少年科技人雜誌 -- 2014 年 10 月號 (開放公益出版品)

電腦、IC 與 PCB 的製造過程

從上文「電腦工業的結構」當中,我們知道電腦主要是由 IC (晶片) 與 PCB (印刷電路板) 所組成的,如下圖所示:

但是、IC 與 PCB 到底是怎麼製造出來的呢?

本文將透過影片導引的方式,動態的展示 「IC、PCB 與電腦」的製造過程。

IC 的製造過程

IC 的製造過程是非常複雜、而且耗費資本的工作。一間 12 吋的晶圓廠要耗費將近一千億才能夠建造出來,因此要拍攝到這些製造過程也通常要取得晶圓廠的同意才行。

大致來說 IC 的製造可以用「晶柱生產 => 切割成晶圓 => 晶圓代工 => 封裝 => IC」來描述,但其中的晶圓代工步驟則是相當的複雜,通常包含下列流程:

晶圓 => (成膜 => 微影成像 => 蝕刻 => 雜質參雜 => CMP 平坦化)* => 研磨 => 切割 => 黏晶 => 引線接合

而封裝步驟則包含下列流程:

塑膜封裝 (壓模) => 導線金屬鍍膜 => 導線加工 => 標印 => 電路檢查 => 預燒 => 電路檢查

(註解:以上製程用語為大陸版,台灣的用語對照為:成膜 <=薄膜製程,微影成像<==黃光製程,雜質參雜<==擴散製程)

以下影片很清楚的介紹了 CPU 這顆電腦核心 IC 的製造過程,筆者強烈建議讀者花個十分鐘的時間看完它,您將會對整個 IC 工業有一個大致的理解。

如果您想進一步瞭解 IC 製造的流程與原理,可以參考下列文件。

電路板的製造過程

接著、讓我們說明一下電路板的設計製造流程,以下是簡化的流程。

電路設計 => 電路板印製 => 插件 => 檢查電路正確性

以下影片清楚的介紹了電路板的工業設計製造流程,只要花 5 分鐘就可以看完了。

當然、如果您想要自己動手設計電路板也是可以的,設計好之後可以用「手洗」的方式將電路板洗出來,以下影片介紹了「手洗」電路板的方法。

當然、洗完之後,元件也必須自己動手插上去並焊接,當然這比機器插件焊接會慢很多。

影片中的流程,大製就是如以下文件中所描述的一樣,這個文件詳述了整個電路板的「手洗製作流程」。

如果您有雕刻機的話,那麼也可以不需要用「洗的」,用雕的也行,下述影片展示了雕刻機的操作過程。

電腦的組裝製造過程

有了「電路板與 IC」 之後,只要在準備好週邊裝置與機殼等材料,就可以做出整台電腦了,以下影片介紹了「電腦與處理器的組裝製造過程」,影片長度是 11 分 47 秒。

當您看完上述影片之後,相信會對電腦的製造原理有一定的認識了。這些製程通常是在工廠裏進行的,因此即使是在學校也很難完整的學到的,這是一個很大很複雜的工業體系,很少人能從頭做到尾。

設計一台電腦

不過、如果是要「設計一台電腦」,就不需要耗費這麼大的資本了。相反的、設計電腦主要依靠的是「知識、腦力、電腦語言和軟體工具」。舉例而言、我們可以用 Verilog 語言設計 CPU 處理器與 IC 的數位電路,然後用 Altium Designer 或 Eagle 等工具設計 PCB 的電路,接著用 C 語言設計「編譯器、組譯器與作業系統」等軟體。而這些設計,也幾乎都是在「電腦上完成的」。

在這裡、讀者可能會產生一個問題。

電腦的設計都是用電腦來完成的,那麼第一台電腦的設計又是怎麼完成的呢?

關於這點的答案,那當然是人腦囉! 不過整個電腦的演進史是很漫長的,所以當時人腦可以做出最簡單的電腦,然後再用這些最簡單的電腦一代一代發展,設計出更好的電腦。

不過、現在要「只靠人腦設計出電腦」,幾乎是不可能的了。因為只靠人腦所能設計出的那種電腦,都太陽春而難以稱為一台完整堪用的電腦了。