干货 | 终于明白集成电路的工作原理了!
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什么是集成电路
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集成电路的分类
功能结构
模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号(指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等),其输入信号和输出信号成比例关系。
而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号)。
制作工艺
集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。
膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。
集成度高低
SSIC小规模集成电路(SmallScaleIntegratedcircuits)
MSIC中规模集成电路(MediumScaleIntegratedcircuits)
LSIC大规模集成电路(LargeScaleIntegratedcircuits)
VLSIC超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegratedcircuits)
ULSIC特大规模集成电路(UltraLargeScaleIntegratedcircuits)
GSIC巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(GigaScaleIntegration)。
导电类型不同
双极型集成电路的制作工艺复杂,功耗较大,代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单,功耗也较低,易于制成大规模集成电路,代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。
按用途
按应用领域
集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。
按外形
集成电路按外形可分为圆形(金属外壳晶体管封装型,一般适合用于大功率)、扁平型(稳定性好,体积小)和双列直插型。
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集成电路的结构和组成
集成电路(integratedcircuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。
系统级
模块级
寄存器传输级(RTL)
现实中,我们需要时钟来衡量时间长短,电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度,电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作,履行义务。
一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。
门级
晶体管级
早期的时候双极性晶体管(BJT)用的比较多,俗称三极管。它连上电阻、电源、电容,本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样,可以用它构成各种各样的电路,比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL(Transistor-TransistorLogic)电路。BJT的电路符号长这个样子:
如上所述,在实际工业生产中,芯片的制造,实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了,从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。基本上,按照“晶体管-》芯片-》电路板”的顺序,我们最终可以得到电子产品的核心部件 —— 电路板。
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集成电路的制造
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光刻机主要有两种,一种叫做stepper,即掩膜版和晶圆上的某一个die运动到位后,光源开、闭,完成一次光刻,然后晶圆运动使得下一个die到位,再进行一次光刻,依此类推。
而另一种光刻机叫做scanner,即光线被限制在一条缝的区域内,光刻时,掩膜版和晶圆同时运动,使光线以扫描的方式扫过一个die的区域,从而将电路图案刻在晶圆上(见下图(b))。
scanner比stepper的优势在于,可以提供更大的die的尺寸。其原因在于,对于一个固定尺寸的圆透镜,比如直径32mm的圆(指投射后的区域大小),其允许透过的光线的区域尺寸是受限的。
若采用stepper的step-and-expose方式进行光刻,一个die的区域必须能被包含在直径32mm的圆中,因此能获得的最大的die的尺寸为22×22mm;若采用scanner的step-and-scan方式,透镜能够提供的矩形区域长度可以到26mm(26×8mm)甚至更长,将光缝设置为这个尺寸,使用扫描的方式便可以获得26×Lmm的区域(L为扫描长度)。区域示意见下图(a)。同样的透镜在stepper下可以实现更大区域的意义在于,当你需要生产尺寸较大的芯片的时候,换一个更大的透镜的费用是昂贵的。
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集成电路的封装形式
SOP小外形封装
SOP,也可以叫做SOL和DFP,是一种很常见的元器件形式。同时也是表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。封装材料分塑料和陶瓷两种。始于70年代末期。
SOP封装的应用范围很广,除了用于存储器LSI外,还输入输出端子不超过10-40的领域里,SOP都是普及最广泛的表面贴装封装。后来,为了适应生产的需要,也逐渐派生出SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC等一些小外形封装。
PGA插针网格阵列封装
PGA芯片封装形式常见于微处理器的封装,一般是将集成电路(IC)包装在瓷片内,瓷片的底部是排列成方形的插针,这些插针就可以插入或焊接到电路板上对应的插座中,非常适合于需要频繁插波的应用场合。对于同样管脚的芯片,PGA封装通常要比过去常见的双列直插封装需用面积更小。
PGA封装具有插拨操作更方便,可靠性高及可适应更高的频率的特点,早期的奔腾芯片、InTel系列CPU中的80486和Pentium、PentiumPro均采用这种封装形式。
BGA球栅阵列封装
BGA封装能提供比其他如双列直插封装或四侧引脚扁平封装所容纳更多的接脚,整个装置的地步表面可作为接脚使用,比起周围限定的封装类型还能具有更短的平均导线长度,以具备更加的高速效能。
DIP双列直插式封装
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