一篇文章看懂：集成電路的工作原理

時(shí)間：2022-03-07作者：深圳市清寶科技有限公司瀏覽：230

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什么是集成電路

集成電路，英文縮寫為IC；顧名思義，就是一定數(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接，通過半導(dǎo)體工藝。具有特定功能的集成電路。

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集成電路的分類

功能結(jié)構(gòu)

集成電路又稱集成電路，按其功能和結(jié)構(gòu)可分為模擬集成電路、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，用于產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時(shí)間變化的信號。例如半導(dǎo)體收音機(jī)的音頻信號、錄像機(jī)的磁帶信號等）的比例。

數(shù)字集成電路用于產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時(shí)間和幅度上具有離散值的信號。例如3G手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)CPU、數(shù)字電視邏輯控制和播放音頻信號和視頻信號）。

工藝

集成電路按制造工藝可分為半導(dǎo)體集成電路和薄膜集成電路。

薄膜集成電路又分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。

集成度

集成電路可分為：

SSIC 小型集成電路 ( )

MSIC 中型集成電路 ()

LSIC 大規(guī)模集成電路 ()

VLSIC**大規(guī)模集成電路()

ULSIC**大規(guī)模集成電路（）

GSIC 巨規(guī)模集成電路也稱為**大規(guī)模集成電路或**大規(guī)模集成電路（very very large-scale ）。

不同的導(dǎo)電類型

集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙較集成電路和單較集成電路，兩者均為數(shù)字集成電路。

雙較型集成電路生產(chǎn)工藝復(fù)雜，功耗較大，這意味著集成電路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。單較集成電路的制作工藝簡單，功耗也低集成電路板，易于制成大規(guī)模集成電路。

按目的

集成電路可分為電視機(jī)用集成電路、音響用集成電路、DVD播放機(jī)用集成電路、錄像機(jī)用集成電路、計(jì)算機(jī)（微機(jī)）用集成電路、電子器官用集成電路、通訊用集成電路、集成電路相機(jī)的電路。電路、遙控集成電路、語言集成電路、報(bào)警器集成電路及各種**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。

按形狀

集成電路按形狀可分為圓形（金屬外殼晶體管封裝型，一般適用于大功率）、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 ( ) 是一種微型電子設(shè)備或組件。采用一定的工藝，將電路中所需的晶體管、電阻、電容、電感等元器件和布線互連，制作在一小塊或幾塊小的半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基板上，然后封裝在一個(gè)封裝中。，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元器件在結(jié)構(gòu)上已形成一個(gè)整體，使電子元器件向小型化、低功耗、智能化和高可靠性邁出了一大步。

一般來說，我們使用自上而下的層次結(jié)構(gòu)來理解集成電路，這樣容易理解，有條理。

系統(tǒng)級

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、玩游戲、聽音樂、可以……它由多個(gè)芯片、電阻、電感、電容相互連接組成。稱為系統(tǒng)級。（當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，在芯片上制作整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)也出現(xiàn)了很多年——SoC技術(shù)）

模塊級

在整個(gè)系統(tǒng)中，分為許多功能模塊來執(zhí)行各自的功能。一些管理電源，一些通信，一些顯示，一些說話，一些****計(jì)算，等等。我們稱之為模塊級別。這里的每一個(gè)模塊都是一個(gè)宏大的領(lǐng)域，匯聚著無數(shù)人類智慧的結(jié)晶，也支撐著眾多企業(yè)。

寄存器傳輸級別 (RTL)

那么每個(gè)模塊由什么組成呢？以占整個(gè)系統(tǒng)很大比例的數(shù)字電路模塊（它負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算，處理的電信號為離散0和1）為例。它由寄存器和組合邏輯電路組成所謂寄存器，是一種可以臨時(shí)存儲邏輯值的電路結(jié)構(gòu)，它需要一個(gè)時(shí)鐘信號來控制邏輯值存儲的時(shí)間長短。

在現(xiàn)實(shí)中，我們需要一個(gè)時(shí)鐘來測量時(shí)間長度，在電路中也需要一個(gè)時(shí)鐘信號來進(jìn)行統(tǒng)籌。時(shí)鐘信號是一個(gè)周期性穩(wěn)定的矩形波。實(shí)際上，一秒鐘的運(yùn)動對我們來說是一個(gè)基本的時(shí)間尺度，電路中矩形波振蕩的一個(gè)周期就是他們世界的一個(gè)時(shí)間尺度。電路元件相應(yīng)地采取行動并根據(jù)該時(shí)間尺度履行其義務(wù)。

組合邏輯是許多“與（AND）、或（或）和非（非）”邏輯門的組合。例如，兩個(gè)串聯(lián)的燈泡，每個(gè)都有一個(gè)開關(guān)，只有在兩個(gè)開關(guān)都打開時(shí)才會亮起。這稱為 AND 邏輯。

一個(gè)復(fù)雜的功能模塊就是由這么多的寄存器和組合邏輯組成的。這一層稱為寄存器傳輸層。

圖中三角形加一個(gè)圓圈是NOT門，旁邊的設(shè)備是寄存器，D是輸入，Q是輸出，clk端輸入時(shí)鐘信號。

門平

寄存器傳輸階段的寄存器實(shí)際上是由AND-OR邏輯組成的，它被細(xì)分為AND、OR和NOT邏輯以達(dá)到門級（它們就像阻止/允許電信號進(jìn)出的門一樣），因此名字）。

晶體管級

無論是數(shù)字電路還是模擬電路，底層都是晶體管級。所有邏輯門（AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XOR 等）均由晶體管組成。所以集成電路從宏觀到微觀，到了底層，其實(shí)都是晶體管和連接它們的導(dǎo)線。

早期，雙較晶體管（BJT）的使用較多，俗稱三極管。它接一個(gè)電阻、一個(gè)電源、一個(gè)電容，它本身就具有放大信號的作用。就像積木一樣，它可以用來構(gòu)建各種各樣的電路，例如開關(guān)、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由 BJT 構(gòu)成的電路稱為 TTL(-) 電路。BJT的電路符號如下：

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)異的電特性和**低功耗席卷了IC領(lǐng)域。除了模擬電路中的BJT，目前的集成電路基本上都是由MOS管組成。同樣，可以用它構(gòu)建數(shù)千個(gè)電路。并且通過適當(dāng)?shù)倪B接也可以用作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下：

如前所述，在實(shí)際的工業(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。實(shí)際上，制造芯片的層次順序是顛倒的，從較底層的晶體管開始，逐層構(gòu)建。基本上按照“晶體管->芯片->電路板”的順序，我們終于可以得到電子產(chǎn)品的**部件——電路板。

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集成電路制造

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首先我們知道光刻的一般流程是在晶圓（通常直徑為300mm）上涂上一層光刻膠，然后光線通過已經(jīng)刻有電路圖案（）的掩模（）到達(dá)照射到晶圓上，將晶圓上的光刻膠部分曝光（對應(yīng)有圖案的部分），然后進(jìn)行后續(xù)的光刻膠溶解、晶圓刻蝕等工藝。然后再涂上一層光刻膠，重復(fù)上述步驟數(shù)十次即可達(dá)到要求的要求。

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簡化結(jié)構(gòu)見下圖。標(biāo)線片和晶片各自安裝在移動臺上。光刻時(shí)，兩者移動到*位置，光源開啟。光線穿過掩模版后，通過透鏡，將電路圖案縮小到其原始尺寸的四分之一，然后將其投射到晶圓上，光刻膠在晶圓上部分曝光。

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一個(gè)圓片上有很多裸片，每個(gè)裸片上都刻有相同的電路圖案，也就是一塊圓片可以生產(chǎn)很多芯片。模具的典型尺寸為 26 x 32mm。

光刻機(jī)主要有兩種，一種叫做集成電路板，即在晶圓上的掩膜和裸片移動到位后，打開和關(guān)閉光源，完成一次光刻，然后晶圓移動制作下一個(gè)芯片就位，然后進(jìn)行一次光刻，以此類推。

另一種光刻機(jī)叫做光刻機(jī)，即將光限制在狹縫的區(qū)域內(nèi)。光刻時(shí)，掩模和晶圓同時(shí)移動，使光線以掃描方式掃描裸片區(qū)域，從而形成電路圖案?？淘诰A上（見下圖（b））。

這個(gè)比率的優(yōu)點(diǎn)是可以提供大的芯片尺寸。原因是對于固定尺寸的圓形鏡頭，比如直徑為32mm的圓形（指投影面積的大?。试S通過的光線的面積大小是有限的。

如果采用步進(jìn)曝光法進(jìn)行光刻，一個(gè)die的面積必須包含在一個(gè)直徑為32mm的圓內(nèi)，因此可以得到的較大die尺寸為22×22mm；如果采用步進(jìn)掃描方式，鏡頭所能提供的矩形區(qū)域長度可達(dá)26mm（26×8mm）甚至長。將光學(xué)狹縫設(shè)置為這個(gè)尺寸，用掃描的方法得到面積為26×Lmm（L為掃描長度）。區(qū)域代表性如下圖（a）所示。同一個(gè)鏡頭能做到大面積的一點(diǎn)是，當(dāng)你需要生產(chǎn)大的芯片時(shí)，換大鏡頭的成本是昂貴的。

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步進(jìn)掃描過程示意圖如下：

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為了防止各層電路相互干擾，需要對上下平臺進(jìn)行精確的運(yùn)動控制。掃描時(shí)，上下平臺應(yīng)處于勻速運(yùn)動階段。目前較小的堆疊誤差小于2nm（單機(jī)內(nèi)）或3nm（機(jī)間）。

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光源波長一般為365、248、193、157甚至13.5nm(EUV,)。由于光刻工藝受衍射限制，光源的波長越小，可以制作的芯片尺寸就越小。

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在透鏡和晶片之間添加折射率大于 1 的液體（例如水）會降低光的波長，從而提高 NA（數(shù)值孔徑）和分辨率。這種光刻機(jī)稱為浸沒式()光刻機(jī)。

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****光刻機(jī)廠商主要有ASML、尼康、佳能等。佳能可能已經(jīng)死了。尼康每年都會召開一次會議。

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集成電路封裝形式

SOP小外形封裝

SOP，也稱為SOL和DFP，是一種非常常見的組件形式。它也是表面貼裝封裝之一，引腳從封裝的兩側(cè)引出，呈鷗翼（L形）形狀。包裝材料分為塑料和陶瓷兩種。70年代后期開始。

SOP 封裝具有廣泛的應(yīng)用。SOP除了用于存儲器LSI外，在輸入輸出端子不**過10-40的領(lǐng)域，是較流行的表面貼裝封裝。后來為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，逐漸衍生出SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC等一些小外形封裝。

PGA 引腳網(wǎng)格陣列封裝

PGA芯片封裝在微處理器的封裝中很常見。通常，集成電路（IC）封裝在陶瓷芯片中。陶瓷芯片底部排列成方針。這些引腳可以插入或焊接到電路板上。在相應(yīng)的插座中，非常適合需要頻繁插波的應(yīng)用場合。對于相同引腳排列的芯片，PGA 封裝通常比過去常見的雙列直插式封裝需要少的面積。

PGA封裝具有插拔操作方便、可靠性高、適應(yīng)高頻率等特點(diǎn)。早期的 芯片，InTel 系列 CPU 中的 80486 和 80486 都采用這種封裝形式。

BGA 球柵陣列封裝

BGA 封裝是對 PGA 引腳網(wǎng)格陣列的改進(jìn)。它是一種在表面覆蓋成網(wǎng)格狀排列的引腳的封裝方法，在工作過程中可以將來自集成電路的電子信號傳導(dǎo)到引腳。它所在的印刷電路板。在 BGA 封裝下，封裝底部的引腳被焊球取代，焊球可以手動或通過自動機(jī)器放置并通過助焊劑定位。

BGA 封裝比雙列直插或四引腳扁平封裝等其他封裝可以容納多的引腳，整個(gè)器件的接地面可以用作引腳，并且可以比周圍的封裝類型短。平均線長以獲得高的高速性能。

DIP 雙列直插式封裝

所謂DIP封裝是指以雙列直插形式封裝的集成電路芯片。DIP 封裝的 CPU 芯片有兩排引腳，需要插入具有 DIP 結(jié)構(gòu)的芯片插槽中。DIP封裝的芯片在從芯片插座插拔時(shí)應(yīng)小心處理，以免損壞管腳。


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