nand flash内部颗粒「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

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[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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海康存储被曝虚假宣传，偷换闪存颗粒，还用西数回收料？

作为安防监控领域的技术与设备大厂，海康威视对于存储的需求非常的大，再加上对于数据安全的考虑，海康威视在2017年就成立的存储事业部，打造完整的安抚健康数据存储解决方案。

而根据当时海康威视2017年在某行业会议上公布的信息显示，海康威视当时就已经与存储大厂美光科技和东芝达成了合作。

近两年，海康威视除了研发自己业务所需的视频监控专用SSD和数据中心SSD产品之外，还针对消费类市场推出了多款存储产品，其中就包括C160、C165、C1000、C2000系列等。

特别是海康威视C2000系列存储产品推向市场之后，迅速获得了市场的认可，销量远超一众老牌的二三线存储品牌厂商的同级产品，这对于一个新入局者来说，表现那可是相当的不错。

不过，自今年2月以来，网上陆续爆出了海康威视的C2000系列固态盘存在虚假宣传、品质问题，C160疑似使用西部数据回收料等问题。

C2000系列被曝存在“虚假宣传”及“品质问题”

早在今年2月11日，B站UP主@VirtualMOD 于在B站上传了一段针对海康威视C2000系列的评测及爆料。

在@VirtualMOD 的评测视频中，其发现海康威视C2000系列固态盘存在虚假宣传，宣传采用的是东芝原厂颗粒，但实际上却是群联封装的东芝白片，且存在混用不同批次白片的情况。

▲测试的C2000L 512G闪存盘，采用的是群联的主控和群联封装的东芝白片（并不是东芝原厂闪存芯片），并且其中有一颗芯片的批次与其他三颗不同，混用批次，将较大影响性能。

此外，与最初的C2000L 512G版本相比，原来主板上采用的是2颗256GB的存储芯片，而@VirtualMOD 今年购买的却变成了4颗128GB的存储芯片，并且测试显示，C2000L 512G性能严重不达标。另外，海康存储C2000系列整体配置与其他同级竞品相同的情况下，价格普遍高出20%左右，但是性能却并不更具优势。

▲测试显示，C2000L 512G性能严重不达标

海康威视承诺“一赔三”

随后，@VirtualMOD 在U站与海康威视存储业务负责人进行视频直播连线对此事进行了讨论，确认C2000L 512G虽然宣传是ONFI4.0协议，但是由于ONFI4.0协议存在问题，所以实际出货的基于ONFI3.0协议，导致了性能不达标。而对于存储芯片由两颗256GB容量的换成了4颗128GB容量的，其表示这并不是公开对外的信息，也并没有实际的改变。之后该负责人表示，会通过海康威视公众号、B站官方账号等平台发布相关信息，并作出了C2000L 512G一赔三的承诺，似乎是诚意满满。

▲@VirtualMOD与海康威视存储业务负责人连线直播

2月13日，@海康存储办事处在B站发布了针对C2000L 512G情况说明，称2020年2月12日下午15：00前下单购买C2000L 512G固态盘，并能提供原始购买凭证的客户，可以联系海康威视授权的购买渠道核实订单并登记。但是该说明仅发布在了B站，也并未说明具体原因和明确“一赔三”的承诺。这人很多不明白事情来龙去脉的人摸不着头脑。

但是根据@VirtualMOD 最新的爆料显示，目前只有少数按时登记的客户收到了赔偿，还有很多人没有收到赔偿。

宣传东芝颗粒，却偷换美光颗粒？

几天之后，另一位B站UP主@codeyuri 通过测试后发现，海康威视C2000 256G/512G/1T的存储芯片并不是群联封装的东芝颗粒，而是群联封装的美光颗粒。

▲通过专业软件测试后发现，测试的C2000 256G/512G/1T的闪存盘的存储芯片并不是东芝颗粒，而是美光颗粒

同时，他还发现海康威视C2000 512G硬盘官方的宣传的缓存容量是512MB，但是实际上却是256MB。

▲软件测试发现，海康威视C2000 512G硬盘缓存为256MB，而其京东页面的参数标注是512MB缓存。

▲测试的海康威视C2000 256G与512G版本的缓存芯片均为金士顿白片，且型号一致，并且C2000 512G背面也没有额外的缓存芯片。

海康威视迅速删除“东芝颗粒”宣传

而当B站UP主@codeyuri 的视频发布之后，海康威视迅速下架了C2000系列，并迅速修改了产品的详情页，删除了所有的“东芝颗粒”的字眼，全部改成了3D TLC。

另外根据@VirtualMOD 最新的爆料显示，海康威视对于此前已购买要求赔偿的客户，只给退货退款，并补偿50元。如果客户向消费者协会投诉，那么海康威视就会联系客户签一份和解协议，补偿也提高到了200元。

海康威视C160被曝采用西部数据回收料

另外@VirtualMOD 昨天发布的最新视频还显示，其从淘宝购买的海康威视C160固态盘内部采用的是Sandisk（已被西部数据收购）的单颗256GB的闪存芯片，编号05138，经过查询后发现，这是西部数据的SATA接口的蓝盘使用过的颗粒，品质还是非常不错的，但是海康威视与西部数据并没有合作，而且海康威视C160固态盘的主控也是比较低端的慧荣SM2258XT主控（通常优质的存储颗粒会搭配好的存储控制芯片）。

另外，@VirtualMOD 在不同平台购买的5块海康威视C160固态盘中，有两块来自淘宝的C160固盘的Sandisk闪存芯片是同一批次“7212”，即2017年第21周第2天，即2017年5月22号生产的。显然，作为2020年的固态盘，竟然采用2017年的颗粒，因此他猜测海康威视可能用了回收料。

随后他还刮开两块C160固态盘内部的芯片的外层之后，发现闪存编号为05561，是西部数据2019年推出的海外版的SN750 SSD用过的颗粒，而国内版的SN750用的颗粒编号为05560，两者区别在于封装地不同，前者是马来西亚，后者是中国。并且这两块C160闪存盘所采用的闪存芯片的批次也不同，分别是9402和9391，也就是说，实际上测试的两个海康威视C160固态盘所采用的颗粒应该是2019年生产的，那么为什么要把2019年生产的颗粒盖标成2017年生产的呢？

▲C160内部的256GB闪存芯片被磨去表面的盖标之后，显示该芯片为西部数据（Sandisk）闪存芯片，编号为05561

▲C160内部的256GB闪存芯片盖标之后，编号修改为7212

通过针对该存储盘测试发现，其SLC Cache高达84GB（TLC SSD为了解决NAND Flash读写较慢的问题，会为产品配备SLC Cache，SLC读写速率全面领先MLC和TLC，但是因为它并不是真正意义上的SLC NAND Flash，所以TLC SSD里面配备的SLC Cache实际上是在既有的TLC NAND Flash里面划出一部分空间，在其中的每个Cell中只写入1bit的数据，以提升SSD的读写性能。这也是现在一些TLC固态盘针对测试软件的作弊手段。）但是，在跑完SLC Cache之后，其写入速度马上就掉到了25MB，只有机械硬盘的1/3不到。

基于以上分析和测试，@VirtualMOD 认为海康威视的C160固态盘采用了西部数据的回收料，由于两家厂商之间并没有直接的合作，因此，处于保密的目的，把SN550所采用的编号05561盖标成了05138，同时再把批次号由“9402”、“9431”盖标成“7212”，即改成2017年生产的，这样就可以使用回收料，同时避免影响到西部数据目前在卖的正品颗粒。毕竟回收料在性能上是存在问题的。

不过，需要指出是，@VirtualMOD 在京东购买的海康威视C160固态盘采用的是群联主控及海康威视的白片。

疑似海康内部人士回应

对此问题，随后疑似是海康威视内部人士的B站用户@我是刘溜溜发文解释称，2019年5月开始，一些原厂向海康存储供货遇到了阻碍，比如C2000 Pro东芝版停供。后来又因为传闻可能被美列入清单，在此后的一段时间内，针对C160型号的某些批次供货，为了解决供应颗粒的时间问题（名单时效期限内不能供应），原厂为了规避风险，供应时盖面模糊供应时间。另外之前外界质疑的C2000 Pro紫光版的存储颗粒来源，海康威视也一直闭口不谈也是有着某方面的原因。所有，即便是遭到了UP视频连线直播时逼问，也无法明说。