半导体制造、Fab以及Silicon Processing的基本知识
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原文作者:core-logic (原中芯员工)
原文链接: http://bbs.tianya.cn/post-no20-70872-1.shtml (建议看下原帖,讨论区)
作者意图:希望集成电路产业能够在中国大陆蓬勃发展,希望有更多的人能够在这个产业中找到自己的一席之地,能够有所斩获。学弟学妹总需要更多的信息来做决定——这个领域是否合适于自己?有什么好的方面?有什么不好的方面?如果可能的话,了解一些简单的术语、入门资料。
正在半导体制造业刚刚全面兴起的时候,我加入了SMIC,在它的Fab里做了四年多。历经SMIC生产线建立的全部过程,认识了许许多多的朋友,也和许许多多不同类型的客户打过交道。也算有一些小小的经验。就着工作的间隙,把这些东西慢慢的写出来和大家共享。
如果有什么错误和不当的地方,请大家留贴指正。
从什么地方开始讲呢?就从产业链开始吧。
有需求就有生产就有市场。
市场需求(或者潜在的市场需求)的变化是非常快的,尤其是消费类电子产品。这类产品不同于DRAM,在市场上总是会有大量的需求。也正是这种变化多端的市场需求,催生了两个种特别的半导体行业——Fab和Fab Less Design House。
我这一系列的帖子主要会讲Fab,但是在一开头会让大家对Fab周围的东西有个基本的了解。
像Intel、Toshiba这样的公司,它既有Design的部分,也有生产的部分。这样的庞然大物在半导体界拥有极强的实力。同样,像英飞凌这样专注于DRAM的公司,活得也很滋润。至于韩国三星那是个什么都搞的怪物。这些公司,他们通常都有自己的设计部门,自己生产自己的产品。有些业界人士把这一类的企业称之为IDM。
但是随着技术的发展,要把更多的晶体管集成到更小的Chip上去,Silicon Process的前期投资变得非常的大。一条8英寸的生产线,需要投资7~8亿美金;而一条12英寸的生产线,需要的投资达12~15亿美金。能够负担这样投资的全世界来看也没有几家企业,这样一来就限制了芯片行业的发展。准入的高门槛,使许多试图进入设计行业的人望洋兴叹。
这个时候台湾半导体教父张忠谋开创了一个新的行业——foundry。他离开TI,在台湾创立了TSMC,TSMC不做Design,它只为做Design的人生产Wafer。这样,门槛一下子就降低了。随便几个小朋友,只要融到少量资本,就能够把自己的设计变成产品,如果市场还认可这些产品,那么他们就发达了。同一时代,台湾的联华电子也加入了这个行当,这就是我们所称的UMC,他们的老大是曹兴诚。——题外话,老曹对七下西洋的郑和非常钦佩,所以在苏州的UMC友好厂(明眼人一看就知道是UMC在大陆偷跑)就起名字为―和舰科技‖,而且把厂区的建筑造的非常有个性,就像一群将要启航的战船。
----想到哪里就说到哪里,大家不要见怪。
在TSMC和UMC的扶植下,Fab Less Design House的成长是非常可观的。从UMC中分离出去的一个小小的Design Group成为了著名的―股神‖联发科。当年它的VCD/DVD相关芯片红透全世界,股票也涨得令人难以置信。我认识一个台湾人的老婆,在联发科做Support工作,靠它的股票在短短的四年内赚了2亿台币,从此就再也不上班了。
Fab Less Design House的成功让很多的人大跌眼镜。确实,单独维持Fab的成本太高了,所以很多公司就把自己的Fab剥离出去,单独来做Design。Foundry专注于Wafer的生产,而Fab Less Design House专注于Chip的设计,这就是分工。大家都不能坏了行规。如果Fab Less Design House觉得自己太牛了,想要自建Fab来生产自己的Chip,那会遭到Foundry的抵制,像UMC就利用专利等方法强行收购了一家Fab Less Design House辛辛苦苦建立起来的Fab。而如果Foundry自己去做Design,那么Fab Less Design House就会心存疑惑——究竟自己的Pattern Design会不会被对方盗取使用?结果导致Foundry的吸引力降低,在产业低潮的时候就会被Fab Less Design House抛弃。
总体来讲,Fab Less Design House站在这个产业链的最高端,它们拥有利润的最大头,它们投入小,风险高,收益大。其次是Foundry(Fab),它们总能拥有可观的利润,它们投入大,风险小,受益中等。再次是封装测试(Package&Testing),它们投入中等,风险小,收益较少。
当然,这里面没有记入流通领域的分销商。事实上分销商的收益和投入是无法想象和计量的。我认识一个分销商,他曾经把MP3卖到了50%的利润,但也有血本无归的时候。
所以Design House是―三年不开张,开张吃三年。‖而Fab和封装测试则是赚个苦力钱。对于Fab来讲,同样是0.18um的8英寸Wafer,价格差不多,顶多根据不同的Metal层数来算钱,到了封装测试那里会按照封装所用的模式和脚数来算钱。这样Fab卖1200美元的Wafer被Designer拿去之后,实际上卖多少钱就与Fab它们没有关系了,也许是10000美元,甚至更高。但如果市场不买账,那么Design House可能就直接完蛋了,因为它的钱可能只够到Fab去流几个Lot的.
我的前老板曾经在台湾TSMC不小心MO,结果跑死掉一批货,结果导致一家Design House倒闭。题外话——Fab的小弟小妹看到动感地带的广告都气坏了,什么―没事MO一下‖,这不找抽吗?没事MO(Miss Operation)一下,一批货25片损失两万多美元,奖金扣光光,然后被fire。
在SMIC,我带的一个工程师MO,结果导致一家海龟的Design House直接关门放狗。这个小子很不爽的跳槽去了一家封装厂,现在混得也还好。
所以现在大家对Fab的定位应该是比较清楚的了。
Fab有过一段黄金时期,那是在上个世纪九十年代末。TSMC干四年的普通工程师一年的股票收益相当于100个月的工资(本薪),而且时不时的公司就广播,―总经理感谢大家的努力工作,这个月加发一个月的薪水。‖
但是过了2001年,也就是SMIC等在大陆开始量产以来,受到压价竞争以及市场不景气的影响,Fab的好时光就一去不复返了。高昂的建厂费用,高昂的成本折旧,导致连SMIC这样产能利用率高达90%的Fab还是赔钱。这样一来,股票的价格也就一落千丈,其实不光是SMIC,像TSMC、UMC的股票价格也大幅下滑。
但是已经折旧折完的Fab就过得很滋润,比如先进(ASMC),它是一个5英寸、6英寸的Fab,折旧早完了,造多少赚多少,只要不去盖新厂,大家分分利润,日子过的好快活。
所以按照目前中国大陆这边的状况,基本所有的Fab都在盖新厂,这样的结论就是:很长的一段时间内,Fab不会赚钱,Fab的股票不会大涨,Fab的工程师不会有过高的收入。 虽然一直在亏本,但是由于亏本的原因主要是折旧,所以Fab总能保持正的现金流。而且正很多。所以结论是:Fab赔钱,但绝对不会倒闭。如果你去Fab工作,就不必担心因为工厂倒闭而失业。
下面讲讲Fab对人才的需求状况。
Fab是一种对各类人才都有需求的东西。无论文理工,基本上都可以再Fab里找到职位。甚至学医的MM都在SMIC找到了厂医的位置。很久以前有一个TSMC工程师的帖子,他说Fab对人才的吸纳是全方位的。(当然坏处也就是很多人才的埋没。)有兴趣的网友可以去找来看看。
一般来讲,文科的毕业生可以申请Fab厂的HR,法务,文秘,财会,进出口,采购,公关之类的职位。但是由于是Support部门这些位置的薪水一般不太好。那也有些厉害的MM选择做客户工程师(CE)的,某些MM居然还能做成制程工程师,真是佩服啊佩服。
理工科的毕业生选择范围比较广:
计算机、信息类的毕业生可以选择作IT,在Fab厂能够学到一流的CIM技术,但是由于不受重视,很多人学了本事就走人先了。
工程类的毕业生做设备(EE)的居多,一般而言,做设备不是长久之计。可以选择做几年设备之后转制程,或者去做厂商(vendor),钱会比较多。当然,也有少数人一直做设备也发展得不错。比较不建议去做厂务。
材料、物理类的毕业生做制程(PE)的比较多,如果遇到老板不错的话,制程倒是可以常做的,挺两年,下面有了小弟小妹就不用常常进Fab了。如果做的不爽,可以转PIE或者TD,或者厂商也可以,这个钱也比较多。
电子类的毕业生选择做制程整合,也就是Integration(PIE)得比较多,这个是在Fab里主导的部门,但如果一开始没有经验的话,容易被PE忽悠。所以如果没有经验就去做PIE的话,一定要跟着一个有经验的PIE,不要管他是不是学历比你低。
所有硕士或者以上的毕业生,尽量申请TD的职位,TD的职位比较少做杂七杂八的事情。但是在工作中需要发挥主动性,不然会学不到东西,也容易被PIE之类的人骂。 将来有兴趣去做封装、测试的人可以选择去做产品工程师(PDE)。
有兴趣向Design转型的人可以选择去做PIE或者PDE。
喜欢和客户打交道的人可以选择去做客户工程师CE,这个位置要和PIE搞好关系,他们的Support是关键。
有虐待别人倾向,喜欢看着他人无助神情的人可以考虑去做QE。QE的弟兄把
PIE/PE/EE/TD/PDE之类的放挺简直太容易了。
下面分部门简单介绍一下Fab的工种。
基本Fab的机构是这样的:
厂长
--〉Integration
--〉LPIE
MPIE
YE
WAT
BR
Module
--〉CVD
PVD
CMP
PHOTO
ETCH
Diffusion
WET
IMP
MFG
--〉MPC
TF
DIFF
PHOTO
ETCH
此外相关的直接支持部门还有:
Facility
IE&PC
Fab中PIE要略微比PE和EE好一些,相对进fab的机会要少。
PIE主要的工作有很多,但总而言之是和产品密切相关的。SMIC上海厂有DRAM和Logic两种截然不同的产品,相应的PIE职责也有区别。
Memory PIE(基本都在一厂)通常是分段管理,一般是有人负责Isolation(FOX/STI),有人负责Capacitance,有人负责Transistor,有人负责后段Interconnect。总体分工比较明确,少数资深的工程师会负责全段的制程。Memory的产品通常种类较少,总量较大,比较少有新的产品。SMIC的Memory有堆栈型和沟槽型两大类,都在一厂有量产。
Logic PIE(两个厂都有)才是真正意义上的Fab PIE,一般来讲Fab要赚钱,Logic的产品一定要起来。Logic PIE通常会分不同的Technology来管理产品,比如0.35um LG/MM/HS;0.18um LG/MM/HS/SR;0.13um LG/SR等等。Logic的产品种类非常多,但每颗的总量一般不会太大,如果能够有1000pcs/月的量,那已经是比较大的客户了。——如果遇到这样的新客户,大家可以去买他的股票,一定可以赚钱。
Logic PIE的主要工作通常有Maintain和NTO两大类,前者针对量产的大量产品的良率提高,缺陷分析等。后者主要是新产品的开发和量产。具体的工作么,拿NTO来讲,有Setup process flow, pirun, fab out report, defect reduction, yield analysis, customer meeting, ... ...等等。
相比较而言,进fab倒不是最主要的,分析数据和写报告的工作为主。
偷个懒,把原来写的一部分搬过来。
通常讲Fab的工作环境比较恶劣,那就是指Module和MFG。因为PIE可以比较少进Fab,所以PIE虽然也会比较忙,但是接触到辐射、化学药品的机会要少很多。
一般本科毕业生如果去MFG的话会做线上的Super,带领Leader和一群小妹干活。除非你从此不想和技术打交道,否则不要去MFG。只有想将来做管理的人或者还会有些兴趣,因为各个不同区域的MFG都是可以互换的,甚至不同产业的制造管理都是一样的。Fab的MFG Supper在封装、测试厂,在TFT/LCD厂,在所有的生产制造型企业都可以找到相关合适的位置。和人打交道,这是管理的核心,而在MFG,最重要的就是和人打交道。你会和EE吵架,和PE吵架,和PIE吵架,被Q的人闻讯,可以修理TD的弟兄,不过比较会惹不起PC(Production Control)。喜欢吵架的弟兄可能会乐此不疲,因为MFG和别人吵架基本不会吃亏。
在Fab里有三个“第一”:安全第一,客户第一,MFG第一。所以只要和安全以及客户没有关系,MFG就是最大的,基本可以横着走。PIE能够和MFG抗争的唯一优势,也就是他们可以拿客户来压MFG。MFG在奖金等方面说话的声音比较大,一般而言,奖金优先发放给MFG,因为他们最辛苦。MFG的Super需要倒班,做二休二,12小时12小时的轮,在休息的时候还会被拖过来学习、写报告什么的,所以平均下来一周工作的时间至少在50小时以上。上白班的还好,但是上晚班的生物钟会被弄的比较乱。MFG做常日的Super会好一些。
不建议硕士以及以上学历的弟兄去MFG。
Module的工程师主要分成两大类:制程(工艺)和设备。也就是所谓PE和EE。基本上无论哪个Module都会有这样的两类工程师。
设备工程师主要负责的是机台的状况,他们要保持机台始终处于比较良好的Status,从而提高机台的利用率。TSMC在最忙的时候曾经把机台的利用率提到到了110%以上,这样就需要缩短机台设计的PM时间,缩短机台的Monitor时间,减小Down机的几率。这样设备工程师的压力就很大。设备工程师的On Call通常就是来自于此。如果大家都是混得比较资深的EE,那由于晚上都有设备值班,小问题都能够被处理掉,而大问题也没法处理,可以第二天白天来做。但如果是一群没有足够经验的EE,那么每个人都只能专精几种机台,结果就是遇到不熟悉的机台出问题,就只好Call人了。
EE在Fab中待的时间要比PE长,有很多routine的工作,比如PM。EE的问题相对简单,妈的,机台出问题了我就修呗,修不好我就Call Vendor呗。你制造部不爽那你自己来修。
EE有很多机会接触有毒的气体、辐射和化学药品,也容易遭受侵害。Fab里很多耸人听闻传说中的主人公都是EE。记住一条Fab的铁律,任何不明身份的液体都可以默认为是HF溶液,千万不要去胡乱摸。此外特别的区域会有特别的注意事项,各自要注意。
EE主要和PE以及厂务(FAC)的弟兄打交道。不太会直接面对PIE这种Module比较讨厌的人物,也和TD的弟兄没有什么大的过节。由于是机台的使用者,Vendor会常常来和EE搞好关系,如果公司许可,可以有很多的饭局。酒量要锻炼。
EE的工作很累,但并不很复杂,如果加入了一个不错的集体,也可以过的很快活。
硕士以及以上学历的弟兄一般不会有机会加入EE的行列,工科的本科/大专毕业生可以绰绰有余的胜任EE的工作。EE做久了如果没有什么兴趣可以想办法转去做PE,如果想赚钱,做Vendor也不错
制程工程师,也就是工艺工程师,也就是PE。他们主要负责Fab中各类工艺参数和程式的设定。一个稳定的Fab必然需要大量资深的PE在。PE的工作状况和EE不同,他们将面对多个部门的压力,MFG和PIE是―压迫‖PE最多的两伙人。而Q的弟兄也会让PE非常痛苦,时常窜出来搞乱的TD工程师常常会把PE搞得抓狂。然后在PE和EE之间存在大量的灰色地带,这个事情究竟谁做?双方吵架的机会也是大把大把。
PE和Vendor打交道的机会也比较多,无论是机台的Vendor还是Material的Vendor。熟悉之后,跳槽出去做Vendor的PE也不少。通常而言,EE去做 Vendor还是修机器,而PE常常会摇身一变成了Sales。许多出去买Material的PE现在富的流油(因为有提成),尤其以卖CMP研磨液的弟兄为最好,卖靶材和光阻的就差了不少。
PE也是需要在Fab里面常常待的,要tuning出好的程式也需要付出很大的代价。以Diff为例子,每个run都要以小时计算,无论是uniformity、Defect、Quality都需要被考量,而且最后还要得到PIE电性数据的Support。
Fab里面出什么问题,MFG无法界定的时候,第一个通知的就是值班PE。
每当一个新的制程在开发的时候,无论是PIE主导还是TD主导,PE都累得像条狗一样,操劳过度,而且还要陪着笑脸向制造部的Leader借机台,一不小心就付出请客喝水的代价。只有少数资深的PE敢于把PIE或者TD骂一顿然后罚他们自己去借机台的。许多PRS数据都需要切片,PE就只好在 FA Lab陪伴切片的小妹度过一个个不眠之夜——尤其以ETCH的弟兄最为痛苦,当年的liaoduan他们就切片切的昏天黑地。最后怒了,就拿了把西瓜刀去找PIE进行黑社会谈判,好不容易分了一部分活出去。
PE要值夜班,EE值班的时候,如果机台没问题就可以眯段时间,反正半夜也没有老板在。但是机台没有问题不代表Wafer没有问题,实际上Fab中Wafer出的问题千奇百怪,匪夷所思。所以PE的值班手机从来就不会闲下来,在 Fab中最忙的值班电话通常是CMP、YE和PHOTO的值班手机。
什么叫做痛苦,当你作为一个PE在Fab里接到YE的报警电话的时候就会有一种生不如死的感觉。完了,今天的值班一定没好日子过了……
PE同样面对Fab中的不良环境,所以要注意身体,在有了小弟小妹之后就尽量少进Fab。
回头再讲讲PIE。表面上看起来,PIE要比PE/EE都快活,他们在Fab里工作的绝对时间要远少于PE和EE。对于PE来讲,PIE简直就是最可恶的人之一,成天忽发奇想,给出奇奇怪怪的各项指令,然后还不停的来骚扰自己,要这样做,要那样做,简直像一大堆苍蝇。而且自己还不能像对待TD一样直截了当的say no。然后还要看我的SPC,帮着Q这些人来Review自己,简直讨厌透了。
所以,半夜货出了问题,不管大小,Call人!把PIE这群鸟人Call起来上个厕所。
Module的工程师只是负责一段的制程,而PIE需要对整个制程负责。很自然的,对于一个具体的制程来讲,PIE不可能比PE更为专业。但是PIE的位置决定了他必须要―以己之短,攻敌之长‖,和PHOTO讨论Shot Dependance,和ETCH讨论Loading Effect,和CMP讨论Down Force,……结果导致所有的人都认为:妈的,PIE什么都不懂。有一些聪明的PIE就和PHOTO工程师讲DIFF,和DIFF工程师讲 ETCH,和ETCH的讲CMP,……结果就是所有的人都对他肃然起敬。
其实,PIE和PE有强烈的依存关系,PIE面对的人更加多,也更加杂,一个好的PIE会保护和自己合作的PE,而一个差劲的PIE会在客户来发飚的时候把PE推出去当替死鬼。PIE需要PE为自己的实验准备程式,调试机台,提供意见……没有PE的Support,PIE什么也不是。当年SMIC一厂著名的Marvin、Jing和Cathy小姐开发 0.15um Utrla Low Power SRAM的时候,就是由于IMP的失误,导致近一年的开发时间被浪费了。Marvin、Jing和 Cathy每次提到这段血泪史无不扼腕叹息——当年付出的努力:无数次的夜班,电性分析,切片FA,Split Run,……通通付诸东流。
PIE唯一还算的上专业的,就是WAT电性,一个好的PIE需要对电性的结果非常敏感。 各位所有想要做,或者正要做PIE的朋友,请记住一条PIE的铁律:―永远不要乱改东西。‖只要你记住了这一句话,你就没有白花时间看这段文字。
做Lot Owner是件痛苦的事情,因为这一批货色的成败死活都会和你挂钩,如果是很重要的货,那么晚上被Call几乎是一定的。有时候你还得半夜等货做实验。说起做实验,就会涉及到Run Card,这是让制造部帮助你不按照正常流程来做实验的东东。开的Run Card越多,制造部就会越恨你。当年的Jamin以2年半超过1000张Run Card成为MFG第一―公敌‖。其实像PIE每个人的Run Card数目都不少,数百张都是很正常的。
PIE会直接面对客户。合理帮助你的客户,没准下一份轻松写意收入好的工作你可以在他们那里找到,而且还可以回来Review Fab。
做的无聊了,PIE可以转PDE/TD/CE等职位,也可以跳槽去做Foundry Manager,转行做Design德也有,去Vendor那里的机会比较少。
关于PDE
这是产品工程处的职位。主要的工作是帮助Fab找到Yield Loss的主要方面,帮助Fab提高 Yield。写Report是PDE最常做的事情。PDE需要有EFA和PFA的基本功底,要有对电性等各类数据高度的敏感。好的PDE需要在 Integration先锻炼过一段时间,熟悉Flow和Fab的环境。
Memory的PDE相对好做,利用电性的方法,可以比较容易的定位到Fail Point,再做FA分析。难点在找到问题之后PIE的Yield Improve,但这个是以PIE为主去做的。
而Logic的PDE比较困难,如果遇到不讲理的PIE,压力就很大。Logic产品Yield上不去,原则上PIE只要一句:Product给点方向。就可以闪人了,痛苦的是PDE。好在绝大多数PIE会负责到底,但这又带来一个问题。就是PDE会被―架空‖或者干脆成为了PIE切片的小弟。
做PDE一定要积极,同时要和PIE保持良好的关系,PDE和PIE只有紧密合作,才能把产品弄好。而且当PDE不得不面对Module工程师的时候,记得找个PIE帮你,在Fab里,他说话比PDE管用。
PDE要面对客户,记住最重要的一点:在没有和PIE确认之前,不要对客户乱说话。不然害惨PIE也害惨PDE自己。
如果将来不想做PDE了,可以转行做封装测试,转行做Design,或者Foundry manager,或者foundry内部的CE,PIE,TD等都可以。
一只秒表走天下的IE
工业企划处的IE可以算是Foundry中的一个异类,做好了可以直取管理的精髓,做不好,就被无数的PE/EE甚至MFG看不起。小时候一定都读过华罗庚老先生的《统筹管理》一文(初中课本有记载),IE做的工作就和这个有关系。
Fab是一个异常复杂的流水线,一片Wafer从下线到产出需要经过数百道流程和近百种机台。生产步骤之间的整合总体分成两大部分:Process方面和生产能力方面。前者由我们应明伟大的PIE负责,而后者就是IE的工作。
比若说,一个产品出来需要经过ABC三个过程,A过程中使用到的机台平均日生产能力为A1,以此类推。原则上讲A1=B1=C1才是最佳的组合。IE的工作之一就是要使Fab中各类机台的产能达到平衡,估算各类机台的需要程度,并提出组成方案。
这绝对不是一个简单的活。首先,Fab不会只跑几种产品,它的产品一直在改变;其次,机台标称的生产能力不见得和真正的生产能力Match;第三,各类机台的Down机几率不一样,复机所需时间也不一样;最后,出于Fab出货的需要,有些时候需要采用一种特别的跑货方法,比如说月底拉货出线,比如说应客户要求的Super Hot Run等等,这些都会大大的干扰正常的流程。为了获得具体的第一手资料,许多IE就跑到Fab里,看着Wafer的进出,用秒表来掐算时间。这就是所谓的―一只秒表走天下‖。
类似的还有MC,他们控制的主要是Fab使用的Material,由于Fab厂跑的货一直在变,一旦MC估测不好——后果很严重,MFG很生气。
还有PC,他们的主要工作是按照Fab的产能状况来排货。
这些岗位都属于工程师编制,他们的主要目的就是让Fab能够合理的近乎满负荷的工作。
TD = Technology Develop
为Fab的技术开发部门,通常公司中的R&D低位和Fab中的TD类似。之所以叫―技术发展部‖而不叫―研究和开发部‖的原因大概是因为Fab搞得Silicom Process如果是研究的话,没有哪家公司愿意做,一般都是在大学和研究所里面。——一家之言。
在ASMC,他的TD实际上就是SMIC的Integration,事实上,SMIC的Integration也可以Cover到一部分TD的工作。
QE主要是在Fab里找茬的。由于Fab是一条非常复杂的流水线,除了PIE之外,必须有一个独立的部门对品质负责。这个部门就是Q。Q的主要工作就是杜绝Fab中一切不符合rule和OI的事件,如果还没有法则,那Q就需要和PIE/PE来制定出合理的法则。
由于经常会给PE/PIE制造困扰,所以QE常常会让人感觉很讨厌,但是他们又惹不起QE。所以,PIE/PE对待QE都是以忽悠为主,此牙咧嘴为辅。
一个好的QE并不好做,在熟练掌握QE本身的技能之外,还需要对process有一定的了解——至少不能被很容易的忽悠,而且还要掌握一定的灵活尺度,不能把别人都害死。
做好QE的一个要诀就是原则性和灵活性并重。建议QE工程师至少要有一到两个比较铁杆的PIE弟兄,这样别人要忽悠你就不太容易了。
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