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integrated circuit

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目录·介绍
·集成电路的发展
·IC的普及
·分类
·制造
·封装
在电子学中,集成电路(英语:integrated circuit,也称为 IC、microcircuit、microchip、silicon chip、或chip)是一种小型化的电路(主要包括半导体设备,也包括被动元件),制造在半导体材料的表面的基层上──即为晶圆。
混合集成电路是由独立半导体设备和被动元件,集成到底层或线路板构成的小型化电路。
本文关于单片集成电路。
·介绍Top

实验发现表明半导体设备可以实现真空管的功能,以及20世纪中期的半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用不连续的电子元件,集成很大数量的微晶体管到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化IC 代替了设计使用离散晶体管。
IC 对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的元件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于元件快速开关,消耗更低能量,因为元件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm?,每mm?可以达到一百万个晶体管。
·集成电路的发展Top

最先进的集成电路是微处理器或"cores",可以控制电脑到手机到数字微波炉的一切。内存和ASIC是其他集成电路家族的例子,对于现代信息社会非常重要。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个IC的成本最小化。IC的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。
这些年来,IC 持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能-见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每两年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了-单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC不是没有问题,主要是泄漏电流(leakage current)。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图(ITRS)中有很好的描述。
·IC的普及Top

仅仅在其开发后半个世纪,集成电路变得无处不在,电脑,手机和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分。这是因为,现代计算,交流,制造和交通系统,包括互联网,全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。


·分类Top

集成电路可以分为:模拟电路,数字电路和混合信号集成电路(模拟和数字在一个芯片上)。
数字电路可以包含任何东西,在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门,正反器,多路复用期和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比,有更高速度,更低功耗并降低了制造成本。这些数字IC, 以微处理器,数字信号处理器(DSP)和微控制器为代表,工作中使用二进制,处理1和0信号。
模拟电路,例如传感器,电源控制电路和运放,处理模拟信号。完成放大,滤波,解调,混频的功能等。模拟电路通过专业的模拟电路设计而不是通过尝试来设计困难的模拟电路,减轻了电路设计师的重担。
IC可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上创造功能,如模拟数字转换(A/D converter)和数字模拟转换(D/A converter)。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本,但是对于信号冲突必须小心。


·制造Top

从19世纪30年代开始,元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室的William Shockley认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜到锗,再到硅,原料在19世纪40年代到50年代被系统的研究。今天,尽管元素中期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如:发光二极管,激光,太阳能电池和最高速集成电路,单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。
半导体IC通过层的方法制造,包括以下关键步骤:
成像
沉积
蚀刻
单晶硅晶圆(或对于特殊应用,silicon on sapphire或砷化镓)用作基层。使用影像技术标明基层上不同的区域,这些区域将被掺杂质或是多晶硅,绝缘体或金属(以铝为代表)的轨迹,在上面沉积。
IC 由很多重叠的层组成,每层由影像技术定义,通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层(成为扩散层),一些定义哪里额外的离子灌输(灌输层),一些定义导体(多晶硅或金属层),一些定义传导层之间的连接(过孔或接触层)。所有的元件由这些层的特定组合构成。
在一个自排列(CMOS)过程中,所有门层(多晶硅或金属)穿过扩散层的地方形成晶体管。
电阻结构,电阻结构的长宽比,结合表面电阻系数,决定电阻。
电容结构,由于尺寸限制,在IC上只能产生很小的电容。
更为少见的电感结构,可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。
因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换,CMOS设备比双级元件消耗的电流少很多。
随机存取存储器(random access memory)是最常见类型的集成电路,所以密度最高的设备是存储器,但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂-几十年芯片来宽度一直减少-但集成电路的层依然比宽度薄很多。元件层的制作非常象照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光元件层,因为他们太大了。高频光子(通常是紫外线)被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小,对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说,电子显微镜是必要工具。
在使用自动测试设备(ATE)包装前,每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块,每个被称为“die”。每个好的die 被焊在“pads”上的铝线或金线,连接到封装内,pads通常在die的边上。封装之后,设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本产品的制造成本的25%,但是对于低产出,大型和/或高成本的设备,可以忽略不计。
在2005年,一个制造厂(通常称为半导体工厂)建设费用要超过10亿美金,因为大部分操作是自动化的。最先进的过程用到了以下技术: 晶圆直径达到了300mm(比通常的餐盘要宽) 使用65纳米或更小的制程。Intel, IBM, NEC和AMD在他们的CPU上,使用45纳米技术。 用铜线代替铝进行互相连接 Low-k 电介质绝缘体 Silicon on insulator (SOI) IBM的Strained silicon directly on insulator (SSDOI)


·封装Top

最早的集成电路使用陶瓷扁平封装,这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装(dual in-line package DIP),开始是陶瓷,之后是塑料。20世纪80年代,VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制,导致插针网格阵列和leadless chip carrier(LCC)的出现。表面贴的封装在20世纪80年代初期出现,在80年代后期开始流行。他使用更细的脚间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)为例,比相等的 DIP 面积少30-50%,厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出,引脚间距为0.05英寸。
Small-Outline Integrated Circuit (SOIC) 和PLCC封装。20世纪90年代,尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP 和thin small-outline package(TSOP)成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理器现在从PGA封装转到了land grid array (LGA)封装。
Ball grid array (BGA) 封装从20世纪70年代开始出现。20世纪90年代开发了比其他封装有更多管脚数的Flip-chip Ball Grid Array(FCBGA)封装。在FCBGA封装中,die被上下翻转(flipped)安装,通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列(称为I/O区域)分布在整个die的表面,而不是限制于die的外围。
与芯片内的信号相比,信号从die中出发,穿过封装,进入印刷电路板,有非常不同的电参数。这需要特殊的设计技巧,比限制在芯片内的信号需要更多的电能。
当把多个die放在一个封装内,称为System In Package (SIP),当把多个die集成在一个小的基层上,通常是陶瓷,称为MCM或Multi-Chip Module。一个大型的MCM和一个小的印刷电路板之间的区别是模糊地。

集成电路集成电路(Integrated Circuit, 通常简称 IC)是指将很多微电子器件电路集成在芯片上的一种高级微电子器件。通常使用硅为基础材料,在上面通过扩散或渗透技术形成 N型半导体和 P型半导体及 PN结。也有使用锗为基础材料,但比起硅需要较高之切入电压。实验室中也有以砷化镓(GaAs)为基材的芯片,性能远超硅芯片,适合通信上之高频应用,但是不易量产,价格过高,并且砷具有毒性,废弃时处理不易。
第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。
根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:
小规模集成电路 ( SSI 英文全名为 Small-Scale Integration, 几十个逻辑门以内)。
中规模集成电路 ( MSI 英文全名为 Medium-Scale Integration, 几百个逻辑门)。
大规模集成电路 ( LSI 英文全名为 Large-Scale Integration, 几万个逻辑门)。
甚大规模集成电路 ( VLSI 英文全名为 Very-large-scale integration, 几十万个逻辑门以上)。
超大规模集成电路 ( ULSI 英文全名为 Ultra-Large Scale Integration, 百万个逻辑门以上)。
而根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路和数字集成电路。




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集成电路    电子元件    电子工程    电机工程    自动控制    

参考资料
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贡献者
葱爆羊肉    


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