集成电路
集成电路（英語：integrated circuit, IC，台湾作積體電路，日本、韓國作集積回路），指的是在電子學中是一種將電路（主要包括半導體裝置，也包括被動元件等）集中製造在半導體晶圓表面上的小型化方式。
| 「integrated circuit」的各地常用譯名 | |
|---|---|
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| 中国大陸 | 集成电路 |
| 臺灣 | 積體電路 |
| 港澳 | 集成電路 |
| 日本 | 集積回路 |
| 韓國 | 集積回路 (집적 회로) |
| 「microchip」的各地常用譯名 | |
|---|---|
| 中国大陸 | 微芯片 |
| 臺灣 | 微晶片 |
| 港澳 | 微芯片 |
前述將電路製造在半導體晶片表面上的積體電路，又稱薄膜（thin-film）積體電路。另有一種厚膜（thick-film）集成电路（hybrid integrated circuit）[1][註 1]是由独立半导体设备和被动元件集成到基板或线路板所构成的小型化电路[註 2]。
别称
编辑積體電路的別稱非常多，在中文和英文裏可直接稱它為「芯片（英語：chip，台湾作晶片）」，或是“集成电路（英語：integrated circuit）”，縮寫為“IC”；也可用“微芯片（microchip）”、“微電路（microcircuit）”等用词称呼。在日文和韓文裏則是寫為“集積回路”；在荷蘭文裏寫為“Geïntegreerde schakeling”；在德文裏寫為“integrierter Schaltkreis”。
介绍
编辑電晶體發明並大量生產之後，各式固態半導體元件如二極體、電晶體等大量使用，取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世纪中後期半导体制造技术进步，便使集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用個別的分立电子元件，積體電路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，是一个巨大的进步。集成电路凭借标准化、可大规模生产、高可靠性、电路设计可模块化等特点，实现了对离散晶体管的取代。
從1949年到1957年，維爾納·雅各比、傑佛理·杜莫、西德尼·达林顿、樽井康夫都開發出了原型，現代的積體電路則是由傑克·基爾比在1958年發明，並因此榮獲2000年諾貝爾物理獎。同時間發展出近代實用的積體電路的羅伯特·諾伊斯，卻早在1990年就過世。
集成电路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 mm²，每mm²可以达到一百万个晶体管。
第一個集成電路雛形是由傑克·基爾比於1958年完成的，其中包括一個雙極性晶體管，三個電阻和一個電容器，相較於現今科技的尺寸來講，體積相當龐大。
根據一個芯片上集成的微電子器件的數量，集成電路可以分為以下幾類：
- 小型積體電路（SSI, Small Scale Integration）邏輯閘10個以下或 電晶體100個以下。
- 中型積體電路（MSI, Medium Scale Integration）邏輯閘11~100個或 電晶體101~1k個。
- 大型積體電路（LSI, Large Scale Integration）邏輯閘101~1k個或 電晶體1,001~10k個。
- 超大型積體電路（VLSI, Very Large Scale Integration）邏輯閘1,001~10k個或 電晶體10,001~100k個。
- 極大型積體電路（ULSI, Ultra Large Scale Integration）邏輯閘10,001~1M個或 電晶體100,001~10M個。
- 巨大規模積體電路（GSI, Giga Scale Integration）逻辑门1,000,001個以上或電晶體10,000,001個以上。
发展
编辑最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制一切電路，從數字微波爐、手機到電腦。記憶體和特定應用積體電路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，但是当成本分散到数以百万计的产品上时，每个集成電路的成本便能最小化。集成電路的性能很高，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，集成电路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1.5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，主要是洩漏电流。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中有很好的描述。
普及
编辑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。甚至有很多学者认为集成电路带来的數位革命是人类历史中最重要的事件。IC的成熟將會帶來科技的大躍進，不論是在設計的技術上，或是半導體的製程突破，兩者都是息息相關。
分类
编辑
集成电路的分類方法很多，依照電路屬類比或數位，可以分为：類比積體電路、數位積體電路和混合訊號積體電路（類比和數位在一个芯片上）。
數位積體電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、多工器和其他电路。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（参见低功耗设计）并降低了制造成本。这些数字IC，以微处理器、数字信号处理器和微控制器为代表，工作中使用二进制，处理1和0信号。
類比積體電路有，例如传感器、电源控制电路和运放，处理類比訊號。完成放大、滤波、解调、混频的功能等。通过使用专家所設計、具有良好特性的類比積體電路，减轻了电路设计师的重担，不需凡事再由基礎的一個個電晶體處設計起。
集成电路可以把類比和數位电路集成在一个单芯片上，以做出如類比數位轉換器和數位類比轉換器等器件。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
编辑从1930年代开始，元素周期表化学元素中的半导体被諸如贝尔实验室威廉·肖克利（William Shockley）的研究者认为是最適合做固态真空管的原料。這些原料在1940至50年代被系統地研究，从氧化铜開始，然後到锗，再到硅。現今，单晶硅是集成电路的主要基层，尽管元素週期表中的一些III-V价化合物（比如砷化镓）有特殊用途，例如发光二极管、激光、太阳能电池和最高速集成电路。發現无缺陷晶体的製造方法需要数十年的时间。
半导体集成电路製程，包括以下步骤，並重複使用：
使用单晶硅晶圆（或III-V族，如砷化镓）用作基层，然後使用光刻、掺杂、CMP等技術製成MOSFET或BJT等元件，再利用薄膜和CMP技術製成導線，如此便完成晶片製作。因產品效能需求及成本考量，導線可分為鋁製程（以濺鍍為主）和銅製程（以電鍍為主參見Damascene）。[2][3][4]主要的製程技術可以分為以下幾大類：黃光微影、蝕刻、擴散、薄膜、平坦化製成、金屬化製成。
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设备比双极型元件（如双极性晶体管）消耗的电流少很多，也是現在主流的元件。透過電路的設計，将多顆的電晶體管畫在矽晶圓上，就可以畫出不同作用的集成电路。
随机存取存储器是最常见类型的集成电路，所以密度最高的设备是記憶體，但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂－几十年来芯片宽度一直减少－但集成电路的层依然比宽度薄很多。元件层的制作非常像照相过程。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，每个被称为晶片（“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，常簡稱fab，指fabrication facility）建设费用要超过10亿美元，因为大部分操作是自动化的。
封装
编辑
最早的集成電路使用陶瓷扁平封裝，这種封装很多年来因為可靠性和小尺寸繼續被軍方使用。商用電路封装很快轉變到雙列直插封裝，簡單來說，即開始是陶瓷，之後是塑料。1980年代，VLSI电路的針腳超過了DIP封装的應用限制，最後導致插針網格陣列和芯片載體的出现。
表面贴着封装在1980年代初期出现，該年代后期开始流行。它的針腳使用更细的間距，引脚形状為海鷗翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit（SOIC）为例，比相等的DIP面积少30－50%，厚度少70%。这种封装在两个長邊有海鷗翼型引脚突出，引脚間距为0.05英寸。
Small-Outline Integrated Circuit（SOIC）和PLCC封装。1990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（Pine Grid Array）封装转到了平面网格阵列封装（Land Grid Array，LGA）封装。
球柵陣列封裝封装从1970年代开始出现，1990年代开发了比其他封装有更多管脚数的覆晶球柵陣列封裝封装。在FCBGA封装中，晶片被上下翻转（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）分布在整个晶片的表面，而不是限制于晶片的外围。
如今的市場，封裝採用技術與特性已經非常複雜，也已經是獨立出來的一環，封裝的技術也會影响到產品的品質及良率。
報刊
编辑- 2014年9月12日，科技新報（TechNews）發表《積體電路發明56週年紀念——誕生之路》一文，向大眾簡介「積體電路」興起過程。[5]
注释
编辑参考文献
编辑- 引用
- ^ 1.0 1.1 拼合積體電路 hybrid integrated circuit （页面存档备份，存于互联网档案馆）、併合積體電路 hybrid integrated circuit - 2003年6月《資訊與通信術語辭典》 （页面存档备份，存于互联网档案馆），國家教育研究院
- ^ 存档副本. [2014-09-20]. （原始内容存档于2010-12-04）.
- ^ 存档副本. [2014-09-20]. （原始内容存档于2014-08-17）.
- ^ 存档副本. [2014-09-20]. （原始内容存档于2021-02-07）.
- ^ 積體電路發明 56 週年紀念——誕生之路. TechNews 科技新報. 2014年9月12日 [2014年9月13日]. （原始内容存档于2021年2月7日） （中文）.
延伸閱讀
编辑- The first monolithic integrated circuits
- Who invented the IC? （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Baker, R. J. CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, Third Edition. Wiley-IEEE. 2010. ISBN 978-0-470-88132-3. http://cmosedu.com/ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Hodges, David; Jackson, Horace; Saleh, Resve. Analysis and Design of Digital Integrated Circuits. McGraw-Hill Science/Engineering/Math. 2003. ISBN 978-0-07-228365-5.
- Klar, Heinrich; Noll, Tobias. Integrierte Digitale Schaltungen: Vom Transistor zur optimierten Logikschaltung. Springer Vieweg. 2015. ISBN 978-3-540-40600-6.
- Rabaey, J. M.; Chandrakasan, A.; Nikolic, B. Digital Integrated Circuits 2nd. 2003. ISBN 0-13-090996-3.
- Mead, Carver; Conway, Lynn. Introduction to VLSI systems. Addison Wesley Publishing Company. 1980. ISBN 978-0-201-04358-7.
- Veendrick, H. J. M. Nanometer CMOS ICs, from Basics to ASICs. Springer. 2008: 770. ISBN 978-1-4020-8332-7. http://springer.com/cn/book/9781402083327?referer=springer.com
- Arjun N. Saxena. Invention of Integrated Circuits: Untold Important Facts. World Scientific. 2009. ISBN 978-981-281-446-3.
- Veendrick, H.J.M. Bits on Chips. 2011: 253. ISBN 978-1-61627-947-9.https://openlibrary.org/works/OL15759799W/Bits_on_Chips/ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
外部链接
编辑
- 一般
- a large chart listing ICs by generic number （页面存档备份，存于互联网档案馆） including access to most of the datasheets for the parts.
- Marsh, Stephen P. Practical MMIC design. Artech House. 2006. ISBN 978-1-59693-036-0.
- Introduction to Circuit Boards and Integrated Circuits 6/21/2011
- The History of the Integrated Circuit （页面存档备份，存于互联网档案馆） at Nobelprize.org
- 專利
- US3,138,743 – Miniaturized electronic circuit – J. S. Kilby
- US3,138,747 – Integrated semiconductor circuit device – R. F. Stewart
- US3,261,081 – Method of making miniaturized electronic circuits – J. S. Kilby
- US3,434,015 – Capacitor for miniaturized electronic circuits or the like – J. S. Kilby
- 集成電路模具製造
- Zeptobars （页面存档备份，存于互联网档案馆） – Yet another gallery of IC die photographs
- YouTube上的Silicon Chip Wafer Fab Mailbag – A look at some equipment and wafers used in the manufacturing of silicon chip wafers
