簡述集成電路的工作原理

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。

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)/模混合集成電路三大類。

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(hào)（指幅度隨時(shí)間變化的信號(hào)。例如半導(dǎo)體收音機(jī)的音頻信號(hào)、錄放機(jī)的磁帶信號(hào)等），其輸入信號(hào)和輸出信號(hào)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(hào)（指在時(shí)間上和幅度上離散取值的信號(hào)。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(hào)和視頻信號(hào)）。

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極大規(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(bào)警器用集成電路及各種專用集成電路。

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)通用集成電路和專用集成電路。

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，體積小）和雙列直插型。

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(gè)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(gè)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(gè)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(jí)來認(rèn)識(shí)集成電路，這樣便于理解，也更有條理些。

系統(tǒng)級(jí)

以手機(jī)為例，整個(gè)手機(jī)是一個(gè)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(gè)芯片以及電阻、電感、電容相互連接而成，稱為系統(tǒng)級(jí)。（當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，將一整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)多年——SoC技術(shù)）

模塊級(jí)

在整個(gè)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(jì)算，等等。我們稱為模塊級(jí)。這里面每一個(gè)模塊都是一個(gè)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(jí)（RTL）

那么每個(gè)模塊都是由什么組成的呢？以占整個(gè)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(yùn)算，處理的電信號(hào)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(gè)能夠暫時(shí)存儲(chǔ)邏輯值的電路結(jié)構(gòu)，它需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來控制邏輯值存儲(chǔ)的時(shí)間長短。

現(xiàn)實(shí)中，我們需要時(shí)鐘來衡量時(shí)間長短，電路中也需要時(shí)鐘信號(hào)來統(tǒng)籌安排。時(shí)鐘信號(hào)是一個(gè)周期穩(wěn)定的矩形波?，F(xiàn)實(shí)中秒鐘動(dòng)一下是我們的一個(gè)基本時(shí)間尺度，電路中矩形波震蕩一個(gè)周期是它們世界的一個(gè)時(shí)間尺度。電路元件們根據(jù)這個(gè)時(shí)間尺度相應(yīng)地做出動(dòng)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(gè)串聯(lián)的燈泡，各帶一個(gè)開關(guān)，只有兩個(gè)開關(guān)都打開，燈才會(huì)亮，這叫做與邏輯。

一個(gè)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(jí)叫做寄存器傳輸級(jí)。

圖中的三角形加一個(gè)圓圈是一個(gè)非門，旁邊的器件是一個(gè)寄存器，D是輸入，Q是輸出，clk端輸入時(shí)鐘信號(hào)。

門級(jí)

寄存器傳輸級(jí)中的寄存器其實(shí)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(jí)（它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號(hào)的進(jìn)出，因而得名）。

晶體管級(jí)

無論是數(shù)字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級(jí)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(gè)個(gè)晶體管構(gòu)成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達(dá)到最底層，滿眼望去其實(shí)全是晶體管以及連接它們的導(dǎo)線。

早期的時(shí)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(hào)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(hào)長這個(gè)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(hào)如下：

如上所述，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，芯片的制造，實(shí)際上就是成千上萬個(gè)晶體管的制造過程?，F(xiàn)實(shí)中制造芯片的層級(jí)順序就要反過來了，從最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，我們最終可以得到電子產(chǎn)品的核心部件 —— 電路板。

集成電路的制造

首先我們知道，光刻的大致流程是，一個(gè)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(gè)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(duì)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。

簡化結(jié)構(gòu)請(qǐng)看下圖。掩膜版和晶圓各自安裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上（reticlestageandwaferstage）。光刻時(shí)，兩者運(yùn)動(dòng)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。

一塊晶圓上有很多die，每一個(gè)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(gè)die典型的尺寸是26×32mm。

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

而另一種***叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區(qū)域內(nèi)，光刻時(shí)，掩膜版和晶圓同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使光線以掃描的方式掃過一個(gè)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(duì)于一個(gè)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(gè)die的區(qū)域必須能被包含在直徑32mm的圓中，因此能獲得的最大的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(gè)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(shí)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(shí)候，換一個(gè)更大的透鏡的費(fèi)用是昂貴的。

Scanner的step-and-scan過程的示意圖如下：

為了使每層的電路相互之間不發(fā)生干涉，需要對(duì)上下平臺(tái)進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)控制。掃描時(shí)上下平臺(tái)應(yīng)處于勻速運(yùn)動(dòng)階段。目前最小的層疊誤差小于2nm（單個(gè)機(jī)器內(nèi)）或3nm（不同機(jī)器間）。

光源的波長一般為365、248、193、157甚至13.5nm（EUV，ExtremeUltraviolet）。因?yàn)楣饪踢^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。

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***叫浸潤式（immersion）***。

世界上做高端***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(gè)會(huì)叫做LithoVision。

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(shí)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(chǔ)器LSI外，還輸入輸出端子不超過10-40的領(lǐng)域里，SOP都是普及最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(duì)應(yīng)的插座中，非常適合于需要頻繁插波的應(yīng)用場合。對(duì)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(diǎn)，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(gè)表面以格狀排列的方式覆滿引腳的封裝法，在運(yùn)作時(shí)即可將電子訊號(hào)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(dòng)或透過自動(dòng)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(gè)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，以具備更加的高速效能。

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(gè)。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(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。