集成電路技術(shù)及應(yīng)用

2024/2/221重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院CHONGQINGAEROSPACEPOLYTECHNIC集成電路技術(shù)及應(yīng)用2014年7月1日

王用倫2024/2/222目錄一、集成電路及特點(diǎn)二、集成電路的分類(lèi)三、集成電路的封裝形式四、集成電路應(yīng)用五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)2024/2/223一、集成電路及特點(diǎn)

集成電路是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)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，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比（基于鍺的集成電路）和羅伯特·諾伊思（基于硅的集成電路）。

集成電路又稱(chēng)微電路、微芯片、芯片。2024/2/224一、集成電路及特點(diǎn)特點(diǎn)：體積小重量輕引出線和焊接點(diǎn)少，壽命長(zhǎng)可靠性高性能好成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。2024/2/225二、集成電路的分類(lèi)分類(lèi)1、按功能結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù)/?；旌霞呻娐贰ＤM集成電路又稱(chēng)線性電路,用來(lái)產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號(hào)（指幅度隨時(shí)間變化的信號(hào)）。數(shù)字集成電路用來(lái)產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號(hào)（指在時(shí)間上和幅度上離散取值的信號(hào)）。2024/2/226二、集成電路的分類(lèi)制作工藝分類(lèi)按制作工藝可分為半導(dǎo)體、膜集成電路。膜集成電路又分為厚膜、薄膜集成電路。按導(dǎo)電類(lèi)型不同分類(lèi)可分為雙極型集成電路和單極型集成電路，雙極型IC的制作工藝復(fù)雜，功耗較大，代表有TTL、ECL等類(lèi)型；單極型IC的制作工藝簡(jiǎn)單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路，代表有CMOS、NMOS、PMOS等類(lèi)型。二、集成電路的分類(lèi)2024/2/227按集成度高低分類(lèi)小規(guī)模集成電路（SSIC):1960年出現(xiàn)，在一塊硅片上包含10-100個(gè)元件或1-10個(gè)邏輯門(mén)。是以門(mén)電路作為電路的基本單元。中規(guī)模集成電路(MSIC):1966年出現(xiàn)，在一塊硅片上包含100-1000個(gè)元件或10-100個(gè)邏輯門(mén)。如：集成計(jì)時(shí)器，寄存器，譯碼器等。；超大規(guī)模集成電路(VLSIC)特大規(guī)模集成電路(ULSIC)巨大規(guī)模集成電路(GSIC)按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路和專(zhuān)用集成電路二、集成電路的分類(lèi)大規(guī)模集成電路(LSIC)：1970年出現(xiàn)，在一塊硅片上包含103-105個(gè)元件或100-10000個(gè)邏輯門(mén)，如：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。超大規(guī)模集成電路（VLSI):20世紀(jì)70年代后期研制成功,在一塊芯片上集成的元件數(shù)超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，或門(mén)電路數(shù)超過(guò)萬(wàn)門(mén)的集成電路。64k位隨機(jī)存取存儲(chǔ)器是第一代超大規(guī)模集成電路，大約包含15萬(wàn)個(gè)元件，線寬為3微米。目前超大規(guī)模集成電路的集成度已達(dá)到600萬(wàn)個(gè)晶體管，線寬達(dá)到0.3微米。2024/2/228二、集成電路的分類(lèi)特大規(guī)模集成電路(ULSI)：1993年集成了1000萬(wàn)個(gè)晶體管的16MFLASH和256MDRAM的研制成功，特大規(guī)模集成電路的集成組件數(shù)在107～109個(gè)之間。ULSI集成度的迅速增長(zhǎng)的因素：1、完美晶體生長(zhǎng)技術(shù)已達(dá)到極高的水平；2、制造設(shè)備不斷完善，加工精度、自動(dòng)化程度和可靠性的提高已使器件尺寸進(jìn)入深亞微米級(jí)領(lǐng)域。2024/2/229二、集成電路的分類(lèi)巨大規(guī)模集成電路（GSI）：1994年由于集成1億個(gè)元件的1GDRAM的研制成功，進(jìn)入巨大規(guī)模集成電路GSI時(shí)代。巨大規(guī)模集成電路的集成組件數(shù)在109以上。超大規(guī)模集成電路是在幾毫米見(jiàn)方的硅片上集成上萬(wàn)至百萬(wàn)晶體管、線寬在1微米以下的集成電路。由于晶體管與連線一次完成，故制作幾個(gè)至上百萬(wàn)晶體管的工時(shí)和費(fèi)用是等同的。大量生產(chǎn)時(shí)，硬件費(fèi)用幾乎可不計(jì)，而取決于設(shè)計(jì)費(fèi)用。2024/2/2210三、集成電路的封裝形式（一）DIP雙列直插式封裝絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC),均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過(guò)100個(gè)。芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。也可以直接插在電路板上進(jìn)行焊接。特點(diǎn)：1.適合在PCB(上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大2024/2/2211三、集成電路的封裝形式DIP封裝芯片2024/2/2212三、集成電路的封裝形式（二）SIP單列直插式封裝2024/2/2213三、集成電路的封裝形式（三）SOP表面焊接式封裝2024/2/2214三、集成電路的封裝形式（四）QFP塑料方型扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝。QFP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呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片與主板焊接起來(lái)。2024/2/2215三、集成電路的封裝形式QFP與PFP封裝2024/2/2216三、集成電路的封裝形式PFP與QFP的區(qū)別：QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長(zhǎng)方形。QFP/PFP封裝具有以下特點(diǎn)：1.適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線。2.適合高頻使用。3.操作方便，可靠性高。4.芯片面積與封裝面積之間的比值較小。2024/2/2217三、集成電路的封裝形式（五）PGA插針網(wǎng)格陣列封裝2024/2/2218三、集成電路的封裝形式在芯片的內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據(jù)引腳數(shù)目的多少，可以圍成2-5圈。安裝時(shí)，將芯片插入專(zhuān)門(mén)的PGA插座。ZIF是指零插拔力的插座，利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)引腳與插座牢牢地接觸或輕松取出芯片。PGA封裝的特點(diǎn)：插拔方便，可靠性高，可適應(yīng)更高頻率。2024/2/2219三、集成電路的封裝形式（六）BGA球柵陣列封裝5.CDPBGA（Carity

Down

PBGA）基板2024/2/2220三、集成電路的封裝形式BGA封裝技術(shù)又可詳分為五大類(lèi)：1.PBGA基板：一般為2-4層有機(jī)材料構(gòu)成的多層板。2.CBGA基板：即陶瓷基板,芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片的安裝方式。3.FCBGA基板：硬質(zhì)多層基板。4.TBGA基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板。2024/2/2221三、集成電路的封裝形式5.CDPBGA（Carity

Down

PBGA）基板：指封裝中央有方型低陷的芯片區(qū)（又稱(chēng)空腔區(qū)）BGA封裝具有以下特點(diǎn)：1.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳之間的距離遠(yuǎn)大于QFP封裝方式，提高了成品率。2.雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善電熱性能。3.信號(hào)傳輸延遲小，適應(yīng)頻率大大提高。4.組裝可用共面焊接，可靠性大大提高。2024/2/22222024/2/2223三、集成電路的封裝形式目前，BGA已成為極其熱門(mén)的IC封裝技術(shù)，。由于CPU和其他超大型集成電路在不斷發(fā)展，集成電路的封裝形式也不斷作出相應(yīng)的調(diào)整變化，而封裝形式的進(jìn)步又將反過(guò)來(lái)促進(jìn)芯片技術(shù)向前發(fā)展。2024/2/2224四、集成電路的應(yīng)用（一）常用模擬集成電路模擬電子技術(shù)是電子技術(shù)的基礎(chǔ)，模擬集成電路使模擬電路變得容易使用。模擬集成電路按照功能、用途以及工作性質(zhì)可分為：線性IC、非線性IC(接口IC),接口IC是模擬/數(shù)字電路之間過(guò)渡的中介電路，即處理模擬信號(hào)用的非線性或開(kāi)關(guān)類(lèi)型IC。2024/2/2225四、集成電路的應(yīng)用

模擬集成電路的主要類(lèi)型：

1、線性IC：即輸入輸出之間呈線性關(guān)系。主要有：(1)各種放大器：差分放大器（DA)、運(yùn)算放大器(OP)。（2）音響用集成電路：音頻放大器、高/中頻放大器、線性調(diào)制解調(diào)器。（3）寬帶放大器：工作頻率從直流到M\GHZ。（4）電壓調(diào)整器：穩(wěn)壓器等。2024/2/2226四、集成電路的應(yīng)用2、接口IC：一部分工作在線性狀態(tài)，另一部分工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。主要有：（1）電壓比較器。（2）特種功能電路：函數(shù)發(fā)生器、F/V變換器、直流電源變換器等。(3)驅(qū)動(dòng)器：邏輯電平變換驅(qū)動(dòng)、接口專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)等。（4）變換器：ADC、DAC等。(5)開(kāi)關(guān)類(lèi):各種模擬開(kāi)關(guān)、多路調(diào)制解調(diào)器等。(6)接收/發(fā)送器:用于兩種電子設(shè)備之間的出/入口。2024/2/2227四、集成電路的應(yīng)用

模擬集成電路應(yīng)用注意事項(xiàng)：1、安裝：盡量遠(yuǎn)離可能引起正反饋的連線，不要平行走線；輸出線不要靠近輸入部分，盡量縮短輸入線，太長(zhǎng)時(shí)要加剛來(lái)屏蔽措施。2、集成電路電源端要去耦，小電流加0.1μF左右電容，大電流加4.7―100μF電容去耦。3、要進(jìn)行失調(diào)調(diào)整（調(diào)零）。4、保護(hù)：限壓、限流。2024/2/2228四、集成電路的應(yīng)用

（二）數(shù)字集成電路隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)迅猛發(fā)展，很多原來(lái)采用模擬電子技術(shù)的領(lǐng)域，已經(jīng)被數(shù)字電子技術(shù)取代。數(shù)字處理技術(shù)（DSP)的發(fā)展，可以說(shuō)數(shù)字集成電路已經(jīng)或正在改變?nèi)藗兊纳罘绞健５教幎伎梢钥吹剿麄兊纳碛?。通信技術(shù)：已經(jīng)從模擬通信全面進(jìn)入數(shù)字通信時(shí)代，通信速度也越來(lái)越快，從1G時(shí)代已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的4G。從電子通信發(fā)展到光通信。通信使用的集成電路芯片集成度越來(lái)越高，處理器的核的數(shù)量也不斷增加。2024/2/2229四、集成電路的應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)：中央處理器（CPU),處理速度越來(lái)越快，集成度越來(lái)越高，已經(jīng)由單核發(fā)展到多核，已經(jīng)從大規(guī)模集成電路發(fā)展到特大規(guī)模集成電路。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)速度不斷提高，訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的路徑也更加復(fù)雜，核心路由器需要極快的計(jì)算速度，都需要使用集成電路?；ヂ?lián)網(wǎng)已經(jīng)正在從信息連接向物體連接的物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與物、物與物相連，是當(dāng)前信息技術(shù)的一次革命，必將進(jìn)一步改變現(xiàn)有的生活方式。智能家電：已經(jīng)從以前的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字技術(shù)，給人們的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官更好的享受。數(shù)碼相機(jī)等數(shù)字化設(shè)備，讓人們的生活更加豐富多彩。四、集成電路的應(yīng)用軍事領(lǐng)域：誰(shuí)搶占軍事制高點(diǎn)，誰(shuí)就有主動(dòng)權(quán)。新型軍事裝備不斷出現(xiàn)，都離不開(kāi)集成電路。由于集成電路具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)，在軍事裝備真應(yīng)用非常廣泛。航天產(chǎn)品：衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛船、深空探測(cè)器等對(duì)集成電路都提出了更高的要求。航天12所已經(jīng)研制成功2核的SOC芯片，可以大大提高火箭的控制處理能力。2024/2/2230五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì)80年代中期我國(guó)集成電路的加工水平為5微米，其后，經(jīng)歷了3、1、0.8、0.5、

0.35微米的發(fā)展，目前達(dá)到了0.18微米的水平，而當(dāng)前國(guó)際水平為0.09微米（90納米），我國(guó)與之相差約為2-3代。摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。2024/2/22312024/2/2232五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀工信部統(tǒng)計(jì)顯示，截至2013年年底中國(guó)手機(jī)用戶數(shù)已突破12億，作為手機(jī)核心部件的芯片，樂(lè)觀估計(jì)占比也不足兩成。4G手機(jī)采用的芯片，則基本上都是依靠國(guó)外進(jìn)口。2013年我國(guó)集成電路進(jìn)口額高達(dá)2313億美元，同比增長(zhǎng)20.5%，而同期我國(guó)原油進(jìn)口總額約2196億美元。事實(shí)上，中國(guó)有十余年集成電路進(jìn)口額超過(guò)石油，長(zhǎng)期居各類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品之首。2013年，4G一期招標(biāo)美國(guó)高通芯片中標(biāo)終端產(chǎn)品占一半以上，而國(guó)產(chǎn)芯片廠商只有華為海思中標(biāo)。2024/2/2233五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心發(fā)布的《二十國(guó)集團(tuán)國(guó)家創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)力黃皮書(shū)》指出，中國(guó)關(guān)鍵核心技術(shù)對(duì)外依賴度高，80%芯片都靠進(jìn)口。我國(guó)一年制造11.8億部手機(jī)、3.5億臺(tái)計(jì)算機(jī)、1.3億臺(tái)彩電，都是世界第一，但嵌在其中的芯片專(zhuān)利費(fèi)用卻讓中國(guó)企業(yè)淪為國(guó)際廠商的打工者。目前我國(guó)芯片設(shè)計(jì)水平與國(guó)際基本相當(dāng)，封裝技術(shù)水平有4至5年差距，制造工藝差距在3年半左右。2024/2/2234五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)工信部發(fā)布了《2013年集成電路行業(yè)發(fā)展回顧及展望》，指出2013年我國(guó)集成電路行業(yè)整體復(fù)蘇態(tài)勢(shì)強(qiáng)勁，經(jīng)營(yíng)效益大幅改善。報(bào)告預(yù)計(jì)，2014年我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)整體形勢(shì)好于2013年，集成電路設(shè)計(jì)仍將是全行業(yè)增長(zhǎng)亮點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)增速預(yù)計(jì)將比2013年提高5-10個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到15%以上。2013年集成電路全年完成銷(xiāo)售產(chǎn)值2693億元，同比增長(zhǎng)7.9%，增幅高于上年2.9個(gè)百分點(diǎn);累計(jì)生產(chǎn)集成電路866.5億塊，同比增長(zhǎng)5.3%。2024/2/2235五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)目前，集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正處于良性調(diào)整階段。2013年IC設(shè)計(jì)收入增長(zhǎng)19%，設(shè)計(jì)業(yè)在全行業(yè)中比重超過(guò)30%，重點(diǎn)企業(yè)快速成長(zhǎng)，本土封裝測(cè)試企業(yè)業(yè)績(jī)也有大幅增長(zhǎng)。產(chǎn)業(yè)生態(tài)的變革對(duì)IC設(shè)計(jì)業(yè)形成了巨大的沖擊，傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)企業(yè)在開(kāi)發(fā)好芯片后交由整機(jī)廠進(jìn)行方案開(kāi)發(fā)及整機(jī)產(chǎn)品推廣。進(jìn)入SoC后發(fā)展為“芯片+解決方案”，更依賴于原廠提供技術(shù)支持。IC設(shè)計(jì)企業(yè)因此需要額外承擔(dān)幾倍于IC設(shè)計(jì)人員的軟硬件解決方案及技術(shù)支持隊(duì)伍的人力成本。五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)目前，由科技部認(rèn)定的國(guó)家級(jí)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化基地共有北京、上海、深圳、無(wú)錫、杭州、成都、西安和濟(jì)南8家，經(jīng)認(rèn)定的600多家集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)也坐落在這8個(gè)城市。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局來(lái)看，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)集群化分布進(jìn)一步顯現(xiàn)，已初步形成以長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角三大核心區(qū)域聚集發(fā)展的產(chǎn)業(yè)空間格局。2024/2/2236五、我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)及發(fā)展趨勢(shì)長(zhǎng)三角地區(qū)，目前國(guó)內(nèi)55%的集成電路制造企業(yè)、80%的封裝測(cè)試企業(yè)以及近50%的集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)都集中在該地區(qū)。環(huán)渤海地區(qū)是國(guó)內(nèi)重要的集成電路研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造基地，該地區(qū)已基本形成了從設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試到設(shè)備、材料的產(chǎn)業(yè)鏈，具備了相互支撐、協(xié)作發(fā)展的條件。珠三