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什么是集成電路

集成電路,，英文為IntegratedCircuit，縮寫為IC,；顧名思義,，就是把一定數(shù)量的常用電子元件，如電阻,、電容,、晶體管等，以及這些元件之間的連線,，通過半導(dǎo)體工藝集成在一起的具有特定功能的電路,。

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集成電路的分類

功能結(jié)構(gòu)

集成電路,，又稱為IC，按其功能,、結(jié)構(gòu)的不同,，可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù)/?；旌霞呻娐啡箢?。

模擬集成電路又稱線性電路，用來產(chǎn)生,、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間變化的信號,。例如半導(dǎo)體收音機(jī)的音頻信號、錄放機(jī)的磁帶信號等）,，其輸入信號和輸出信號成比例關(guān)系,。

而數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號,。例如3G手機(jī),、數(shù)碼相機(jī)、電腦CPU,、數(shù)字電視的邏輯控制和重放的音頻信號和視頻信號）,。

制作工藝

• 集成電路按制作工藝可分為半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路。

• 膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路,。

集成度高低

集成電路按集成度高低的不同可分為：

• SSIC小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegratedcircuits）

• MSIC中規(guī)模集成電路（MediumScaleIntegratedcircuits）

• LSIC大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegratedcircuits）

• VLSIC超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegratedcircuits）

• ULSIC特大規(guī)模集成電路（UltraLargeScaleIntegratedcircuits）

• GSIC巨大規(guī)模集成電路也被稱作大規(guī)模集成電路或超特大規(guī)模集成電路（GigaScaleIntegration）,。

導(dǎo)電類型不同

集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路，他們都是數(shù)字集成電路,。

雙極型集成電路的制作工藝復(fù)雜,，功耗較大，代表集成電路有TTL,、ECL,、HTL、LST-TL,、STTL等類型,。單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低,，易于制成大規(guī)模集成電路,，代表集成電路有CMOS、NMOS,、PMOS等類型,。

按用途

集成電路按用途可分為電視機(jī)用集成電路、音響用集成電路、影碟機(jī)用集成電路,、錄像機(jī)用集成電路,、電腦（微機(jī)）用集成電路、電子琴用集成電路,、通信用集成電路,、照相機(jī)用集成電路、遙控集成電路,、語言集成電路,、報警器用集成電路及各種集成電路。

按應(yīng)用領(lǐng)域

集成電路按應(yīng)用領(lǐng)域可分為標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路和集成電路,。

按外形

集成電路按外形可分為圓形（金屬外殼晶體管封裝型,，一般適合用于大功率）、扁平型（穩(wěn)定性好,，體積?。┖碗p列直插型。

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集成電路的結(jié)構(gòu)和組成

集成電路（integratedcircuit）是一種微型電子器件或部件,。采用一定的工藝,，把一個電路中所需的晶體管、電阻,、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上,，然后封裝在一個管殼內(nèi),，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個整體,，使電子元件向著微小型化,、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步,。

一般的,，我們用由上而下的層級來認(rèn)識集成電路，這樣便于理解,，也更有條理些,。

系統(tǒng)級

以手機(jī)為例，整個手機(jī)是一個復(fù)雜的電路系統(tǒng),，它可以打電話,、可以玩游戲、可以聽音樂,、可以...... 它由多個芯片以及電阻,、電感、電容相互連接而成,，稱為系統(tǒng)級,。（當(dāng)然,，隨著技術(shù)的發(fā)展，將一整個系統(tǒng)做在一個芯片上的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)多年——SoC技術(shù)）

模塊級

在整個系統(tǒng)中分為很多功能模塊各司其職,。有的管理電源,，有的負(fù)責(zé)通信，有的負(fù)責(zé)顯示,，有的負(fù)責(zé)發(fā)聲,，有的負(fù)責(zé)統(tǒng)領(lǐng)全局的計算，等等,。我們稱為模塊級,。這里面每一個模塊都是一個宏大的領(lǐng)域，都聚集著無數(shù)人類智慧的結(jié)晶,，也養(yǎng)活了很多公司,。

寄存器傳輸級（RTL）

那么每個模塊都是由什么組成的呢？以占整個系統(tǒng)較大比例的數(shù)字電路模塊（它專門負(fù)責(zé)進(jìn)行邏輯運算,，處理的電信號都是離散的0和1）為例,。它是由寄存器和組合邏輯電路組成的。所謂寄存器就是一個能夠暫時存儲邏輯值的電路結(jié)構(gòu),，它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短,。

現(xiàn)實中，我們需要時鐘來衡量時間長短,，電路中也需要時鐘信號來統(tǒng)籌安排,。時鐘信號是一個周期穩(wěn)定的矩形波。現(xiàn)實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度,，電路中矩形波震蕩一個周期是它們世界的一個時間尺度,。電路元件們根據(jù)這個時間尺度相應(yīng)地做出動作，履行義務(wù),。

組合邏輯呢,，就是由很多“與（AND）、或（OR）,、非（NOT）”邏輯門構(gòu)成的組合,。比如兩個串聯(lián)的燈泡，各帶一個開關(guān),，只有兩個開關(guān)都打開,，燈才會亮，這叫做與邏輯,。

一個復(fù)雜的功能模塊正是由這許許多多的寄存器和組合邏輯組成的,。把這一層級叫做寄存器傳輸級。

圖中的三角形加一個圓圈是一個非門，旁邊的器件是一個寄存器,，D是輸入,，Q是輸出，clk端輸入時鐘信號,。

門級

寄存器傳輸級中的寄存器其實也是由與或非邏輯構(gòu)成的,，把它再細(xì)分為與、或,、非邏輯,，便到達(dá)了門級（它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號的進(jìn)出,，因而得名）,。

晶體管級

無論是數(shù)字電路還是模擬電路，到底層都是晶體管級了,。所有的邏輯門（與,、或、非,、與非,、或非、異或,、同或等等）都是由一個個晶體管構(gòu)成的,。因此集成電路從宏觀到微觀，達(dá)到底層,，滿眼望去其實全是晶體管以及連接它們的導(dǎo)線,。

早期的時候雙極性晶體管（BJT）用的比較多，俗稱三極管,。它連上電阻、電源,、電容,，本身就具有放大信號的作用。像堆積木一樣,，可以用它構(gòu)成各種各樣的電路,，比如開關(guān)、電壓/電流源電路,、上面提到的邏輯門電路,、濾波器、比較器,、加法器甚至積分器等等,。由BJT構(gòu)建的電路我們稱為TTL（Transistor-TransistorLogic）電路。BJT的電路符號長這個樣子：

后來金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的出現(xiàn)，以優(yōu)良的電學(xué)特性,、超低的功耗橫掃IC領(lǐng)域,。除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現(xiàn)在的集成電路都是由MOS管組成的了,。同樣的,，由它也可以搭起來成千上萬種電路。而且它本身也可以經(jīng)過適當(dāng)連接用來作電阻,、電容等基本電路元件,。MOSFET的電路符號如下：

如上所述，在實際工業(yè)生產(chǎn)中,，芯片的制造,，實際上就是成千上萬個晶體管的制造過程。現(xiàn)實中制造芯片的層級順序就要反過來了,，從底層的晶體管開始一層層向上搭建,。基本上,，按照“晶體管-》芯片-》電路板”的順序,，我們終可以得到電子產(chǎn)品的核心部件 —— 電路板。

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集成電路的制造

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首先我們知道,，光刻的大致流程是,，一個晶圓（wafer）（通常直徑為300mm）上涂一層光刻膠，然后光線經(jīng)過一個已經(jīng)刻有電路圖案（pattern）的掩膜版（maskorreticle）照射到晶圓上,，晶圓上的光刻膠部分感光（對應(yīng)有圖案的部分）,，接著做后續(xù)的溶解光刻膠、蝕刻晶圓等處理,。然后再涂一層光刻膠,，重復(fù)上述步驟幾十次，以達(dá)到所需要求,。

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簡化結(jié)構(gòu)請看下圖,。掩膜版和晶圓各自安裝在一個運動平臺上（reticlestageandwaferstage）。光刻時,，兩者運動到規(guī)定的位置,，光源打開。光線通過掩膜版后,，經(jīng)過透鏡,，該透鏡能夠?qū)㈦娐穲D案縮小至原來的四分之一，然后投射到晶圓上,，使光刻膠部分感光,。

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一塊晶圓上有很多die,，每一個die上都刻有相同的電路圖案，即一塊晶圓可以出產(chǎn)很多芯片,。一個die典型的尺寸是26×32mm,。

光刻機(jī)主要有兩種，一種叫做stepper,，即掩膜版和晶圓上的某一個die運動到位后,，光源開、閉,，完成一次光刻,，然后晶圓運動使得下一個die到位，再進(jìn)行一次光刻,，依此類推,。

而另一種光刻機(jī)叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區(qū)域內(nèi),，光刻時,，掩膜版和晶圓同時運動，使光線以掃描的方式掃過一個die的區(qū)域,，從而將電路圖案刻在晶圓上（見下圖（b））,。

scanner比stepper的優(yōu)勢在于，可以提供更大的die的尺寸,。其原因在于,，對于一個固定尺寸的圓透鏡，比如直徑32mm的圓（指投射后的區(qū)域大?。?，其允許透過的光線的區(qū)域尺寸是受限的。

若采用stepper的step-and-expose方式進(jìn)行光刻,，一個die的區(qū)域必須能被包含在直徑32mm的圓中,，因此能獲得的大的die的尺寸為22×22mm；若采用scanner的step-and-scan方式,，透鏡能夠提供的矩形區(qū)域長度可以到26mm（26×8mm）甚至更長,，將光縫設(shè)置為這個尺寸，使用掃描的方式便可以獲得26×Lmm的區(qū)域（L為掃描長度）,。區(qū)域示意見下圖（a）。同樣的透鏡在stepper下可以實現(xiàn)更大區(qū)域的意義在于,，當(dāng)你需要生產(chǎn)尺寸較大的芯片的時候,，換一個更大的透鏡的費用是昂貴的。

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Scanner的step-and-scan過程的示意圖如下：

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為了使每層的電路相互之間不發(fā)生干涉,，需要對上下平臺進(jìn)行精密運動控制,。掃描時上下平臺應(yīng)處于勻速運動階段,。目前小的層疊誤差小于2nm（單個機(jī)器內(nèi)）或3nm（不同機(jī)器間）。

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光源的波長一般為365,、248,、193、157甚至13.5nm（EUV,，ExtremeUltraviolet）,。因為光刻過程受到衍射限制，光源波長越小,，能夠做出的芯片尺寸就越小,。

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在透鏡和晶圓之間加入折射率大于1的液體（如水），可以減小光線波長,，從而提高NA（數(shù)值孔徑）和分辨率,。這種光刻機(jī)叫浸潤式（immersion）光刻機(jī)。

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世界上做光刻機(jī)的廠家主要有ASML,、Nikon和Canon,。佳能大概已經(jīng)不行了。Nikon每年開個會叫做LithoVision,。

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集成電路的封裝形式

SOP小外形封裝

SOP,，也可以叫做SOL和DFP，是一種很常見的元器件形式,。同時也是表面貼裝型封裝之一,，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀（L字形）。封裝材料分塑料和陶瓷兩種,。始于70年代末期,。

SOP封裝的應(yīng)用范圍很廣，除了用于存儲器LSI外,，還輸入輸出端子不超過10-40的領(lǐng)域里,，SOP都是普及廣泛的表面貼裝封裝。后來,，為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要,，也逐漸派生出SOJ、SSOP,、TSSOP,、SOIC等一些小外形封裝。

PGA插針網(wǎng)格陣列封裝

PGA芯片封裝形式常見于微處理器的封裝,，一般是將集成電路（IC）包裝在瓷片內(nèi),，瓷片的底部是排列成方形的插針，這些插針就可以插入或焊接到電路板上對應(yīng)的插座中,，非常適合于需要頻繁插波的應(yīng)用場合,。對于同樣管腳的芯片,，PGA封裝通常要比過去常見的雙列直插封裝需用面積更小。

PGA封裝具有插撥操作更方便,，可靠性高及可適應(yīng)更高的頻率的特點,，早期的奔騰芯片、InTel系列CPU中的80486和Pentium,、PentiumPro均采用這種封裝形式,。

BGA球柵陣列封裝

BGA封裝是從插PGA插針網(wǎng)格陣列改良而來，是一種將某個表面以格狀排列的方式覆滿引腳的封裝法,，在運作時即可將電子訊號從集成電路上傳導(dǎo)至其所在的印刷電路板,。在BGA封裝下，在封裝底部處引腳是由錫球所取代,，這些錫球可以手動或透過自動化機(jī)器配置,，并透過助焊劑將它們定位。

BGA封裝能提供比其他如雙列直插封裝或四側(cè)引腳扁平封裝所容納更多的接腳,，整個裝置的地步表面可作為接腳使用,，比起周圍限定的封裝類型還能具有更短的平均導(dǎo)線長度，以具備更加的高*能,。

DIP雙列直插式封裝

所謂DIP雙列直插式封裝,，是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路IC均采用這種封裝形式,，其引腳數(shù)一般不超過100個,。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上,。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應(yīng)特別小心,，以免損壞引腳。