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flash和nand颗粒「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

发布时间 : 2024-11-28

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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小Z聊固态：NAND闪存颗粒的打开方式

关注固态硬盘产品的各位朋友应该发现了，近来几乎各大品牌的固态硬盘产品都涨价了！虽然涨幅不算太大，但是在价格十分敏感的电子消费产业，还是十分耐人寻味的，特别是一些经典热销产品的涨价就更是让人看不懂了。

下图是笔者统计过的，从6月15日起到6月30日止，京东商城上热销的部分品牌的销量最高产品的价格变化图。通过图表可以看到，除了金士顿和浦科特旗下的两款固态硬盘在统计中没有大的变化外，其余各大品牌，诸如三星、东芝、闪迪、ocz等都有着不同幅度的涨价。

在前面几期的“小Z聊固态”中，我们知道固态硬盘最大的制造成本其实在于闪存颗粒，闪存颗粒的价格变化直接影响到固态硬盘产品的价格变化。看到这里，我想部分朋友已经可以猜到为什么此次固态硬盘产品集体涨价了。

没错，原因就和上次机械硬盘因为泰国洪水淹没大部分机械硬件加工商导致全行业涨价一样，此次三星位于西安的全球最大的NAND闪存制造厂的停电事故，影响了NAND的正常生产，再加上处于闪存颗粒生产的旺季，市场上的NAND闪存供不应求，因而出现了大范围的固态硬盘价格上扬。

那么又有人问了，“一个三星NAND闪存厂竟能影响到全行业？难道没有其他闪存厂能够替代它吗？”

今天，小Z就借着这个话题和大家一起聊聊闪存颗粒和闪存厂的那些事。

在固态硬盘领域，掌握了闪存颗粒几乎可以说就掌控了固态市场。目前，全球范围内从事NAND flash的厂商大大小小不计其数，但具有统治地位的就只有区区六家，他们分别是三星（Samsung）、东芝（Toshiba）、英特尔（intel）、海力士（SK hynix）、美光（Micron）、闪迪（SanDisk），这六家从事NAND FLASH制造的厂商几乎垄断了全球大部分的市场份额，接下来我们就一一介绍。

半导体霸主：英特尔（intel）

英特尔公司（IntelCorporation）总部位于美国加州，工程技术部和销售部以及6个芯片制造工厂位于美国俄勒冈州波特兰。

英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯RobertNoyce和戈登·摩尔GordonMoore原本希望他们新公司的名称为两人名字的组合——MooreNoyce，但当他们去工商局登记时，却发现这个名字已经被一家连锁酒店抢先注册。不得已，他们采取了“IntegratedElectronics（集成电子）”两个单词的缩写为公司名称。现任CEO是BrianKrzanich。

英特尔公司在随着个人电脑普及，英特尔公司成为世界上最大设计和生产半导体的科技巨擘。除了为全球日益发展的计算机工业提供建筑模块，包括微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等，公司在半导体顶层技术的研发中始终处于世界领先地位，拥有多项半导体生产专利技术，长期位列全球半导体厂商排行榜的首位。

intel早期闪存颗粒的编号信息

在固态硬盘领域，早期的英特尔自产自研的闪存颗粒，多用于自家高端产品，或是合作紧密的友商产品中，几乎很少输出。

到了中期，英特尔和美国著名的半导体厂商美光进行了深度合作，共建晶圆制造厂，并将晶圆厂中品质和纯度较高的闪存颗粒用于自家的产品，如intel 710系列就是采用的eMLC企业级颗粒，而将品质低的颗粒用于低端产品和输出到第三方，例如intel 320系列以及部分威刚、OCZ产品，在此就不一一论述了。

intel 540s采用海力士16nm闪存颗粒

到了后期，也就是现在intel几乎已经很少在中低端产品中使用自家颗粒了，会根据产品定位不同，灵活选择。例如，最新发布的针对消费级市场的INTEL 540S系列就是采用的海力士16nm闪存颗粒，而面向高性能和安全应用的SSD Pro 5400s则是采用美光和intel合资的16nm闪存。

晶圆之光：美光（Micron）

美光科技（MicronTechnology，以下简称美光科技）位于美国爱德荷州首府波伊西市，于1978年由WardParkinson、JoeParkinson、DennisWilson和DougPitman创立，1981年成立自有晶圆制造厂。

美光科技是全球最大的半导体储存及影像产品制造商之一，其主要产品包括DRAM、NAND闪存和CMOS影像传感器。美光科技先进的产品广泛应用于移动、计算机、服务、汽车、网络、安防、工业、消费类以及医疗等领域，为客户在这些多样化的终端应用提供针对性的解决方案。

在1990年代初期，美光科技成立MicronComputers（美光电脑）子公司来制造个人电脑，该公司即后来的MicronElectronics（美光电子）。

1998年亦并购了Rendition公司来制造3D加速芯片。

2002年美光卷入了内存价格操纵丑闻。

2007年3月21日首次在中国西安成立了工厂，主要生产DRAM和NAND快闪存储器。

美光flash颗粒的命名规则

在固态硬盘领域，美光和intel进行了深度合作，并于2006年在美国犹他州Lehi地区合资共建，25nm工艺闪存制造厂IMFT，而根据相关文件披露，IMFT生产的晶元，49%销售给Intel，另外51%则归美光。

除了生产闪存颗粒，美光还拥有固态硬盘生产线以及市场终端品牌英睿达。不同于intel闪存颗粒，多用于自家产品，美光的闪存颗粒因其性能稳定，深受OEM厂商热捧，并大量输出到各大OEM厂商以及各大品牌固态硬盘厂商。

自产自销：三星（Samsung）

如果说英特尔是半导体行业的绝对领路人和开创者的话，那么三星毫无疑问是最强的追逐者和竞争者。

三星电子（SamsungElectronics）作为韩国电子产品生产企业，是韩国规模最大的企业，同时也是三星集团子公司中规模最大且在国际市场处于领先地位的企业。

该公司在全世界共65个国家拥有生产和销售法人网络，员工数多达157，000人，早在2009年超越惠普（HP）跃升为世界最大的IT企业，其中LCDTV、LEDTV和半导体等产品的销售额均在世界上高居榜首。

在庞大的三星集团内部，半导体事业部可谓是打造三星帝国的一等功臣。

三星集团创始人李秉哲不顾公司众人反对，毅然决然地于1983年在日本东京正式开始进军半导体行业。对此他曾经表示，三星符合韩国缺乏资源的自然条件，只有开发高附加值、技术含量高的产品才能实现企业的第二次飞跃。

在此后的10个月内，三星电子在世界上第三个推出64KDRAM，这在国内外经济界引起强烈反响。然而，日后由于半导体价格暴跌，企业在事业之初陷入困境。尽管如此，三星的存储器半导体依然取得了长足的发展，1992年率先开发成功64MDRAM，终于在世界上确保了最强的技术实力；1993年如愿以偿地荣登存储器半导体世界第一的宝座。此后于1994年和1996年连续开发成功256M和1GDRAM，这同样拥有‘世界最先开发’的荣耀，这样，半导体逐渐成为韩国具有代表性的产业。2002年NANDFlash位居世界榜首；2006年与2007年分别在世界上率先研制成功50纳米级DRAM和30纳米级NAND等，三星电子在存储器领域的占有率超过30%，成为业界的强者。

三星750evo采用自家闪存颗粒

拥有大量的世界顶尖的半导体专利技术的三星，近些年也没有停止研发的脚步。就固态硬盘行业而言，三星是业界首个将TLC闪存颗粒运用于固态硬盘产品的厂商，同时研发出全球领先的3D-NAND闪存颗粒技术，极大的提升了闪存颗粒的实际使用容量，进一步压缩了闪存颗粒的体积，引发了闪存颗粒的又一次革命。

三星flash颗粒编号信息表

作为半导体厂商，三星也和intel一样，有着完整的闪存颗粒生产线，却都仅将颗粒运用于自家产品，三星家更是做得彻底，所有原产颗粒都不允许输出，仅装备于自家固态品牌。因而，很多关于三星闪存的具体参数信息很少见诸于网络。

闪存缔造者：东芝（Toshiba）

作为我们的邻居，韩国在闪存制造上有三星，而日本则有东芝。

东芝（TOSHIBA）是日本最大的半导体制造商，亦是第二大综合电机制造商，隶属于三井集团旗下。东芝原名东京芝浦电气株式会社，1939年由株式会社芝浦制作所和东京电气株式会社合并而成；从1875年开创至今，已经走过了133年的漫长历程。

早在80年代东芝与NEC是世界上最大的两家半导体制造商，同时东芝还是闪存存储标准SD协会的董事会成员之一，是多项规格标准的制定者和推动者，拥有着半导体闪存行业多项世界第一和生产专利，到了90年代，东芝已经成长为世界排名前5的芯片厂，在2008年东芝排名第3，仅次于英特尔和三星，但排在德州仪器和意法之前，到了今天东芝依旧在世界半导体行业、芯片制造行业有着举足轻重的作用。

具体到固态硬盘领域，东芝原厂闪存颗粒几乎占领了主流的固态硬盘市场，成为有一定实力的固态硬盘厂商首选颗粒。究其缘由，一则是东芝近百年的生产制造经验带来的严格的品控，二则是东芝乐于向外输出优质原厂闪存颗粒。

目前，几乎所有大品牌的固态硬盘厂商都使用过东芝相关型号的闪存颗粒。例如浦科特全系列M6V/M7V/M6S PLUS等产品，还有金士顿的v300/uv400，OCZ几乎全系列等。

东芝flash颗粒编号示意图

除了制造原厂闪存颗粒外，还有更多的二线厂商使用东芝原厂的白片颗粒，以及部分厂商使用的东芝黑片，可以说几乎所有主流固态硬盘厂商都使用过东芝制造的闪存颗粒。

同时和三星、intel一样，东芝自家也有固态硬盘终端产品，从开山之作东芝Q系列，东芝Q200，东芝Q300一直到东芝Q300 PRO,每一款源自东芝的新品都带给消费者许多惊喜。

性价比之王：海力士（SK Hynix）

闪存颗粒作为固态硬盘制造中最花费成本的核心器件，提供极高性价比的产品也是能有极大的市场。

海力士脱胎于韩国另一家半导体制造企业现代内存,并于2001年更名为海力士，2012年正式更名为SK hynix。

海力士半导体在1983年以现代电子产业有限公司成立，在1996年正式在韩国上市，1999年收购LG半导体，2001年将公司名称改为(株)海力士半导体,从现代集团分离出来。2004年10月将系统IC业务出售给花旗集团，成为专业的存储器制造商。2012年2月，韩国第三大财阀SK集团宣布收购海力士21.05%的股份从而入主这家内存大厂。

海力士半导体多年前已经在韩国制造了4条8英寸晶圆生产线和一条12英寸晶圆生产线，并在美国俄勒冈州有一条8英寸生产线。2004年及2005年全球DRAM市场占有率处于第二位，中国市场占有率处于第一位。并在世界各地有销售法人和办事处，共有员工15000人。

海力士部分flash颗粒产品编号示意图

如今的海力士半导体，一直以行业最高水平的投资效率、生产效率、销售效率，在竞争激烈的半导体行业站稳脚跟，并以快速的更新能力和极高的性价比，成为众多固态硬盘厂商欢迎的原厂颗粒提供商。

目前，intel旗下多款产品采用了海力士颗粒，例如从intel pro 2500到最新的intel 540s。同时国内许多新兴厂商都在使用有着高性价比的SK Hynix闪存颗粒，例如金泰克等。

闪存帝国：闪迪（SanDisk）

在闪存卡领域，闪迪绝对是行业的巨擘，而在固态硬盘领域，闪迪也凭借着其拥有着完整的闪存颗粒加工体系，成为固态硬盘行业的巨头之一。

SanDisk (闪迪)公司是全球最大的闪速数据存储卡产品供应商。诞生于1988年加利福尼亚帕罗奥多，该公司由非易失性存储技术领域的国际权威Harari Eli博士在1988年创立。

闪迪作为全球唯一一家有权制造和销售所有主要闪存卡格式的公司，拥有超过4900多项关于存储、闪存颗粒等相关技术的专利，并在全球各地拥有着多条闪存颗粒加工制造厂。

闪迪至尊极速系列采用闪迪颗粒

早在2005年，就和日本存储大厂东芝合作，在位于日本四日市运营处的建立起NAND flash闪存 300mm工艺的晶片制造厂，并与2011年正式投入生产。

鉴于闪迪在闪存卡拥有着全球唯一的全系列生产线，因而闪迪原厂的闪存颗粒多用于自身产品消化，并没有大规模投入市场。同时鉴于在NAND flash生产上，闪迪几乎和东芝成为一家人，许多相关产品编号信息暂时无法查询。

总结：

intel和美光、东芝和闪迪、自产自销的三星、性价比的海力士，目前市场上存在的闪存颗粒六大巨头都根据自己的实际特点，你追我赶的占领市场高地，近乎垄断了固态硬盘闪存颗粒的所有市场份额。

然而就六大品牌内部比较，由于各大品牌的侧重点不同，主攻方向的差异。在没有限定的前提下，无法区分到底谁家颗粒好，谁家颗粒烂，但是唯一具有参考意义的便是，下次选购固态硬盘的时候，有这六大厂商的品牌logo，至少要比没有品牌logo来路不明的颗粒强得多得多。

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