Schicht). Glas (Siliziumdioxid) bildet sich, wenn das Siliziummaterial im Wafer Sauerstoff ausgesetzt wird. Bei hohen Temperaturen vollzieht sich diese chemische Reaktion (Oxidation) sehr schnell.

Schritt 3: Fotolack

Im nächsten Schritt wird der Wafer gleichmäßig mit einer dicken, lichtempfindlichen Flüssigkeit bedeckt, die als Fotolack bezeichnet wird. Teile des Wafers werden für die Belichtung ausgewählt, indem eine Maske sorgfältig zwischen einer ultravioletten Lichtquelle und dem Wafer ausgerichtet wird. An den transparenten Bereichen kann das Licht die Maske passieren und den Fotolack belichten.

Bei der Belichtung mit ultraviolettem Licht kommt es beim Fotolack zu einer chemischen Veränderung, auf Basis derer eine Entwicklerlösung den belichteten Fotolack entfernen kann. Der nicht belichtete Abschnitt verbleibt auf dem Wafer. Für jede vom Schaltkreis benötigte Maske wird der Fotolithographie/Fotolack-Prozess wiederholt.

Schritt 4: Ätzen

Beim Ätzschritt werden Nasssäure oder Plasma-Trockengas auf den Wafer aufgebracht, um den Abschnitt der Nitridschicht zu entfernen, der nicht von dem gehärteten Fotolack geschützt wird. Zurück bleibt ein Nitridmuster auf dem Wafer, das genau dem Design der Maske entspricht. Nachdem der gehärtete Fotolack mit anderen Chemikalien entfernt (Säuberung) wurde, können dann Hunderte von Speicherchips auf den Wafer geätzt werden.

 

Teil II: Schichtung des Wafers und Vervollständigen des Schaltkreises

In Teil I des Fertigungsprozesses wurden alle Schaltkreiselemente (Transistoren, Widerstände und Kondensatoren) während der einleitenden Maskenoperationen konstruiert. Im nächsten Schritt werden diese Elemente durch eine Reihe von Schichten miteinander verbunden.

Schritt 5: Aluminiumschichten

Zu Beginn der Verbindung der Schaltkreiselemente wird eine Isolationsschicht aus Glas (genannt BPSG) auf dem Wafer aufgebracht, und eine Kontaktmaske wird verwendet, um die Kontaktpunkte (oder Fenster) von allen Schaltkreiselementen zu definieren. Nachdem die Kontaktfenster geätzt wurden, wird der gesamte Wafer in einer Transferkammer mit einer dünnen Schicht Aluminium überzogen. Wenn eine Metallmaske auf die Aluminiumschicht aufgebracht wird, bildet sich ein Netz von dünnen Metallverbindungen, die Leiterbahnen.

Schritt 6: Passivierungsschicht

Der Wafer wird mit einer Isolierschicht aus Glas und Siliziumnitrid abgedeckt, die ihn während des Zusammenbaus vor Verunreinigungen schützt. Diese Schutzabdeckung wird auch als Passivierungsschicht bezeichnet. Abschließend wird eine endgültige Maske erstellt und es erfolgt ein Ätzvorgang, wodurch das Passivierungsmaterial von den Klemmen abgetragen wird, die auch Bond-Pads genannt werden. Die gereinigten Bond-Pads dienen der elektrischen Verbindung zwischen den Metallklemmen auf dem Plastik- oder Keramikgehäuse. Der integrierte Schaltkreis ist damit vollständig.

Bevor der Wafer zur Montage weitergeleitet wird, wird jeder integrierte Schaltkreis auf dem Wafer geprüft. Funktionsfähige und nicht funktionsfähige Chips werden erfasst und in eine Computerdatendatei eingetragen. Der Wafer wird dann mit einer Diamantsäge in einzelne Chips geteilt. Nicht funktionsfähige Chips werden entsorgt; die verbleibenden Chips können jetzt eingebaut werden. Diese einzelnen Chips werden auch als Die bezeichnet.

Vor der Verkapselung werden die Dies auf einen Anschlussrahmen (Lead-Frame) aufgesetzt, auf dem dünne Golddrähte die Bond-Pads auf dem Chip mit dem Rahmen verbinden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen Die und Lead-Fingern hergestellt wird.

 

Teil III: Vorbereitung und Prüfung der Dies

In Teil II des Herstellungsprozesses wurde der integrierte Schaltkreis hergestellt und der fertige Wafer wurde in Dies geschnitten. In den folgenden Schritten wird der Die für die fertigen Module vorbereitet.

Schritt 7: Kapselung

Bei der Kapselung werden die Lead-Frames auf Formplatten gesetzt und erhitzt. Das geschmolzene Kunststoffmaterial wird um jeden Die gepresst, sodass ein einzelnes Gehäuse entsteht. Die Form wird geöffnet, und die Lead-Frames werden herausgedrückt und gereinigt.

Schritt 8: Galvanisieren

Im daran anschließenden Prozess, dem Galvanisieren, werden die eingekapselten Lead-Frames „geladen“, während sie in eine Lösung aus Zinn und Blei eingelassen sind. Hier werden die Zinn- und Bleiionen vom elektrisch geladenen Lead-Frame angezogen. Es bildet sich eine einheitliche Ablagerungsschicht, welche das Leitvermögen zum Die erhöht und für eine saubere Oberfläche sorgt, sodass der Die befestigt werden kann.

Schritt 9: Kürzen und Formen

Beim Kürzen und Formen werden Lead-Frames auf spezielle Maschinen geladen, mit denen die Leads geformt und anschließend die Chips von den Rahmen abgetrennt werden. Die einzelnen Chips werden dann für die Bearbeitung und den Transport zum Testbereich für den abschließenden Test in antistatische Röhrchen gegeben.

Schritt 10: Burn-in-Tests

Beim Burn-in-Test wird jeder Chip auf seine Leistung unter erhöhten Belastungen geprüft. Der Burn-in-Test ist eine wesentliche Voraussetzung für die Zuverlässigkeit eines Moduls. Durch die Prüfung von Modulen unter erhöhter Belastung können wir in jeder Charge einige Module aussortieren, welche nach kurzer Gebrauchsdauer ausfallen. Für den Burn-in-Test verwenden wir branchenführende AMBYX-Öfen, welche von unseren Ingenieuren speziell zu diesem Zweck entwickelt wurden. Sobald die Speicherchips den Burn-in-Test bestanden haben, werden sie inspiziert und versiegelt und können anschließend zusammengebaut werden.

Schritt 11: Montage und Herstellung von Leiterplatinen

Wenn die Speicherchips fertig sind, müssen sie noch mit der Systemplatine des Computers verbunden werden. Dies geschieht mithilfe von Leiterplatinen. Hierzu werden die Chips auf die Leiterplatinen aufgesetzt. Das Endprodukt ist dann ein fertiges Speichermodul.

Leiterplatinen werden auf Arrays oder Platten montiert, welche aus mehreren identischen Karten bestehen. Nach dem Zusammenbau wird das Array in einzelne Module unterteilt, vergleichbar mit einer Schokoladentafel, welche sich in kleinere Stücke zerteilen lässt. Durch die Änderung der Gesamtanzahl der Leiterplatinen je nach Array-Größe erzielt Micron eine maximale Modulanzahl aus einer vorgegebenen Menge an Rohstoffen.

 

Teil IV: Modulzusammenbau

In Teil III des Herstellungsprozesses wurden Die und Leiterplatine auf den Zusammenbau des fertigen Moduls vorbereitet. In den letzten Schritten geht es um den Vorgang des Modulzusammenbaus.

Schritt 12: Siebdruck

Nachdem Modul und Leiterplatine fertiggestellt wurden, beginnt der Zusammenbau des Speichermoduls. Dieser Prozess umfasst einen komplizierten Lötvorgang, durch den die Speicherchips auf die Leiterplatine aufgetragen werden. Dieser beginnt mit einem Siebdruck.

Beim Siebdruck wird mithilfe einer Maske Lötpaste auf die fertige Leiterplatte aufgetragen. Bei der Lötpaste handelt es sich um eine klebrige Substanz, die dafür sorgt, dass die Chips auf der Leiterplatte nicht verrutschen. Durch die Maske wird sichergestellt, dass die Lötpaste nur an den Stellen aufgetragen wird, an denen die Komponenten (Chips) befestigt werden. Die Punkte zum Auftragen sind durch spezielle Markierungen, sogenannte Passermasken, auf der Leiterplatte leicht zu finden.

Nachdem die Lötpaste aufgetragen wurde, können automatische Bestückungsmaschinen die Passermasken auf die Punkte absuchen, an denen die Chips auf der Leiterplatte montiert werden sollen. Die Bestückungsmaschinen sind so programmiert, dass sie bei der Aufnahme eines Chips von einem Speiser den Chip genau an der richtigen Stelle orten können. Die Auftragung des Chips erfolgt für alle übrigen Chips und Komponenten auf dem Modul. Von allen Schritten der Arbeitsspeicherfertigung ist dieser der schnellste: Die Chips sind innerhalb weniger Sekunden auf der fertigen Leiterplatte befestigt.

Schritt 13: Löten und Befestigen

Im folgenden Schritt werden die zusammengebauten Chips und Karten durch einen Ofen geleitet. Durch die Hitze verflüssigt sich die Lötpaste. Beim Abkühlen wird sie wieder fest und sorgt für eine dauerhafte Verbindung zwischen Speicherchips und Leiterplatine. Die Oberflächenspannung der geschmolzenen Lötsubstanz verhindert eine fehlerhafte Zuordnung der Chips bei diesem Vorgang.

Sobald die Chips befestigt sind, wird das Array in einzelne Module geteilt. Alle Module werden einer Sichtprüfung durch das Micron-Team unterzogen. Viele Module werden weiteren Prüfungen unter Zuhilfenahme automatisierter Röntgengeräte unterzogen, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen ordnungsgemäß verlötet wurden. Alle Arbeitsspeichermodule von Micron werden nach den Abnahmekriterien des weltweit anerkannten Branchenstandards IPC-A-610 gefertigt.

Schritt 14: Qualitätsprüfung nach der Endmontage

Jetzt werden die Module von Micron geprüft und gekennzeichnet. Wir verwenden spezielles Gerät zur automatischen Überprüfung der Leistung und Funktion. Dadurch wird verhindert, dass Bediener versehentlich ein durchgefallenes Modul als ein funktionsfähiges einordnen. Bestimmte Module sind mit einer Erkennungsmarke programmiert, welche vom PC erkannt wird.

Schritt 15: Versand

Vor dem Versand an Computerhersteller und Verbraucher wird ein statistisch signifikanter Anteil unserer fertigen Module nach dem Zufallsprinzip einer abschließenden Qualitätskontrolle zugeführt. Sobald unsere Module für die Verwendung zugelassen wurden, werden sie in vor elektrostatischer Entladung sicheren Kunststoffbehältern und -tüten verpackt und auf den Versand vorbereitet. Nach einem umfangreichen Herstellungsprozess kann der Arbeitsspeicher schließlich verwendet werden. Er wurde vor der Freigabe auf Herz und Nieren geprüft!

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