CPU誕生以來一直采用鋁連線技術(shù) ，在CPU芯片內(nèi)部，晶體管之間通過鋁連線進行晶體管之間的信號傳遞。鋁附在 硅片上，以線路的形式連接硅片上的千萬個晶體管。鋁的導(dǎo)電性能雖然不如銅，但因為過去的芯片尺寸大，而且鋁不會傷及硅片，價格又便宜，自然是一種極好的選 擇。但現(xiàn)在的晶體管越來越小，電阻率和阻抗的影響也越來越大。采用鋁連線技術(shù)和0.18um線寬加工技術(shù)，使CPU工作頻率達到1GHz已經(jīng)達到技術(shù)的頂 峰。
鋁材料與其他材料相比，電阻率并不很低，如鋁電阻率為17，而銅為10.7，銀為9.9。這樣，線寬越小，電阻率的作用就越突出，使晶 體管的靜電電容增加，延緩了晶體管的狀態(tài)切換速度，從而影響CPU頻率的進一步提高。此外，由于電阻率相對較高，而導(dǎo)致功耗升高，熱量增加，直接威脅著的 安全運行。
相對鋁而言，銅就具有很好的物理性能：電阻小、發(fā)熱量低、導(dǎo)電性強。因此，基于銅連線技術(shù)的芯片更易實現(xiàn)高頻率。據(jù)測算，在相同的條件下，銅技術(shù)芯片的功耗較鋁連線技術(shù)芯片的功耗低40%，這將大大降低CPU的發(fā)熱量。
銅連線技術(shù)長久以來存在許多技術(shù)上的困難，而最難的主要在于以下兩點：
—是制作工藝難。
CPU 芯片中的銅線路不是將制成的銅線平鋪于芯片上，而是將銅材料填到晶體管絕緣基板上的槽中。在這個工藝制作過程中，鋼容易被腐蝕，產(chǎn)生氣泡，致使傳導(dǎo)的穩(wěn)定 性大幅下降，熱量集聚等難以解決的工藝問題。因此，要在芯片制造中采用銅，除了需要新的絕緣技術(shù)之外，還需要新的加工工藝流程，而且銅制工藝在空間上要與 其他工藝分開來。AMD公司有幾個廠房使用銅制工藝，其人員、設(shè)備以及物料，一切與銅相關(guān)的東西都嚴格地與其他生產(chǎn)設(shè)備分離，連供氣系統(tǒng)都是單獨的。
二是硅易因銅而中毒。
銅 是人們熟知的熱的良導(dǎo)體，但是銅在半導(dǎo)體制造中并沒有表現(xiàn)出其他良好的特性，它無法可控地散開，容易弄臟半導(dǎo)體材料。在顯微鏡下才能看見的元件中，幾個游 蕩的銅原子已足夠使電路的電子性能完全改變，變得不能再用。另外，如果銅長期和硅在一起，銅原子會侵入硅體，造成硅中毒，失去半導(dǎo)體的特性。
IBM公司最早克服了以上技術(shù)困難，實現(xiàn)了銅連線技術(shù)。其后，AMD公司最先將銅連線技術(shù)應(yīng)用在CPU設(shè)計技術(shù)中。隨后，英特爾公司在0.13um的Pentium 4產(chǎn)品中也采用了銅連線技術(shù)。
在相同條件下，銅連線技術(shù)比鋁連線技術(shù) 減少40%的功耗，并能實現(xiàn)更快的主頻。銅連線技術(shù)有以下3個方面的優(yōu)勢：銅的電阻小，發(fā)熱量小，從而可以 保證CPU在更大范圍內(nèi)的可靠性；采用0.13um以下及銅工藝芯片制造技術(shù)將有效地提高芯片的工作頻率；能減小現(xiàn)有管芯的體積。
我 們看到，采用鋁連線技術(shù)，英特爾公司將CPU工作頻率從4.77MHz提高到10001MHz花費了20年的時間。采用銅連線工藝后，Pentium 4從1GHz提高到2GHz只花費了不到一年的時間。因此可以看到，銅連線技術(shù)是一項重要的技術(shù)革命。這種換代是革命性的，因此必須犧牲原有產(chǎn)品優(yōu)勢為代 價，原來在鋁連線工藝 方面擁有的設(shè)備投資越多，其轉(zhuǎn)化到銅連線工藝 領(lǐng)域的步驟也就越艱巨，以往能產(chǎn)生財富的金雞如今卻成了改朝換代的包袱和累贅。換裝新設(shè)備就必須淘汰一大批舊有的設(shè)備，這種更新是以億美元為單位來計算的。
這 種投人和花費很值得，因為跟鋁相比，銅的內(nèi)阻約低40%，銅制芯片最髙可將時鐘頻率提高35%。。此外，制造費用也會下降20%~30%，因為一次加工即 可完成。芯片的價格卻沒有因此而下降，這主要是因為廠商在新技術(shù)及廠房設(shè)備方面投人了巨額資金， 以控制銅的漂移傾向。
