1-集成电路概述

新型电子线路设计及应用杨红姣137893296892020/2/92烟盒大小的MD、MP3播放机、数字录音笔、掌上型电脑、具有通讯功能的电子手表、护照般大小的数字摄像机、超小型移动电话等，正在走进我们的生活，甚至成为人们的日常用品。新一代个人移动电子装置更将无线通讯、高密度彩显与电脑集为一体。微电子技术改变着我们的生活2020/2/93微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路(integratedcircuit)IC的三大产业IC设计IC制造IC封装与测试2020/2/94集成电路概述一、什么是集成电路二、集成电路的分类三、集成电路对人类社会的巨大作用四、集成电路的发展五、国内外集成电路发展现状2020/2/95IntegratedCircuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。一、集成电路2020/2/96封装好的集成电路2020/2/97集成电路•集成电路的内部电路VddABOut2020/2/98硅单晶片与加工好的硅片2020/2/99集成电路芯片的显微照片2020/2/910集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求2020/2/911芯片制造过程2020/2/912二、集成电路的分类集成电路的分类可按：器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域2020/2/913按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高2020/2/914按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）2020/2/915划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞1092020/2/916按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路2020/2/917按电路功能分类数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等三、集成电路对人类社会的巨大作用2020/2/919社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机或通讯机，它们的基础都是集成电路。集成电路：信息社会发展的基石2020/2/920集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位2020/2/921销售额利润利润率Intel公司294亿美元73亿美元24.8%我国一家以计算机销售生产为主的IT企业200亿人民币5亿人民币2.5%我国的VCD产业2%我国IT企业与Intel公司利润的比较同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。2020/2/922如果我们不发展集成电路产业IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。2020/2/923几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)集成电路对传统产业的渗透与带动作用2020/2/924电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度。数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济。2020/2/925集成电路对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战2020/2/926四、集成电路的发展2020/2/927晶体管的发明理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求2020/2/928晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain.Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验;1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管.2020/2/9291947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain(肖克莱、巴丁、布拉顿)获得1956年Nobel物理奖2020/2/930集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想.1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果.2020/2/9311958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖2020/2/932集成电路发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新.2020/2/9332020/2/9342020/2/9352020/2/936集成电路技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步按此比率下降，小汽车价格不到1美分年份特征参数19591970-19712000比率设计规则m2580.18140电源电压VDD(伏）551.53硅片直径尺寸（mm）53030060集成度6210321093108DRAM密度（bit)1K1G106微处理器时钟频率(Hz)750K1G103平均晶体管价格$100.310-61072020/2/937集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU集成器件制造商(IDM—IntegratedDeviceManufactoryCo.),产品主要用于自己的整机和系统标准工艺加工厂或称代客加工厂，即FoundryFoundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工2020/2/938随着技术进步，建厂费用呈指数增加，这时必然出现两种趋向：各相关公司联合建厂IBM、Infineon与UMC的联合将更多业务交给Foundry，降低成本Motorola已经表示到2001年，已有50%以上的产能需从外部提供日本Kawasaki公司取消他们计划建设的0.18m的工厂，代之以与Foundry的合作2020/2/93967%13%18%2%AsiaNorthAmericaJapanEurope2000年Foundry业务地区分布2020/2/940Foundry类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例（资料来源：Dataquest）0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%19992012因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest：未来属于Foundry2020/2/9412002年度十大晶圆代工厂排名单位：亿美元公司名称销售量排名2001年排名台积电（TSMC）5111台联电（UMC）2222特许半导体（Chartered）5.0533韩国Anan2.444德国X-fab2.455马来西亚Silterra1.2612马来西亚1stSilicon1.15713上海先进（ASMC）1.186中芯国际（SMIC）0.959-新加坡SSMC0.910112020/2/942集成电路设计滞后现象0.010.11101980198519901995200020052010微米芯片复杂度栅长58%/年20%/人年设计产率差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成电路设计能力增长跟不上芯片复杂度的增长速率五、国内外集成电路发展现状2020/2/944A、国内工业界的集成电路设计情况近年来，我国IC设计业如雨后春笋般发展，目前，大约有300家设计公司，主要分布在上海及长江三角洲地区、北京及华北东北地区、深圳及珠江三角洲地区和西安、成都等中西部地区。2020/2/945集成电路设计园区：北京、上海、西安、无锡、杭州、深圳等。主流设计为0.8μm-1.5μm。能够达到0.25μm设计水平或百万门级产品设计能力的企业很少。设计人员10000人。人数超过50人的设计公司不足40家。2020/2/946我国集成电路生产能力方面：93年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%，相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。96年为7.09亿块，而1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块,国内市场占有率仅为10％。99年为23亿块,销售额70多亿元，国