「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。
更多内容和“闪存技术、产品和发展趋势全面解析”全面的闪存技术电子书，请点击“了解更多”查阅。
低成本玩转Linux开发板（基于NUC980双层板）原理图+PCB分享
由于公司项目需求，一直在找一款能跑Linux系统，外围接口丰富的，关键是必须要有CAN,UART,RMII等接口的芯片（无需LCD,HDMI，eDP）。对于一般的多媒体芯片来说，类似于瑞芯微，全志，海思，NXP等方案上，基本都是BGA封装的居多，CAN基本都是一路（本项目需要用到两路CAN）而且单芯片价格不便宜，再加上BGA封装对于PCB叠层的要求和SMT加工费用上的要求，最终选定了新唐的工业物联网系列的NUC980DK61YC，成本上的优势还是蛮大的，芯片相关的资源配置以及应用如下图所示：
相关配置及应用
对于NUC980DK61YC LQFP128的封装来说，对于PCB的优势是不言而喻的，双层板即可，既可以省下PCB板材费用，又可省下SMT的加工费用，对于小白来说，手工焊接也是可行的。因为是内置的64MB SRAM，故无需高频布线，外置一片SPI Flash即可跑系统。
选定了芯片，接下来就着手设计了。
第一：原理图设计
（1）电源设计
采用Type-c接口作为5V电源输入,如下图所示：
Type-c电源输入
NUC980DK61YC 系统电源分别需要1.8V、1.2V、3.3V。本开发板采用集成3路PMU的电源芯片EA3059C（也可以采用独立LDO来设计），具体电路如下所示：
EA3059C电路
（2）以太网电路设计
采用美国微芯LAN8720A-CP-TR，具体电路如下：
LAN8720A-CP-TR电路
（3）USB电路和串口打印电路
采用CH340E作为USB转UART芯片，主要优点是封装更小了，外围简单，无需外置晶振，缺点是单片价格比其他的系列高一点。电路图如下所示：
USB和串口打印电路
（4）SD卡电路
（5）QSPI/NAND Flash 电路
在实际的应用中，可二选一，如下图所示：
Flash电路
（6）剩余的GPIO全部引出，如下图所示：
GPIO电路
（7）顶层电路，如下图所示：
Top
第二：PCB布局走线
原理图设计完之后，就是添加封装，至于AD格式的封装，其实大可不必自己一个一个的画时间去画，画封装很费时间，在工程项目中，应该把主要的精力放在原理图和PCB上，当然，即使是使用第三方的（如嘉立创导出的AD格式的封装）也要检查和手册做参数对比，避免出错！
（1）开始预布局，需要先做模块化整理，把所属同一张图中的器件汇集在一起，以便后期布局使用，如下图所示：
模块化整理
（2）布局开始。布局中首先要遵循的原则是：先布接口（如结构有要求），即使结构没要求，个人的习惯也还是先放置接口，在放置相对应的接口电路的器件，在对应的模块电路中，应遵循先大后小的原则，也就是先放置芯片，再放置外围的电阻电容等小器件。整体需布局如下图所示：
预布局
在预布局的时候，可以适当的打开对应芯片的飞线，因为是双层板，所以在刚开始布局的时候就需要充分考虑整个板子的走线方向，尽量保证每一个模块的线都是顺的，尽量做到少打孔，使底层让出更多的，更加充分的面积留给GND。如下图所示：
预估模块线路走向
（3）模块化走线
在布局完成之后，就可以开始布线了，在布线的过程还是需要微调布局的。
电源走线如下：
顶层
底层，输入电容靠近对应管脚放置
类似于EA3059C 集成的开关电源芯片，布局时需先考虑几个主要的输出通道，如1.2V、1.8V、3.3V，如果两个输出通道的输出功率电感距离过近，很容易形成串扰，尽量的分开，如实在分不开，可形成90度角放置，如下图所示：
功率电感放置
其中，各通道输出的FB采样点，应该从输出电容后取，而不应该在电感处取，如下图所示：
FB取样点
电源芯片的输入电容应靠近芯片对应的管脚放置，如上底层图所示。
USB走线：
USB走线中，在有空间的情况，尽量做包地处理。如下图所示：
USB走线包地
以太网芯片晶振、主控芯片晶振走线处理：
晶振走线中使用类差分走线的方式进行，并做包地处理，如下图所示：
以太网芯片晶振部分
主控晶振部分
FLASH走线
Flash走线，主要遵循的原则就是：少打孔，尽量短。如下图所示：
Flash
其余部分的走线都是比较简单的，也没什么好说的了，总之，布线中，尽量做到整组线一起走，特别是在双层板中，线分散着走，很容易把空间分割掉，致使GND面积分散。尽量做到信号线表层走完，底层空间留给GND。
最终效果图（没铺铜）
Top
Bottom
3D效果图：（没调整丝印）
Top
Bottom
整个项目就到此完成，后期可以直接导出制版文件和生产文件。需要的朋友可在评论区留下邮箱（原理图为PDF格式，PCB为AD格式），本人统一发送！本人能力有限，希望各位大神轻喷，在此谢过[谢谢]
（注：此板子未打样测试验证，小白轻勿直接打样，后期打样回来再做相应的LINUX系统验证，敬请期待[奸笑]）
相关问答
flash 和norflash区别?1、存储架构不同NORFlash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势,这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100...
Nand Flash 和Nor Flash 有什么区别?求解?1、写入/擦除操作的时间不同【nandflash】:擦除NAND器件以8~32KB的块进行,执行同一写入/擦除的操作时间为4ms【norflash】:擦除NOR器件是以64~128KB的块.....
nandflash 最快读写速度?NAND闪存的最快读写速度取决于具体的技术和规格。目前,高性能NAND闪存的读取速度可以达到几百兆字节每秒(MB/s),而写入速度通常在几十到一百多兆字节每秒之间...
【 nandflash 和norflash的区别正确的是a，nor的读速度比 nand ...[最佳回答]U盘的是NAND.因为nandflash存储比较大,写入速度和清除速度都比nor快,所以经常用在U盘和智能手机中充当硬盘的角色(eMMC),内存就是DRAM了。norf...
NANDFlash 和NorFlash到底有什么区别?1、存储架构不同NORFlash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势,这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100...
nand flash 可以同时读写吗?答:不可以虽然NAND不能同时执行读写操作,它可以采用称为"映射(shadowing)"的方法,在系统级实现这一点。NAND闪存阵列分为一系列128kB的区块(block),...
nandflash 是什么?这个应该是手机/相机/PDA上的说明。。。NandFlash是一种存储介质。相当于电脑的硬盘。是用来存储东西的。电脑上可存储的东西,在这里也都能存储。而1GGG8GG...
原来做过emmc的字库u盘，现在有一块 flash 想做个u盘但是那8个引脚不知道是那些?这个,看不清楚,找相关的手册去对一下吧!另外,NANDFlash跟eMMC的管脚和协议都是不匹配的,注意一下这个,看不清楚,找相关的手册去对一下吧!另外,NANDFlash跟eMM...
nandflash 温度过高会怎么样?回答如下:当nandflash温度过高时,可能会导致以下问题:1.寿命缩短:高温会加速芯片内部元件的老化,导致寿命缩短。2.数据丢失:高温会导致数据的稳定性变...
长江存储能否顺利跻身全球 NAND Flash 的「第一梯队」?NANDFlash全名为FlashMemory,属于非易失性存储设备(Non-volatileMemoryDevice),数据存储在这类设备中,即使断电也不会丢失。广泛用于eMMC/eMCP...
扫一扫微信交流