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

功能結構

集成電路，又稱為IC，按其功能、結構的不同，可以分為模擬集成電路、數字集成電路和數/模混合集成電路三大類。

模擬集成電路又稱線性電路，用來產生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間變化的信號。例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關系。

而數字集成電路用來產生、放大和處理各種數字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如3G手機、數碼相機、電腦CPU、數字電視的邏輯控制和重放的音頻信號和視頻信號）。

制作工藝

集成電路按制作工藝可分為半導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小規模集成電路（SmallScaleIntegratedcircuits）
• MSIC中規模集成電路（MediumScaleIntegratedcircuits）
• LSIC大規模集成電路（LargeScaleIntegratedcircuits）
• VLSIC超大規模集成電路（VeryLargeScaleIntegratedcircuits）
• ULSIC特大規模集成電路（UltraLargeScaleIntegratedcircuits）
• GSIC巨大規模集成電路也被稱作極大規模集成電路或超特大規模集成電路（GigaScaleIntegration）。

導電類型不同

集成電路按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路，他們都是數字集成電路。

雙極型集成電路的制作工藝復雜，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用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦（微機）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。

按應用領域

集成電路按應用領域可分為標準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（穩定性好，體積小）和雙列直插型。

集成電路的結構和組成

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體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；其中所有元件在結構上已組成一個整體，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了一大步。

一般的，我們用由上而下的層級來認識集成電路，這樣便于理解，也更有條理些。

系統級

以手機為例，整個手機是一個復雜的電路系統，它可以打電話、可以玩游戲、可以聽音樂、可以...... 它由多個芯片以及電阻、電感、電容相互連接而成，稱為系統級。（當然，隨著技術的發展，將一整個系統做在一個芯片上的技術也已經出現多年——SoC技術）

模塊級

在整個系統中分為很多功能模塊各司其職。有的管理電源，有的負責通信，有的負責顯示，有的負責發聲，有的負責統領全局的計算，等等。我們稱為模塊級。這里面每一個模塊都是一個宏大的領域，都聚集著無數人類智慧的結晶，也養活了很多公司。

寄存器傳輸級（RTL）

那么每個模塊都是由什么組成的呢？以占整個系統較大比例的數字電路模塊（它專門負責進行邏輯運算，處理的電信號都是離散的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能夠暫時存儲邏輯值的電路結構，它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短。

現實中，我們需要時鐘來衡量時間長短，電路中也需要時鐘信號來統籌安排。時鐘信號是一個周期穩定的矩形波。現實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度，電路中矩形波震蕩一個周期是它們世界的一個時間尺度。電路元件們根據這個時間尺度相應地做出動作，履行義務。

組合邏輯呢，就是由很多“與（AND）、或（OR）、非（NOT）”邏輯門構成的組合。比如兩個串聯的燈泡，各帶一個開關，只有兩個開關都打開，燈才會亮，這叫做與邏輯。

一個復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。把這一層級叫做寄存器傳輸級。

圖中的三角形加一個圓圈是一個非門，旁邊的器件是一個寄存器，D是輸入，Q是輸出，clk端輸入時鐘信號。

門級

寄存器傳輸級中的寄存器其實也是由與或非邏輯構成的，把它再細分為與、或、非邏輯，便到達了門級（它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號的進出，因而得名）。

晶體管級

無論是數字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級了。所有的邏輯門（與、或、非、與非、或非、異或、同或等等）都是由一個個晶體管構成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達到最底層，滿眼望去其實全是晶體管以及連接它們的導線。

早期的時候雙極性晶體管（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的作用。像堆積木一樣，可以用它構成各種各樣的電路，比如開關、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構建的電路我們稱為TTL（Transistor-TransistorLogic）電路。BJT的電路符號長這個樣子：

后來金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的出現，以優良的電學特性、超低的功耗橫掃IC領域。除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現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過適當連接用來作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下：

如上所述，在實際工業生產中，芯片的制造，實際上就是成千上萬個晶體管的制造過程。現實中制造芯片的層級順序就要反過來了，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，一個晶圓（wafer）（通常直徑為300mm）上涂一層光刻膠，然后光線經過一個已經刻有電路圖案（pattern）的掩膜版（maskorreticle）照射到晶圓上，晶圓上的光刻膠部分感光（對應有圖案的部分），接著做后續的溶解光刻膠、蝕刻晶圓等處理。然后再涂一層光刻膠，重復上述步驟幾十次，以達到所需要求。

簡化結構請看下圖。掩膜版和晶圓各自安裝在一個運動平臺上（reticlestageandwaferstage）。光刻時，兩者運動到規定的位置，光源打開。光線通過掩膜版后，經過透鏡，該透鏡能夠將電路圖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die上都刻有相同的電路圖案，即一塊晶圓可以出產很多芯片。一個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die運動到位后，光源開、閉，完成一次光刻，然后晶圓運動使得下一個die到位，再進行一次光刻，依此類推。

而另一種***叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區域內，光刻時，掩膜版和晶圓同時運動，使光線以掃描的方式掃過一個die的區域，從而將電路圖案刻在晶圓上（見下圖（b））。

scanner比stepper的優勢在于，可以提供更大的die的尺寸。其原因在于，對于一個固定尺寸的圓透鏡，比如直徑32mm的圓（指投射后的區域大小），其允許透過的光線的區域尺寸是受限的。

若采用stepper的step-and-expose方式進行光刻，一個die的區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域長度可以到26mm（26×8mm）甚至更長，將光縫設置為這個尺寸，使用掃描的方式便可以獲得26×Lmm的區域（L為掃描長度）。區域示意見下圖（a）。同樣的透鏡在stepper下可以實現更大區域的意義在于，當你需要生產尺寸較大的芯片的時候，換一個更大的透鏡的費用是昂貴的。

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生干涉，需要對上下平臺進行精密運動控制。掃描時上下平臺應處于勻速運動階段。目前最小的層疊誤差小于2nm（單個機器內）或3nm（不同機器間）。

光源的波長一般為365、248、193、157甚至13.5nm（EUV，ExtremeUltraviolet）。因為光刻過程受到衍射限制，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。佳能大概已經不行了。Nikon每年開個會叫做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。同時也是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀（L字形）。封裝材料分塑料和陶瓷兩種。始于70年代末期。

SOP封裝的應用范圍很廣，除了用于存儲器LSI外，還輸入輸出端子不超過10-40的領域里，SOP都是普及最廣泛的表面貼裝封裝。后來，為了適應生產的需要，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，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應的插座中，非常適合于需要頻繁插波的應用場合。對于同樣管腳的芯片，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，可靠性高及可適應更高的頻率的特點，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插針網格陣列改良而來，是一種將某個表面以格狀排列的方式覆滿引腳的封裝法，在運作時即可將電子訊號從集成電路上傳導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，這些錫球可以手動或透過自動化機器配置，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引腳扁平封裝所容納更多的接腳，整個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，絕大多數中小規模集成電路IC均采用這種封裝形式，其引腳數一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特別小心，以免損壞引腳。