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nand flash颗粒种类「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

[收藏] Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

原创： Hardy 架构师技术联盟 5天前

Wafer即晶圆，是半导体组件“晶片”或“芯片”的基材，从沙子里面高温拉伸生长出来的高纯度硅晶体柱(Crystal Ingot)上切下来的圆形薄片称为“晶圆”。采用精密“光罩”通过感光制程得到所需的“光阻”，再对硅材进行精密的蚀刻凹槽，继续以金属真空蒸着制程，于是在各自独立的“晶粒”(Die)上完成其各种微型组件及微细线路。对晶圆背面则还需另行蒸着上黄金层，以做为晶粒固着(Die Attach) 于脚架上的用途。

以上流程称为Wafer Fabrication。早期在小集成电路时代，每一个6吋的晶圆上制作数以千计的晶粒，现在次微米线宽的大型VLSI，每一个8吋的晶圆上也只能完成一两百个大型芯片。我们NAND Flash的Wafer，目前主要采用8寸和12寸晶圆，一片晶圆上也只能做出一两百颗NAND Flash芯片来。

NAND Flash Wafer

Wafer的制造虽动辄投资数百亿，但却是所有电子工业的基础。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.99%以上。晶圆制造厂再将此多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，封装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

下图是NAND Flash生产简要流程:

Die 就是芯片未封装前的晶粒,是从硅晶圆(Wafer)上用激光切割而成的小片(Die)。每一个Die就是一个独立的功能芯片，它无数个晶体管电路组成，但最终将被作为一个单位而被封装起来成为我们常见的闪存颗粒，CPU等常见芯片。

什么是ink Die

在晶圆制造过程中，会对Wafer中的每个Die进行严格测试，通过测试的Die，就是Good Die，未通过测试的即为Ink Die。这个测试过程完成后，会出一张Mapping图，在Mapping里面会用颜色标记出不良的Die，故称Ink Die。

Flash芯片封装分类

目前NAND Flash封装方式多采取TSOP、FBGA与LGA等方式，由于受到终端电子产品转向轻薄短小的趋势影响，因而缩小体积与低成本的封装方式成为NAND Flash封装发展的主流趋势。

TSOP: (Thin smaller outline package )封装技术，为目前最广泛使用于NAND Flash的封装技术，首先先在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB板的表面。TSOP封装时，寄生参数减小，因而适合高频的相关应用，操作方便，可靠性与成品率高，同时具有价格便宜等优点，因此于目前得到了极为广泛的应用。

BGA: (Ball Grid Array也称为锡球数组封装或锡脚封装体 )封装方式，主要应用于计算机的内存、主机板芯片组等大规模集成电路的封装领域，FBGA 封装技术的特点在于虽然导线数增多，但导线间距并不小，因而提升了组装良率，虽然功率增加，但FBGA能够大幅改善电热性能，使重量减少，信号传输顺利，提升了可靠性。

采用FBGA新技术封装的内存，可以使所有计算机中的内存在体积不变的情况下容量提升数倍，与TSOP相比，具有更小的体积与更好的散热性能，FBGA封装技术使每平方英寸的储存量有很大的提升，体积却只有TSOP封装的三分之一，与传统TSOP封装模式相比，FBGA封装方式有加快传输速度并提供有效的散热途径，FBGA封装除了具备极佳的电气性能与散热效果外，也提供内存极佳的稳定性与更多未来应用的扩充性。

LGA: (Land Grid Array ) 触点陈列封装，亦即在底面制作有数组状态坦电极触点的封装，装配时插入插座即可，现有227 触点(1.27mm中心距)和447 触点(2.54mm 中心距)的陶瓷LGA，应用于高速逻辑 LSI 电路，由于引线的阻电抗小，对高速LSI 相当适用的，但由于插座制作复杂，成本较高，普及率较低，但未来需求可望逐渐增加。

Flash芯片封装叠Die(Stack Die)

由于NAND Flash单颗Die的容量有限，为了实现更高的容量，需要在一个封装片内堆叠几个Die。在Wire Bond的时候，用金线互连。

目前单颗Die的容量最高的为Micron公司的MLC 4GB，目前最先进的堆叠技术可以叠8层，因此理论上MLC单颗封装片可以做到32GB。Micron公司计划在09年Q4推出此容量的封装片。

Flash芯片TSOP封装和BGA封装的内部结构

TSOP封装只需要一个引脚框架，把NAND FLASH Die的Pad打线(Wire Bond)连接到引进框架上面即可。封装技术简单，成本低。但其打线方式只能从两边打线，因此stack die就比较困难。

BGA封装与TSOP封装不同在于其采用了Substrate，用电路板来对引脚走线，因此可以进行四面打线，这样在进行叠die的时候，就变得更加容易操作。但成本会比TSOP要高。

Flash芯片封装的尺寸，一些封装方式尺寸比较:

NAND Flash出货有两种产品样式:

一种是Wafer，即晶圆出货，这种产品样式一般客户采购回去需要再测试和COB封装等，这种客户多为闪存卡大客户。

一种是封装片出货，NAND Flash目前最普遍采用的是48TSOP1的封装方式，现货市场均为TSOP的封装片。

NAND Flash按工艺可分为SLC与MLC

SLC英文全称(Single Level Cell)即单层式单元储存。SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1个信息单元，这种技术能提供快速的程序编程与读取，不过此技术受限于Silicon efficiency的问题，必须要用较先进的流程强化技术，才能向上提升SLC制程技术。

MLC英文全称(Multi Level Cell)即多层式单元储存。Intel在1997年9月最先开发成功MLC，其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate(闪存存储单元中存放电荷的部分)，然后利用不同电位(Level)的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级，每一个单元储存两位数据，数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值，而MLC架构可以一次储存4个以上的值。因此，MLC架构可以有比较高的储存密度。

TLC英文全称(Triple Level Cell)即一个单元可以存储单元可以存储3bit，因此需要8个等级的电位进行编码解码才能实现。其实TLC是属于MLC的一种。

SLC和MLC的基本特性表

Flash坏块的形成

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。

隧道注入和隧道释放的产生都需要十几伏的瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。达到读写寿命极限的时候存储单元就会出现失效，然后就会造成数据块擦除失效，以及写入失效，于是就会被标记起来，作为坏块，并将这个标记信息存放在Spare Area里面，后续操作这个Block时，需要Check一下这个信息。

Flash固有坏块

由于制造工艺的原因，通常普通的NAND FLASH从出厂开始就有坏块了，一般在2‰以下。一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个byte标记为不等于0xff的值。

NAND Flash的存储单元是有使用寿命的

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。隧道注入和隧道释放的产生都需要20V左右瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。

三星估算的SSD硬盘的寿命

如果每天对SSD写入4.8GB的数据，假设SSD总容量为16GB，那么，你至少需要3.34天才能对整个SSD的每个单元擦写一次；如果此SSD为擦写次数为100K的SLC单元，那么，你至少需要3.34×100K天才能使这个SSD完全失效；3.34×100K天＝913年，因此16G的SSD可以使用913年 。那么，如果是MLC的话，也至少可以使用91.3年。

晶圆制程工艺发展历史

芯片制程工艺是指晶圆内部晶体管之间的连线间距。按技术述语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。

主流厂商的晶圆制程工艺以及下一代制程工艺的情况，如下表。

芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、75纳米、65纳米一直发展到目前最新的34纳米。

一步步印证了摩尔定律的神奇。以90纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为90纳米。我们知道，1微米相当于1/60头发丝大小，经过计算我们可以算出，0.045微米(45纳米)相当于1/1333头发丝大小。可别小看这1/1333头发丝大小，这微小的连线宽度决定了芯片的实际性能，芯片生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。采用34纳米制造工艺之后，与65纳米工艺相比，绝对不是简单地令连线宽度减少了31纳米，而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃。

目前最先实现34nm工艺的是Intel和Micron联合投资的IM，此技术被最先应用在了NAND FLASH上面，可见NAND FLASH的制程工艺跳跃是所有IC中最快的。

晶圆技术的发展都是受生产力驱动，必须向更小的制程间距和更大的晶圆尺寸发展。制程从2.0um、0.5um、0.18um、90nm一直到目前的34nm，晶圆尺寸从最初的5英寸发展到目前的12英寸，每次更迭都是一次巨大的技术跳跃，凝聚了人类科技的结晶，也一次次印证了摩尔定律的神奇。

晶圆尺寸的大约每9年切换一次。而晶圆制程由最初的几年更迭一次，到目前的基本上每年都能更迭一次。

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Nand Flash主要厂商及其产品

根据2020年二季度Nand Flash市场排名，三星占据31%，处于领先地位，紧跟其后的是铠侠，占比达17%。排名第三、第四、第五、分别是西数、美光、SK海力士。以下是DRAMeXchange统计数据：

电子发烧友对目前市场主要的Nand Flash厂商及其产品进行梳理，以下是具体内容：

三星

1、三星SSD 980 PRO

三星电子推出首款消费类PCIe 4.0 NVMe SSD：三星SSD 980 PRO， 980 PRO采用三星1XX层 TLC NAND闪存，以及容量分别为512MB和1GB的DRAM缓存，通过内部设计，可充分发挥PCIe Gen4的潜力。数据显示，三星SSD 980 PRO顺序读取速度最高可达7000MB/s，顺序写入速度最高可达5000MB/s。

2、870 QVO SATA SSD

三星推出了其第二代QLC闪存驱动器870 QVO SATA SSD， 870 QVO分别提供同类最佳的顺序读取和写入速度，分别高达560 MB/s和530 MB/s，借助该驱动器的Intelligent TurboWrite技术，它可以使用大型可变SLC缓冲器保持最高性能

3、eUFS 3.1

三星电子宣布已经开始批量生产用于智能手机的512GB eUFS 3.1，其写入速度为512GB eUFS 3.0的三倍，打破了智能手机存储中1GB/s的阈值。

三星eUFS 3.1连续写入速度超过1,200MB/s，是基于SATA SSD (540MB/s)的两倍以上，是UHS-I microSD卡（90MB/s）的十倍以上。

KIOXIA

1、第六代企业SAS SSD

随着其第六代企业SAS SSD系列的推出，专为现代IT基础设施设计的24G SAS将其上一代的数据吞吐率提高了一倍，同时搭载了新功能和增强功能，以达到新的应用性能水平。

PM6系列采用铠侠的96层BiCS FLASH 3D TLC闪存，可提供业界领先的高达4,300MB/s（4,101MiB/s）的SAS SSD顺序读取性能，比上一代提高了2倍以上。铠侠的新驱动器容量高达30.72TB，使其成为业界容量最高的2.5英寸SAS SSD。

2、BiCS FLASH

铠侠开发具有112层垂直堆叠结构的第五代BiCS FLASH™三维(3D)闪存。新产品具有512 Gb（64千兆字节）容量并采用TLC技术。

铠侠创新的112层堆叠工艺技术与先进的电路和制造工艺技术相结合，与96层堆叠工艺相比，将存储单元阵列密度提高约20%。因此，每片硅晶圆可以制造的存储容量更高，从而也降低了每位的成本（Bit-cost）。此外，它将接口速度提高50%，并提供更高的写性能和更短的读取延迟。

西部数据

1、SN550 NVMe SSD

Western Digital设计的控件和固件搭配最新的 3D NAND，可始终如一地提供优化的性能。

2、iNAND MC EU521

西部数据宣布率先基于UFS 3.1规范协议推出iNAND MC EU521嵌入式闪存产品，新增多项功能，并进一步提高速度、容量、降低功耗，再加上11.5x13x1.0mm小型封装尺寸。西部数据表示，iNAND MC EU521将在3月份上市，采用主流的96层3D NAND，并充分利用UFS 3.1高带宽以及SLC NAND缓存，可提供最高800MB/s的顺序写入速度。

美光

美光的下一代 M500 固态硬盘采用 Micron 20 nm MLC NAND 闪存、SATA 6 Gb/s 接口，具有行业标准 512 字节分区支持功能、热插拔功能以及功耗极低的器件休眠模式，并满足 ATA-8 ACS2 指令集规范要求。

SK海力士

Intel 突然宣布以 90 亿美元（约 601 亿）的价格将旗下的 NAND 闪存业务出售给了 SK 海力士，后者有可能成长为新的全球第二大闪存公司，SK海力士推出Gold P31系列SSD新品，是全球首个基于128层NAND闪存的消费者SSD。Gold P31采用的是128层TLC，PCIe NVMe Gen3接口，读取速度最高达3500MB/s，写入速度最高达3200MB/s，以满足长时间游戏的游戏玩家以及对性能和稳定性有较高要求的专业创作者和设计师。

英特尔

Intel基于144层3D QLC闪存Arbordale Plus，容量将比Intel目前的96层产品提升50%。

长江存储

128层QLC 3D NAND闪存芯片X2-6070研发成功，并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。

长江存储表示，X2-6070是业内首款128层QLC规格的3D NAND闪存，拥有业内已知型号产品中最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND闪存芯片容量。

每颗X2-6070 QLC闪存芯片共提供1.33Tb的存储容量。而在I/O读写性能方面，X2-6070及X2-9060均可在1.2V Vccq电压下实现1.6Gbps（Gigabits/s千兆位/秒）的数据传输速率。

旺宏

Macronix在2020年下半年生产48层3D NAND存储器。公司计划在2021年和2022年分别推出96层3D NAND和192层3D NAND。目前，该公司用于制造NAND的最先进技术是自2019年2月开始使用的19纳米平面技术，这款NAND Flash的第一个客户将是任天堂。

华邦

1、QspiNAND Flash

华邦提供了一系列相容于SPI NOR接口的QspiNAND产品，华邦的QspiNAND系列产品内建了ECC的功能，而且也能提供了连续好”块”的QspiNAND，这些都能让使用者并不需要额外的控制器。

2、OctalNAND Flash

全球首款采用x8 Octal接口的NAND Flash—华邦OctalNAND Flash产品可望提供车用电子与工业制造商高容量的储存内存产品，华邦电子首款采用全新接口的NAND产品，1Gb W35N01JW，连续读取速度最高可达每秒240MB， W35N-JW OctalNAND Flash采用华邦通过验证的46nm SLC NAND制程，提供卓越的数据完整性，且数据保存期更可达10年以上。此产品写入／抹除次数(Program/Erase Cycle)可达10万次以上，可符合关键任务型车用与工业应用所需的高耐用性与高可靠性。

兆易创新

GD5F4GM5系列采用串行SPI接口，引脚少、封装尺寸小，相比于上一代NAND产品，大大提升了读写速度，最高时钟频率达到120MHz，数据吞吐量可达480Mbit/s，支持1.8V/3.3V供电电压，能够满足客户对不同供电电压的需求；同时提供WSON8、TFBGA24等多种封装选择。

北京紫光存储

北京紫光存储Raw NAND颗粒是符合业界标准的闪存产品，适用于各类固态存储解决方案。Raw NAND颗粒需要搭配闪存控制器使用。全系采用业界领先的3D TLC闪存芯片。支持ONFI 4.0，最高读写支持667MT/s。采用业界领先的3D TLC闪存芯片，相比2D闪存芯片单位面积下容量大幅提升。

北京君正

公司Flash产品线包括了目前全球主流的NOR FLASH存储芯片和NAND FLASH存储芯片，其中NAND FLASH存储芯片主攻1G-4G大容量规格。

ISSI 系一家原纳斯达克上市公司，于 2015年末被北京矽成以7.8亿美元私有化收购，之后北京君完成对北京矽成100%股权收购。ISSI Introduces SLC NAND高性能4Gb SLC NAND主要用于嵌入式市场，能够满足工业、医疗，主干通讯和车规等级产品的要求，具备在极端环境下稳定工作、节能降耗等特点。

东芯

东芯串行NAND Flash产品为单颗粒芯片设计的串行通信方案，引脚少和封装尺寸小，且在同一颗粒上集成了存储阵列和控制器，带有内部ECC模块。使其在满足数据传输效率的同时，既节约了空间，提升了稳定性，也让其在成本上也极具竞争力，且提升了性价比。产品分为3.3V/1.8V两种电压，不仅能满足常规对功耗不敏感的有源器件，也使其在目前日益普及的移动互联网及物联网设备中，有足够的发挥空间。产品拥有多种封装，可更灵活的满足很多应用场景，比如常规的光猫，路由器，网络摄像监控，物联网及智能音箱等。

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