第二講集成電路芯片的發(fā)展歷史設(shè)計(jì)與制造

1、第二講第二講 集成電路芯片的發(fā)展歷史、集成電路芯片的發(fā)展歷史、設(shè)計(jì)與制造設(shè)計(jì)與制造北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系王昭順王昭順提綱 集成電路芯片及其發(fā)展歷史集成電路芯片及其發(fā)展歷史 集成電路芯片的設(shè)計(jì)與制造集成電路芯片的設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力，一部分來(lái)自計(jì)算機(jī)理，一部分來(lái)自計(jì)算機(jī)理論的發(fā)展，但論的發(fā)展，但主要來(lái)自集成電路芯片性能的大主要來(lái)自集成電路芯片性能的大幅提高幅提高。 集成電路芯片性能提高大致符合摩爾定律集成電路芯片性能提高大致符合摩爾定律，即處理，即處理器器(CPU)(CPU)的功能和復(fù)雜性每年的功能和復(fù)雜性每年( (其后期減慢為其后期減慢為1818

2、個(gè)月個(gè)月) )會(huì)增加一倍，而成本卻成比例地遞減。會(huì)增加一倍，而成本卻成比例地遞減。 集成電路生產(chǎn)工藝的提高，縮小了單管的尺寸，提集成電路生產(chǎn)工藝的提高，縮小了單管的尺寸，提高了芯片的集成度與工作頻率，降低了工作電壓高了芯片的集成度與工作頻率，降低了工作電壓。1 集成電路芯片及其發(fā)展歷史 什么是集成電路與芯片什么是集成電路與芯片 CPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 集成電路發(fā)展歷史集成電路發(fā)展歷史 我國(guó)集成電路發(fā)展歷史我國(guó)集成電路發(fā)展歷史一、什么是集成電路與芯片一、什么是集成電路與芯片1. 集成電路集成電路 集成電路集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)

3、電路中所需的晶體管、二極管、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)，成為具有所需具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)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，這樣，整個(gè)電路的體積大大縮小，且引出線和焊接點(diǎn)的數(shù)目也大為減少，從而使電子元件向著微小型化、低功耗和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積??；重量輕；成本低；性能好；可靠性高；壽命長(zhǎng)；便于大規(guī)模生產(chǎn)2. 芯片芯片 芯片芯片是計(jì)算機(jī)基本的電路元件的載體。計(jì)算機(jī)中的許許多多半導(dǎo)體、晶體管、電阻、電容等元件都得裝在芯片上面，形成集成電路。芯片的功能芯片的功能是對(duì)輸入的信息進(jìn)

4、行加工對(duì)輸入的信息進(jìn)行加工。芯片尺寸越小，電腦的體積就越小，裝置的晶體管等元件越多，計(jì)算機(jī)的功能就越先進(jìn)。 芯片的分類芯片的分類：（1）CPU芯片芯片：計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制的部件（2）存儲(chǔ)芯片）存儲(chǔ)芯片：用于記錄電子產(chǎn)品中的各種格式的數(shù)據(jù)（3）數(shù)字多媒體芯片）數(shù)字多媒體芯片： 芯片設(shè)計(jì)芯片設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出符合應(yīng)用需求的電路，并將其集成在芯片上。3. 半導(dǎo)體材料及芯片的歷史半導(dǎo)體材料及芯片的歷史 第一代：以硅材料以硅材料為為代表的第一代半導(dǎo)體材料目前仍然是最主要的半導(dǎo)體器件材料。但是硅材料帶隙(禁帶)較窄和擊穿電場(chǎng)較低等物理屬性的特點(diǎn)限制了其在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用。第二代：2

5、0世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展和以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路與互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵以砷化鎵(GaAs)和磷化銦和磷化銦(InP)為代表為代表的第二代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角。目前GaAs幾乎壟斷了手機(jī)制造中的功放器件市場(chǎng)。 第三代：第三代半導(dǎo)體材料的興起以以GaN(氮化鎵氮化鎵)材料材料P型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)光激光器研制成功為標(biāo)志的。 4.集成電路的分類集成電路的分類(1)按功能結(jié)構(gòu)分類按功能結(jié)構(gòu)分類 按集成電路功能、結(jié)構(gòu)功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路模擬集成電路和數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路兩大類。(2)按制作工藝分類按制作工藝分類 按集

6、成電路制作工藝制作工藝可分為半導(dǎo)體集成電路半導(dǎo)體集成電路和薄膜集成薄膜集成電路電路。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。 (3)按集成度高低分類按集成度高低分類 按集成電路集成度高低集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路?？s寫名稱門數(shù)量SSI小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路110MSI中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路101000LSI大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路1000100 000VLSI超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路多于100 000(4)按導(dǎo)電類型不同分類按導(dǎo)電類型不同分類 按集成

7、電路導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路雙極型集成電路和單極型單極型集成電路集成電路。雙極型集成電路：雙極型集成電路：制作工藝復(fù)雜，功耗大。典型代制作工藝復(fù)雜，功耗大。典型代表有表有TTL、ECL、HTL等；等；單極型集成電路：?jiǎn)螛O型集成電路：制作工藝簡(jiǎn)單，功耗較低，易于制作工藝簡(jiǎn)單，功耗較低，易于制成大規(guī)模集成電路。典型代表有制成大規(guī)模集成電路。典型代表有CMOS、NMOS、PMOS等。等。(5)按用途分類按用途分類 按集成電路用途用途可分為電視機(jī)用集成電路、音響用集電視機(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、電腦成電路、影碟機(jī)用集成電路、錄像機(jī)用集成電路、電腦（微

8、機(jī)）用集成電路（微機(jī)）用集成電路 5.摩爾定律摩爾定律 Intel公司的主席公司的主席戈登戈登摩爾摩爾在在1965年指出：年指出：芯片中的晶芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每年可以翻一番。體管和電阻器的數(shù)量每年可以翻一番。 1975年，摩爾修正了摩爾定律，他認(rèn)為：每隔每隔18個(gè)月，個(gè)月，芯片中晶體管的數(shù)量可以翻一番芯片中晶體管的數(shù)量可以翻一番。 集成度：集成度：1000萬(wàn)萬(wàn)10億億 線寬：線寬：20.045m 40多年的實(shí)踐證明，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。多年的實(shí)踐證明，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。 集成電路生產(chǎn)工藝的提高集成電路生產(chǎn)工藝的提高（2 2/ /1/0.8/0.6/0.5/0.35/0.25/0.18/0.13um/

9、1/0.8/0.6/0.5/0.35/0.25/0.18/0.13um/ 90/65/45/32nm)90/65/45/32nm)，縮小了單管的尺寸，提高了芯片的集成，縮小了單管的尺寸，提高了芯片的集成度與工作頻率，降低了工作電壓。度與工作頻率，降低了工作電壓。 今后可再用今后可再用10年？年？Intel的目標(biāo)是在的目標(biāo)是在2022年使用年使用4納米的工藝納米的工藝。但只有。但只有22納米納米的目的目標(biāo)是比較可行的，以后的目標(biāo)有待技術(shù)突破。標(biāo)是比較可行的，以后的目標(biāo)有待技術(shù)突破。芯片集成度的提高受以下限制：芯片集成度的提高受以下限制： 芯片集成度受物理極限的制約芯片集成度受物理極限的制約 按幾

10、何級(jí)數(shù)遞增的制作成本按幾何級(jí)數(shù)遞增的制作成本 芯片的功耗、散熱、線延遲芯片的功耗、散熱、線延遲高功耗對(duì)芯片可靠性的影響高功耗對(duì)芯片可靠性的影響 高功耗導(dǎo)致了高的工作溫度高功耗導(dǎo)致了高的工作溫度( (102W102W的的PrescottPrescott，標(biāo)稱工作溫，標(biāo)稱工作溫度為度為7474度度) )。 高的工作溫度使各種輕微物理缺陷所造成的故障顯現(xiàn)高的工作溫度使各種輕微物理缺陷所造成的故障顯現(xiàn)出來(lái)，如橋接故障。出來(lái)，如橋接故障。 高的工作溫度使連線電阻變大，使線延時(shí)增加，時(shí)延高的工作溫度使連線電阻變大，使線延時(shí)增加，時(shí)延故障變得嚴(yán)重起來(lái)。故障變得嚴(yán)重起來(lái)。 同時(shí)溫度的提高，使漏電流增加，降低工

11、作電壓，使同時(shí)溫度的提高，使漏電流增加，降低工作電壓，使門延時(shí)增加，同樣使時(shí)延故障變得嚴(yán)重起來(lái)。同時(shí)漏門延時(shí)增加，同樣使時(shí)延故障變得嚴(yán)重起來(lái)。同時(shí)漏電流增加，還會(huì)導(dǎo)致電流增加，還會(huì)導(dǎo)致P/GP/G網(wǎng)的失效。網(wǎng)的失效。P4-2GHz的風(fēng)扇半導(dǎo)體+風(fēng)冷的復(fù)合制冷裝置6. IC的普及的普及 僅僅在其開(kāi)發(fā)后半個(gè)世紀(jì)，集成電路變得無(wú)處不在，僅僅在其開(kāi)發(fā)后半個(gè)世紀(jì)，集成電路變得無(wú)處不在，電腦，手機(jī)和其他數(shù)字電器成為現(xiàn)代社會(huì)結(jié)構(gòu)不可缺少的電腦，手機(jī)和其他數(shù)字電器成為現(xiàn)代社會(huì)結(jié)構(gòu)不可缺少的一部分。這是因?yàn)?，現(xiàn)代計(jì)算，交流，制造和交通系統(tǒng)，一部分。這是因?yàn)椋F(xiàn)代計(jì)算，交流，制造和交通系統(tǒng)，包括互聯(lián)網(wǎng)，全都依賴于

12、集成電路的存在。包括互聯(lián)網(wǎng)，全都依賴于集成電路的存在。 甚至很多學(xué)者認(rèn)為有甚至很多學(xué)者認(rèn)為有集成電路帶來(lái)的數(shù)字革命集成電路帶來(lái)的數(shù)字革命是人類歷是人類歷史中最重要的事件。史中最重要的事件。 最先進(jìn)的集成電路是最先進(jìn)的集成電路是微處理器微處理器或多核處理器的或多核處理器的核心核心(cores),可以控制電腦到手機(jī)到數(shù)字微波爐的一切?？梢钥刂齐娔X到手機(jī)到數(shù)字微波爐的一切。 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器和和ASIC是其他集成電路家族的例子，對(duì)于現(xiàn)代是其他集成電路家族的例子，對(duì)于現(xiàn)代信息社會(huì)非常重要。信息社會(huì)非常重要。 二、二、CPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1. CPU CPU是中央處理單元中央處理單元(central proc

13、essing Unit)的縮寫，簡(jiǎn)稱為微處理器微處理器(microprocessor)，人們直接稱其為處理器處理器(processor)。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成， 是計(jì)算機(jī)的核心，它的作用和大腦更相似，它負(fù)責(zé)處理、運(yùn)算計(jì)算機(jī)內(nèi)部負(fù)責(zé)處理、運(yùn)算計(jì)算機(jī)內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)，而主板芯片組則更像是心臟，它控制著數(shù)據(jù)的交換。CPU的種類決定了你使用的操作系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件。 處理器是計(jì)算機(jī)的核心，再配上儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成為完整的計(jì)算機(jī)。 2. CPU新技術(shù)新技術(shù)1) Core（酷睿） 英特爾2006年7月份將推出的是65納米納米“Merom用于移動(dòng)計(jì)算機(jī)

14、T”，“Conroe用于桌面計(jì)算機(jī)E”，“Woodcrest用于服務(wù)器XEON ITANIUM”雙內(nèi)核處雙內(nèi)核處理理。Core是英特爾最新的一種處理器微架構(gòu)。2) Nehalem（迅馳） 2008年1月8日，英特爾公司發(fā)布了首批基于英特爾Nehalem（迅馳）處理器技術(shù)筆記本上的45納米（納米（nm）處理器。 Nehalem是用于服務(wù)器的雙路雙路CPU。Nehalem是4核心核心、8線程、64bit、4超標(biāo)量發(fā)射、亂序執(zhí)行的CPU，有16級(jí)流水線、48bit虛擬尋址和40bit物理尋址。Nehalem還是基本建立在Core微架構(gòu)（Core Microarchitecture）的骨架上，外加增添

15、了SMT、3層Cache、TLB和分支預(yù)測(cè)的等級(jí)化、IMC、QPI和支持DDR3等技術(shù)。比起從Pentium 4的的NetBurst架構(gòu)架構(gòu)到Core 微架構(gòu)微架構(gòu)的較大變化來(lái)說(shuō)，從Core 微架到Nehalem架構(gòu)架構(gòu)的基本核心部分的變化則要小一些，因?yàn)镹ehalem還是4指令寬度的解碼/重命名/撤銷。三、集成電路發(fā)展歷史三、集成電路發(fā)展歷史1947年：貝爾實(shí)驗(yàn)室肖克萊肖克萊等人發(fā)明了晶體管晶體管，這是微電子技術(shù)發(fā)展中第一個(gè)里程碑；1950年：結(jié)型晶體管誕生；1950年： R Ohl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1951年：場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)明；1956年：C S Fuller發(fā)明了擴(kuò)

16、散工藝；1958年：仙童公司Robert Noyce與德儀公司基爾比間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路集成電路，開(kāi)創(chuàng)了世界微電子學(xué)的歷史； 1960年：H H Loor和E Castellani發(fā)明了光刻工藝；1962年：美國(guó)RCA公司研制出MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管；1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技術(shù)技術(shù)，今天，95%以上的集成電路芯片都是基于CMOS工藝；1964年：Intel的摩爾提出摩爾定律摩爾定律，預(yù)測(cè)晶體管集成度晶體管集成度將會(huì)每將會(huì)每18個(gè)月增加個(gè)月增加1倍倍；1966年：美國(guó)RCA公司研制出CMOS集成電路集成電路，并研制出第一塊門陣列（50門）

17、；1967年：應(yīng)用材料公司（Applied Materials）成立，現(xiàn)已成為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備制造公司；1971年：Intel推出1kb動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），），標(biāo)志著大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路出現(xiàn)；1971年：全球第一個(gè)微處理器微處理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工藝，這是一個(gè)里程碑式的發(fā)明；1974年：RCA公司推出第一個(gè)CMOS微處理器1802；1976年：16kb DRAM和4kb SRAM問(wèn)世；1978年：64kb動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器誕生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬(wàn)個(gè)晶體管，標(biāo)志著超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路（VLSI）時(shí)代的來(lái)臨

18、；1979年：Intel推出5MHz 8088微處理器微處理器，之后，IBM基于8088推出全球第一臺(tái)PC；1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM問(wèn)世；1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM；1985年：80386微處理器微處理器問(wèn)世，20MHz；1988年：16M DRAM問(wèn)世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬(wàn)個(gè)晶體管，標(biāo)志著進(jìn)入甚大規(guī)模集成電路（甚大規(guī)模集成電路（ULSI）階段；1989年：1Mb DRAM進(jìn)入市場(chǎng)；1989年：486微處理器推出微處理器推出，25MHz，1m工藝工藝，后來(lái)50MHz芯片采用 0.8m工藝工藝；1992年

19、：64M位隨機(jī)存儲(chǔ)器問(wèn)世；1993年：66MHz奔騰處理器奔騰處理器推出,采用0.6工藝工藝；1995年：Pentium Pro, 133MHz，采用0.6-0.35工藝工藝；1997年：300MHz奔騰奔騰問(wèn)世,采用0.25工藝工藝；1999年：奔騰奔騰問(wèn)世，450MHz，采用0.25工藝，后采用0.18m工藝工藝； 2000年: 1Gb RAM投放市場(chǎng)；2000年：奔騰奔騰4問(wèn)世，1.5GHz，采用0.18工藝；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13工藝工藝。 2003年：奔騰4 E系列推出，采用90nm工藝工藝。 2005年：intel 酷睿2系列上市，采用65nm工藝工

20、藝。 2007年：基于全新45納米納米High-K工藝工藝的intel酷睿2 E7/E8/E9上市。 2009年：intel酷睿i系列全新推出，創(chuàng)紀(jì)錄采用了領(lǐng)先的32納米工藝納米工藝， 并且下一代22納米工藝納米工藝正在研發(fā)。四、我國(guó)集成電路發(fā)展史四、我國(guó)集成電路發(fā)展史 我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)誕生于六十年代，共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：1965年-1978年：以計(jì)算機(jī)和軍工配套為目標(biāo)，以開(kāi)發(fā)邏輯電路為主要產(chǎn)品，初步建立集成電路工業(yè)基礎(chǔ)及相關(guān)設(shè)備、儀器、材料的配套條件；1978年-1990年：主要引進(jìn)美國(guó)二手設(shè)備，改善集成電路裝備水平，在“治散治亂”的同時(shí)，以消費(fèi)類整機(jī)作為配套重點(diǎn)，較好地解決了彩電集成電路

21、的國(guó)產(chǎn)化；1990年-2000年：以908工程、909工程為重點(diǎn)，以CAD為突破口，抓好科技攻關(guān)和北方科研開(kāi)發(fā)基地的建設(shè)，為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，集成電路行業(yè)取得了新的發(fā)展。 2001年到2010年這10年間，我國(guó)集成電路產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率超過(guò)25%，集成電路銷售額的年均增長(zhǎng)率則達(dá)到23%。 2010年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)量達(dá)到640億塊，銷售額超過(guò)1430億元，分別是2001年的10倍和8倍。中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)由2001年不足世界集成電路產(chǎn)業(yè)總規(guī)模的2%提高到2010年的近9%。中國(guó)成為過(guò)去10年世界集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)之一。國(guó)內(nèi)集成電路市場(chǎng)規(guī)模也由2001年的1140億元擴(kuò)大到2010年的73

22、50億元，擴(kuò)大了6.5倍。 國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場(chǎng)規(guī)模之比始終未超過(guò)20%。如扣除集成電路產(chǎn)業(yè)中接受境外委托代工的銷售額，則中國(guó)集成電路市場(chǎng)的實(shí)際國(guó)內(nèi)自給率還不足10%，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所需的集成電路產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口。 近幾年國(guó)內(nèi)集成電路進(jìn)口規(guī)模迅速擴(kuò)大，2010年已經(jīng)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1570億美元，集成電路已連續(xù)兩年超過(guò)原油成為國(guó)內(nèi)最大宗的進(jìn)口商品。與巨大且快速增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)相比，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)雖發(fā)展迅速但仍難以滿足內(nèi)需要求。 當(dāng)前以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能電網(wǎng)、新能源汽車為代表的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，將成為繼計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子之后，推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的

23、新動(dòng)力。工信部預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)集成電路市場(chǎng)規(guī)模到2015年將達(dá)到12000億元。 我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境亟待優(yōu)化我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境亟待優(yōu)化，設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試以及專用設(shè)備、儀器、材料等產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同性不足，芯片、軟件、整機(jī)、系統(tǒng)、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)互動(dòng)不緊密。 “十二五”期間，中國(guó)將積極探索集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上下游虛擬一體化模式，充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作與協(xié)同，共建價(jià)值鏈。培育和完善生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)與軟件、整機(jī)、系統(tǒng)及服務(wù)的有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)企業(yè)的群體躍升，增強(qiáng)電子信息大產(chǎn)業(yè)鏈的整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 2 集成電路芯片的設(shè)計(jì)與制造 什么是什么是SoC 什么是

24、什么是CMOS 芯片制造工藝流程芯片制造工藝流程 芯片的封裝技術(shù)芯片的封裝技術(shù) 國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)制造的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)制造的研究現(xiàn)狀一、什么是一、什么是SoC 1.SoC技術(shù)的發(fā)展技術(shù)的發(fā)展 集成電路的發(fā)展已有40多 年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進(jìn)，現(xiàn)已進(jìn)入深亞微米，乃至納米階段深亞微米，乃至納米階段。 由于信息市場(chǎng)的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細(xì)微細(xì)加工加工（集成電路特征尺寸不斷縮小）為主要特征的多種工藝集成技術(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)芯片面向應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)芯片的發(fā)展。 隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超深亞微米乃至納米加工時(shí)代，在在單一集成電路芯片上就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)單一集成電路芯片上

25、就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機(jī)芯片、數(shù)字電視芯片、DVD 芯片等。在未來(lái)幾年內(nèi)，上億個(gè)晶體管、幾千萬(wàn)個(gè)邏輯門都可望在單一芯片上實(shí)現(xiàn)。 SoC ( System - on - Chip)設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒂鷣?lái)愈復(fù)雜的功能集成到單硅片上，SoC正是在集成電路( IC)向集成系統(tǒng)( IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。 2. SoC基本概念基本概念 SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也稱為片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)SoC又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始

26、，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。 從狹義角度講， SoC是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上； 從廣義角度講， SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代中期，因使用ASIC（一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路 ）實(shí)現(xiàn)芯片組受到啟發(fā)，萌生應(yīng)該將完整計(jì)算機(jī)所有不同的功能塊一次直接集成于一顆硅片上的想法。這種芯片，初始起名叫System on a Chip (SoC)，直譯的中文名是系統(tǒng)級(jí)芯片。 SoC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面：SoC的構(gòu)成的構(gòu)成； SoC的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊、嵌入的存儲(chǔ)器模塊

27、、和外部進(jìn)行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊。對(duì)于一個(gè)無(wú)線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實(shí)現(xiàn))以及微電子機(jī)械模塊； 更重要的是一個(gè)SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應(yīng)用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。SoC形成過(guò)程形成過(guò)程。SoC形成或產(chǎn)生過(guò)程形成或產(chǎn)生過(guò)程包含以下三個(gè)方面：1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證； 2) 開(kāi)發(fā)和研究IP核生成及復(fù)用技術(shù)核生成及復(fù)用技術(shù)，特別是大容量的存儲(chǔ)模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等；3) 超深亞微米超深亞微米(UDSM) 、納米

28、集成電路的設(shè)計(jì)理論和技、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)術(shù)。3. SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：總線架構(gòu)技術(shù)、總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等， 此外還要做嵌入式軟件移植、開(kāi)發(fā)嵌入式軟件移植、開(kāi)發(fā)研究，是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。 用SoC 技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片，一般先要進(jìn)行軟硬件劃分軟硬件劃分，將設(shè)計(jì)分為：芯片硬件設(shè)計(jì)和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)芯片硬件設(shè)計(jì)和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)兩部分

29、。芯片硬件設(shè)計(jì)芯片硬件設(shè)計(jì)包括：(1)功能設(shè)計(jì)階段。功能設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)人員產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)定一些諸如功能、操作速度、接口規(guī)格、環(huán)境溫度及消耗功率等規(guī)格，以做為將來(lái)電路設(shè)計(jì)時(shí)的依據(jù)。更可進(jìn)一步規(guī)劃軟件模塊及硬件模塊該如何劃分，哪些功能該整合于SOC 內(nèi)，哪些功能可以設(shè)計(jì)在電路板上。(2)設(shè)計(jì)描述和行為級(jí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)描述和行為級(jí)驗(yàn)證功功能設(shè)計(jì)完成后，可以依據(jù)功能將SOC 劃分為若干功能模塊，并決定實(shí)現(xiàn)這些功能將要使用的IP 核。此階段將接影響了SOC 內(nèi)部的架構(gòu)及各模塊間傳送的信號(hào)，及未來(lái)產(chǎn)品的可靠性。決定模塊之后，可以用VHDL 或或Verilog 等硬件描述語(yǔ)言硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各模塊的設(shè)計(jì)。接著

30、，利用VHDL 或Verilog 的電路仿真器，對(duì)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證或行為驗(yàn)證或行為驗(yàn)證 。這種功能仿真沒(méi)有考慮電路實(shí)際的延遲，但無(wú)法獲得精確的結(jié)果。這種功能仿真沒(méi)有考慮電路實(shí)際的延遲，但無(wú)法獲得精確的結(jié)果。 (3)邏輯綜合邏輯綜合確定設(shè)計(jì)描述正確后，可以使用邏輯綜合工具邏輯綜合工具（synthesizer）進(jìn)行綜合。綜合過(guò)程中，需要選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?kù)（logic cell library） ，作為合成邏輯電路時(shí)的參考依據(jù)。 硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)描述文件的編寫風(fēng)格是決定綜合工具執(zhí)行效率的一個(gè)重要因素。事實(shí)上，綜合工具支持的HDL 語(yǔ)法均是有限的，一些過(guò)于抽象的語(yǔ)法只適于做為系統(tǒng)評(píng)估時(shí)

31、的仿真模型，而不能被綜合工具接受。邏輯綜合得到門級(jí)網(wǎng)表邏輯綜合得到門級(jí)網(wǎng)表。(4)門級(jí)驗(yàn)證門級(jí)驗(yàn)證門級(jí)功能驗(yàn)證門級(jí)功能驗(yàn)證是寄存器傳輸級(jí)驗(yàn)證寄存器傳輸級(jí)驗(yàn)證。主要的工作是要確認(rèn)經(jīng)綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門電路級(jí)門電路級(jí)驗(yàn)證工具驗(yàn)證工具完成。注意，此階段仿真需要考慮門電路的延遲需要考慮門電路的延遲。(5)布局和布線布局和布線布局布局指將設(shè)計(jì)好的功能模塊合理地安排在芯片上，規(guī)劃好它們的位置。布線布線指完成各模塊之間互連的連線。注意，各模塊之間的連線通常比較長(zhǎng)，因此，產(chǎn)生的延遲會(huì)嚴(yán)重影響SOC的性能，尤其在0.25 微米制程以上，這種現(xiàn)象更為顯著。一般都用全套的一般都用全套的ca

32、dence（搜（搜ic5141就能找到）。就能找到）。 cadence是一個(gè)完整的全定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括：是一個(gè)完整的全定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括：schematic composer（管級(jí)設(shè)計(jì)）；（管級(jí)設(shè)計(jì)）；spactre（仿真）；（仿真）；virtuoso（版圖版圖）；）；calibre（版圖版圖驗(yàn)證）等。驗(yàn)證）等。 cadence也有半定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，常用的有也有半定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，常用的有NC系列。系列。另外還常用另外還常用synopsys的的hspice，design vision（數(shù)字綜（數(shù)字綜合工具）合工具）另外另外tanner的的版圖版圖工具也是業(yè)界比較常用的。工具也是業(yè)界比較常用的。 ED

33、A工具工具3. SoC的發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題的發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題 當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)業(yè)正面臨著一系列的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)芯片當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)業(yè)正面臨著一系列的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)芯片SoC已經(jīng)成為已經(jīng)成為IC設(shè)計(jì)業(yè)界的焦點(diǎn)，設(shè)計(jì)業(yè)界的焦點(diǎn)，SoC性能越來(lái)越強(qiáng)，規(guī)模性能越來(lái)越強(qiáng)，規(guī)模越來(lái)越大越來(lái)越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于普通的芯片的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于普通的ASIC，同時(shí)，同時(shí)由于由于深亞微米工藝帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難等，使得深亞微米工藝帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難等，使得SoC設(shè)計(jì)的復(fù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度大大提高雜度大大提高。在在SoC設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)中，仿真與驗(yàn)證是仿真與驗(yàn)證是SoC設(shè)計(jì)流程中最復(fù)雜、設(shè)計(jì)流程中最復(fù)雜、最耗時(shí)的環(huán)節(jié)，約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的

34、最耗時(shí)的環(huán)節(jié)，約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的50%80%，采采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為用先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為SoC設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是基于技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是基于SoC開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于平臺(tái)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)是一種可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是一種可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計(jì)方法，分享方法，分享IP核開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價(jià)值鏈，在核開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價(jià)值鏈，在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)上，向成品率、可靠性、關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)上，向成品率、可靠性、EMI 噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)級(jí)集成能力快速發(fā)展

35、。噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)級(jí)集成能力快速發(fā)展。 當(dāng)前無(wú)論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，在當(dāng)前無(wú)論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，在SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域已展開(kāi)激設(shè)計(jì)領(lǐng)域已展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。烈的競(jìng)爭(zhēng)。 二、什么是二、什么是CMOSCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） ，指，指互補(bǔ)金屬氧化物互補(bǔ)金屬氧化物(PMOS管和管和NMOS管管)共同構(gòu)成的互補(bǔ)型共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路制造工藝，它的集成電路制造工藝，它的特點(diǎn)是特點(diǎn)是低功耗低功耗。相對(duì)于其他邏輯系列，相對(duì)于其他邏輯系列，CMOS邏輯電路具有一下優(yōu)點(diǎn)：邏輯電路具有一下優(yōu)點(diǎn)：(1)允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設(shè)

36、計(jì)允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設(shè)計(jì)(2)邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強(qiáng)邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強(qiáng)(3)靜態(tài)功耗低靜態(tài)功耗低(4)隔離柵結(jié)構(gòu)使隔離柵結(jié)構(gòu)使CMOS期間的輸入電阻極大，從而期間的輸入電阻極大，從而使使CMOS期間驅(qū)動(dòng)同類邏輯門的能力比其他系列強(qiáng)得多期間驅(qū)動(dòng)同類邏輯門的能力比其他系列強(qiáng)得多在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，CMOS常指保存計(jì)算機(jī)基本啟動(dòng)信息常指保存計(jì)算機(jī)基本啟動(dòng)信息(如日如日期、時(shí)間、啟動(dòng)設(shè)置等期、時(shí)間、啟動(dòng)設(shè)置等)的芯片。的芯片。CMOS是微機(jī)主板上的一塊可是微機(jī)主板上的一塊可讀寫的讀寫的RAM芯片，芯片，主要用來(lái)保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和操作人主要用來(lái)保存當(dāng)前

37、系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定員對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定。CMOS RAM芯片由系統(tǒng)通過(guò)一塊后備電芯片由系統(tǒng)通過(guò)一塊后備電池供電，因此無(wú)論是在關(guān)機(jī)狀態(tài)中，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，池供電，因此無(wú)論是在關(guān)機(jī)狀態(tài)中，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，CMOS信息都不會(huì)丟失。信息都不會(huì)丟失。 由于由于CMOS RAM芯片本身只是一塊存儲(chǔ)器芯片本身只是一塊存儲(chǔ)器，只具有保存數(shù)，只具有保存數(shù)據(jù)的功能，所以對(duì)據(jù)的功能，所以對(duì)CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過(guò)專門的程序。中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過(guò)專門的程序。早期的早期的CMOS設(shè)置程序駐留在軟盤上的設(shè)置程序駐留在軟盤上的(如如IBM的的PC/AT機(jī)型機(jī)型)，使用很不方便。現(xiàn)在多

38、數(shù)廠家將使用很不方便?，F(xiàn)在多數(shù)廠家將CMOS設(shè)置程序做到了設(shè)置程序做到了 BIOS芯片中，在開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)按下某個(gè)特定鍵就可進(jìn)入芯片中，在開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)按下某個(gè)特定鍵就可進(jìn)入CMOS設(shè)置程設(shè)置程序而非常方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，因此這種序而非常方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，因此這種CMOS設(shè)置又通常設(shè)置又通常被叫做被叫做BIOS設(shè)置設(shè)置。 對(duì)對(duì)CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定和更新可通過(guò)開(kāi)機(jī)時(shí)特定的中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定和更新可通過(guò)開(kāi)機(jī)時(shí)特定的按鍵實(shí)現(xiàn)按鍵實(shí)現(xiàn)（一般是（一般是Del鍵）。鍵）。進(jìn)入進(jìn)入BIOS設(shè)置程序可對(duì)設(shè)置程序可對(duì)CMOS進(jìn)行設(shè)置。一般進(jìn)行設(shè)置。一般CMOS設(shè)置習(xí)慣上也被叫做設(shè)置習(xí)慣上也被叫做BIOS設(shè)置設(shè)置

39、。 CMOS的設(shè)置內(nèi)容大致包含：的設(shè)置內(nèi)容大致包含： (1)Standard CMOS Setup標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置：，包括日期，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置：，包括日期，時(shí)間和軟、硬盤參數(shù)等。時(shí)間和軟、硬盤參數(shù)等。 (2)BIOS Features Setup：設(shè)置一些系統(tǒng)選項(xiàng)。：設(shè)置一些系統(tǒng)選項(xiàng)。 (3)Chipset Features Setup：主板芯片參數(shù)設(shè)置。：主板芯片參數(shù)設(shè)置。 (4)Power Management Setup：電源管理設(shè)置。：電源管理設(shè)置。 (5)PnP/PCI Configuration Setup：即插即用及：即插即用及PCI插插件參數(shù)設(shè)置。件參數(shù)設(shè)置。 (6)Integrat

40、ed Peripherals：整合外設(shè)的設(shè)置。：整合外設(shè)的設(shè)置。 (7)其他：硬盤自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)口令，加載缺省設(shè)置，退其他：硬盤自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)口令，加載缺省設(shè)置，退出等出等三、芯片制造工藝流程三、芯片制造工藝流程 芯片設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，生成的“圖樣” 晶片制作：過(guò)程的復(fù)雜 封裝 測(cè)試集成電路的基本制造工藝n生產(chǎn)圓片（生產(chǎn)圓片（Wafer）；）；n在圓片上制造出大量電路單元；在圓片上制造出大量電路單元；n圓片測(cè)試；圓片測(cè)試；n按電路單元切割成基片（按電路單元切割成基片（Die）；）；n封裝成集成電路成品。封裝成集成電路成品。1.芯片的原料晶圓 晶圓的成分是硅，硅是由石英沙所精練出來(lái)的，晶圓便

41、是硅元素加以純化（99.999%），接著是將些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料，將其切片就是芯片制作具體需要的晶圓。 晶圓越薄，成產(chǎn)的成本越低，但對(duì)工藝就要求的越高。2.晶圓涂膜 晶圓涂膜能抵抗氧化以及耐溫能力，其材料為光阻的一種3.晶圓光刻顯影、蝕刻 該過(guò)程使用了對(duì)紫外光敏感的化學(xué)物質(zhì)，即遇紫外光則變軟。通過(guò)控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蝕劑，使得其遇紫外光就會(huì)溶解。這是可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了，而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。 4

42、、攙加雜質(zhì) 將晶圓中植入離子，生成相應(yīng)的P、N類半導(dǎo)體。 具體工藝是是從硅片上暴露的區(qū)域開(kāi)始，放入化學(xué)離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區(qū)的導(dǎo)電方式，使每個(gè)晶體管可以通、斷、或攜帶數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單的芯片可以只用一層，但復(fù)雜的芯片通常有很多層，這時(shí)候?qū)⑦@一流程不斷的重復(fù)，不同層可通過(guò)開(kāi)啟窗口聯(lián)接起來(lái)。這一點(diǎn)類似所層PCB板的制作制作原理。 更為復(fù)雜的芯片可能需要多個(gè)二氧化硅層，這時(shí)候通過(guò)重復(fù)光刻以及上面流程來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)立體的結(jié)構(gòu)。 5、晶圓測(cè)試 經(jīng)過(guò)上面的幾道工藝之后，晶圓上就形成了一個(gè)個(gè)格狀的晶粒。通過(guò)針測(cè)的方式對(duì)每個(gè)晶粒進(jìn)行電氣特性檢測(cè)。 一般每個(gè)芯片的擁有的晶粒數(shù)量是龐大的，組織一次針測(cè)試模式

43、是非常復(fù)雜的過(guò)程，這要求了在生產(chǎn)的時(shí)候盡量是同等芯片規(guī)格構(gòu)造的型號(hào)的大批量的生產(chǎn)。數(shù)量越大相對(duì)成本就會(huì)越低，這也是為什么主流芯片器件造價(jià)低的一個(gè)因素。 6、封裝 將制造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去制作成各種不同的封裝形式，宇洋這就是同種芯片內(nèi)核可以有不同的封裝形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。 這里主要是由用戶的應(yīng)用習(xí)慣、應(yīng)用環(huán)境、市場(chǎng)形式等外圍因素來(lái)決定的。7、測(cè)試、包裝 經(jīng)過(guò)上述工藝流程以后，芯片制作就已經(jīng)全部完成了，這一步驟是將芯片進(jìn)行測(cè)試、剔除不良品，以及包裝。Integrated Circuits CostsIC cost =Die cost + Tes

44、ting cost + Packaging costFinal test yieldDie cost =Wafer costDies per Wafer * Die yieldDies per wafer = p* ( Wafer_diam / 2)2 Die Areap* Wafer_diam(2 * Die Area )1/2Defects_per_unit_area * Die_Area a a- a- aDie Yield = Wafer yield * 1 +Die Cost goes roughly with die area4四、芯片的封裝技術(shù)四、芯片的封裝技術(shù)很多人對(duì)很多人對(duì)C

45、PU、內(nèi)存以及芯片組封裝并不了解。、內(nèi)存以及芯片組封裝并不了解。封裝封裝是指是指安裝安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼。它不僅起著安放、固定、密封、。它不僅起著安放、固定、密封、保持芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接保持芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。因?yàn)樾酒丶⑦B接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電須與外界

46、隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的之連接的PCB(印制電路板印制電路板)的設(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。的設(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。 因此，封裝對(duì)因此，封裝對(duì)CPU以及其他芯片都有著重要的作用。以及其他芯片都有著重要的作用。 封裝時(shí)主要考慮的因素：封裝時(shí)主要考慮的因素：(1)芯片面積與封裝面積之比。為提高封裝效率，盡量接近芯片面積與封裝面積之比。為提高封裝

47、效率，盡量接近1：1。 (2)引腳要盡量短以減少延遲，引腳間的距離盡量遠(yuǎn)，以保證引腳要盡量短以減少延遲，引腳間的距離盡量遠(yuǎn)，以保證互不干擾，提高性能。互不干擾，提高性能。 (3)基于散熱的要求，封裝越薄越好。基于散熱的要求，封裝越薄越好。 1.CPU的封裝方式的封裝方式CPU封裝是封裝是CPU生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，封裝是采生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，封裝是采用特定的材料將用特定的材料將CPU芯片或芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必須在封裝后保護(hù)措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于的封裝方式取決于CPU

48、安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，從大的分類來(lái)看通常：從大的分類來(lái)看通常：采用采用Socket插座進(jìn)行安裝的插座進(jìn)行安裝的CPU使用使用PGA(柵格陣列柵格陣列)方方式封裝；式封裝；采用采用Slot x槽安裝的槽安裝的CPU則全部采用則全部采用SEC(單邊接插盒單邊接插盒)的形式封裝。的形式封裝?，F(xiàn)在還有現(xiàn)在還有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術(shù)。等封裝技術(shù)。 由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，目前由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，目前CPU封裝技術(shù)的發(fā)展方向封裝技術(shù)的發(fā)展方向以節(jié)約成本為主。以節(jié)約成本為主。

49、(1)早期早期CPU封裝方式封裝方式 CPU封裝方式可追朔到封裝方式可追朔到8088時(shí)代，這時(shí)代，這一代的一代的CPU采用的是采用的是DIP雙列直插式封裝雙列直插式封裝。DIP(DualInline Package)指指采用雙列直插形式封裝的集成采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過(guò)其引腳數(shù)一般不超過(guò)100個(gè)。采用個(gè)。采用DIP封裝的封裝的CPU芯片有兩排引腳，芯片有兩排引腳，需要插入到具有需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊

50、孔數(shù)和幾何排列的電路板上當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。進(jìn)行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞管腳。這種封裝適合在以免損壞管腳。這種封裝適合在PCB(印刷電路板印刷電路板)上穿孔焊接，上穿孔焊接，操作方便，但芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較操作方便，但芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。大。DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層陶瓷雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP，單層陶瓷雙，單層陶瓷雙列直插式列直插式DIP，引線框架式，引線框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封

51、結(jié)（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封結(jié)構(gòu)式，陶瓷低熔玻璃封裝式）等。構(gòu)式，陶瓷低熔玻璃封裝式）等。 QFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的芯片引腳之）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾砷g距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。個(gè)以上。用這種形式封裝的芯片必須采用用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片與主板焊接起來(lái)。采用術(shù)）將芯片與主板焊接起來(lái)。采用SMD安裝的芯片不必在主安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)

52、計(jì)好的相應(yīng)管腳的焊點(diǎn)。板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)管腳的焊點(diǎn)。將芯片各腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這將芯片各腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來(lái)的。種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來(lái)的。PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的芯片與）方式封裝的芯片與QFP方方式基本相同。唯一的區(qū)別是式基本相同。唯一的區(qū)別是QFP一般為正方形一般為正方形，而，而PFP既可既可以是正方形，也可以是長(zhǎng)方形以是正方形，也可以是長(zhǎng)方形。QFP/PFP封裝適用于封裝適用于SMD表表面安裝技術(shù)在面安裝技術(shù)

53、在PCB電路板上安裝布線以及高頻使用，可靠性電路板上安裝布線以及高頻使用，可靠性較高，封裝面積也比較小。較高，封裝面積也比較小。 80286，80386CPU則采用了則采用了QFP塑料方型塑料方型扁平式封裝和扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝塑料扁平組件式封裝。PGA封裝也叫插針網(wǎng)格陣列封裝技術(shù)封裝也叫插針網(wǎng)格陣列封裝技術(shù)（Ceramic Pin Grid Arrau Package），目前），目前CPU的封裝方式基本上是采用的封裝方式基本上是采用PGA封裝，封裝，在芯片下方圍著多層方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針是沿芯片的在芯片下方圍著多層方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針是沿芯片的四周，間隔一定距

54、離進(jìn)行排列的，根據(jù)管腳數(shù)目的多少，可以圍四周，間隔一定距離進(jìn)行排列的，根據(jù)管腳數(shù)目的多少，可以圍成成25圈。它的引腳看上去呈針狀，是用插件的方式和電路板相圈。它的引腳看上去呈針狀，是用插件的方式和電路板相結(jié)合。安裝時(shí)，將芯片插入專門的結(jié)合。安裝時(shí)，將芯片插入專門的PGA插座。插座。PGA封裝具有插拔封裝具有插拔操作更方便，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是耗電量較大。操作更方便，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是耗電量較大。 從從486的芯片開(kāi)始，的芯片開(kāi)始，出現(xiàn)的一種出現(xiàn)的一種ZIF(Zero Insertion Force Socket，零插拔力的插座）的，零插拔力的插座）的CPU插座插座，使用該封裝技術(shù)的，使用

55、該封裝技術(shù)的CPU可以很容易、輕松地插入插座中，然后將搬手壓回原處，利可以很容易、輕松地插入插座中，然后將搬手壓回原處，利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擠壓力，將用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擠壓力，將CPU的管腳與插座牢牢的管腳與插座牢牢的接觸，絕對(duì)不會(huì)存在接觸不良的問(wèn)題。而拆卸的接觸，絕對(duì)不會(huì)存在接觸不良的問(wèn)題。而拆卸CPU芯片只需將芯片只需將插座的搬手輕輕抬起，則壓力解除，插座的搬手輕輕抬起，則壓力解除，CPU芯片即可輕松取出。芯片即可輕松取出。 專門用來(lái)安裝和拆卸專門用來(lái)安裝和拆卸PGA封裝的封裝的CPU。(2)PGA(Pin Grid Array)引腳網(wǎng)格陣列封裝引腳網(wǎng)格陣列封裝(3)SEE

56、C（單邊接插卡盒）封裝（單邊接插卡盒）封裝SEEC是是Single Edge Contact Cartridge（單邊接觸卡盒）（單邊接觸卡盒）的縮寫。為了與主板連接，處理器被插入一個(gè)插槽。它不使用針的縮寫。為了與主板連接，處理器被插入一個(gè)插槽。它不使用針腳，而是使用腳，而是使用“金手指金手指”觸點(diǎn)，處理器使用這些觸點(diǎn)來(lái)傳遞信號(hào)。觸點(diǎn)，處理器使用這些觸點(diǎn)來(lái)傳遞信號(hào)。SECC被一個(gè)金屬殼覆蓋，這個(gè)殼覆蓋了整個(gè)卡盒組件的頂端被一個(gè)金屬殼覆蓋，這個(gè)殼覆蓋了整個(gè)卡盒組件的頂端?？??？ê械谋趁媸且粋€(gè)熱材料鍍層，充當(dāng)了散熱器。盒的背面是一個(gè)熱材料鍍層，充當(dāng)了散熱器。SECC內(nèi)部，大多數(shù)內(nèi)部，大多數(shù)處理器有

57、一個(gè)被稱為基體的印刷電路板連接起處理器、二級(jí)高速處理器有一個(gè)被稱為基體的印刷電路板連接起處理器、二級(jí)高速緩存和總線終止電路。緩存和總線終止電路。SECC封裝用于有封裝用于有 242 個(gè)觸點(diǎn)的英特爾奔個(gè)觸點(diǎn)的英特爾奔騰騰II 處理器和有處理器和有 330 個(gè)觸點(diǎn)的奔騰個(gè)觸點(diǎn)的奔騰II 至強(qiáng)和奔騰至強(qiáng)和奔騰 III 至強(qiáng)處理器。至強(qiáng)處理器。(4)SEEC2封裝封裝SECC2 封裝與封裝與 SECC 封裝相似，除了封裝相似，除了SECC2 使用更少的保使用更少的保護(hù)性包裝并且不含有導(dǎo)熱鍍層。護(hù)性包裝并且不含有導(dǎo)熱鍍層。SECC2 封裝用于一些較晚版本的封裝用于一些較晚版本的奔騰奔騰II 處理器和奔騰

58、處理器和奔騰 III 處理器（處理器（242 觸點(diǎn)）。觸點(diǎn)）。 2.內(nèi)存芯片封裝方式內(nèi)存芯片封裝方式內(nèi)存顆粒的封裝方式最常見(jiàn)的有內(nèi)存顆粒的封裝方式最常見(jiàn)的有SOJ、TSOP II、Tiny-BGA、BLP、BGA等封裝，而未來(lái)趨勢(shì)則將向等封裝，而未來(lái)趨勢(shì)則將向CSP發(fā)展。發(fā)展。(1)SOJ（Small Out-Line J-Lead）小尺寸）小尺寸J形引腳封裝形引腳封裝SOJ封裝方式是指內(nèi)存芯片的兩邊有一排小的封裝方式是指內(nèi)存芯片的兩邊有一排小的J形引形引腳，直接黏著在印刷電路板的表面上。它是一種表面裝配腳，直接黏著在印刷電路板的表面上。它是一種表面裝配的打孔封裝技術(shù)，針腳的形狀就像字母的打孔

59、封裝技術(shù)，針腳的形狀就像字母J，由此而得名。，由此而得名。SOJ封裝一般應(yīng)用在封裝一般應(yīng)用在EDO DRAM。 (2)TSOP（Thin Small Outline Package）薄型小尺寸封）薄型小尺寸封裝。裝。TSOP內(nèi)存封裝技術(shù)的一個(gè)典型特征就是在封裝芯片的周圍做出引內(nèi)存封裝技術(shù)的一個(gè)典型特征就是在封裝芯片的周圍做出引腳，如腳，如SDRAM內(nèi)存的集成電路兩側(cè)都有引腳，內(nèi)存的集成電路兩側(cè)都有引腳，SGRAM內(nèi)存的集成電內(nèi)存的集成電路四面都有引腳。路四面都有引腳。TSOP適合用適合用SMT技術(shù)（表面安裝技術(shù)）在技術(shù)（表面安裝技術(shù)）在PCB（印制電路板）上安裝布線。（印制電路板）上安裝布線。

60、TSOP封裝外形尺寸時(shí)，寄生參數(shù)封裝外形尺寸時(shí)，寄生參數(shù)(電流電流大幅度變化時(shí)，引起輸出電壓擾動(dòng)大幅度變化時(shí)，引起輸出電壓擾動(dòng)) 減小，適合高頻應(yīng)用，操作比較方減小，適合高頻應(yīng)用，操作比較方便，可靠性也比較高。改進(jìn)的便，可靠性也比較高。改進(jìn)的TSOP技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于SDRAM內(nèi)存內(nèi)存的制造上，不少知名內(nèi)存制造商如三星、現(xiàn)代、的制造上，不少知名內(nèi)存制造商如三星、現(xiàn)代、Kingston等目前都在等目前都在采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)存封裝。不過(guò)，采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)存封裝。不過(guò)，TSOP封裝方式中，內(nèi)存芯片是通封裝方式中，內(nèi)存芯片是通過(guò)芯片引腳焊接在過(guò)芯片引腳焊接在PCB板上的，焊點(diǎn)和板上