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阅读 3971 次 历史版本 0个 创建者:覃欢 (2014/9/9 15:24:48)  最新编辑:覃欢 (2014/9/9 15:24:48)
芯片
拼音:Xīn Piàn (Xin Pian)
英文:chip
同义词条:微电路, 微芯片
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  集成电路(英语:integrated circuit, IC),或称微电路(microcircuit)、 微芯片(microchip)、芯片(chip),在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。本文是关于单片(monolithic)集成电路,即薄膜集成电路。


  晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化IC 代替了设计使用离散晶体管。

  IC 对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm?,每mm?可以达到一百万个晶体管。

  第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。

  根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:

  小规模集成电路

  SSI 英文全名为 Small Scale Integration, 逻辑门10个以下 或 晶体管 100个以下。

  中规模集成电路

  MSI 英文全名为 Medium Scale Integration, 逻辑门11~100个 或 晶体管 101~1k个。

  大规模集成电路

  LSI 英文全名为 Large Scale Integration, 逻辑门101~1k个 或 晶体管 1,001~10k个。

  超大规模集成电路

  VLSI 英文全名为 Very large scale integration, 逻辑门1,001~10k个 或 晶体管 10,001~100k个。

  甚大规模集成电路

  ULSI 英文全名为 Ultra Large Scale Integration, 逻辑门10,001~1M个 或 晶体管 100,001~10M个。

  GLSI 英文全名为 Giga Scale Integration, 逻辑门1,000,001个以上 或 晶体管10,000,001个以上。

  而根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路、和兼具模拟与数字的混合信号集成电路。

发展


  最先进的集成电路是微处理器多核处理器的“核心(cores)”,可以控制电脑到手机到数字微波炉的一切。存储器和ASIC是其他集成电路家族的例子,对于现代信息社会非常重要。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个IC的成本最小化。IC的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。

  这些年来,IC 持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能-见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每两年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了-单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC不是没有问题,主要是泄漏电流(leakage current)。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图(ITRS)中有很好的描述。

  越来越多的电路以集成芯片的方式出现在设计师手里,使电子电路的开发趋向于小型化、高速化。越来越多的应用已经由复杂的模拟电路转化为简单的数字逻辑集成电路。


  从1930年代开始,元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室的William Shockley认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜,再到,原料在1940到1950年代被系统的研究。今天,尽管元素中期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如:发光二极管、激光太阳能电池和最高速集成电路,单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。

  半导体IC制程,包括以下步骤,并重复使用:

  黄光(微影)

  蚀刻

  薄膜

  扩散

  CMP

  使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层。然后使用微影、扩散、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件,然后利用微影、薄膜、和CMP技术制成导线,如此便完成芯片制作。因产品性能需求及成本考量,导线可分为铝制程和铜制程。

  IC 由很多重叠的层组成,每层由图像技术定义,通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层(成为扩散层),一些定义哪里额外的离子灌输(灌输层),一些定义导体(多晶硅或金属层),一些定义传导层之间的连接(过孔或接触层)。所有的组件由这些层的特定组合构成。

  在一个自排列(CMOS)过程中,所有门层(多晶硅金属)穿过扩散层的地方形成晶体管。

  电阻结构,电阻结构的长宽比,结合表面电阻系数,决定电阻。

  电容结构,由于尺寸限制,在IC上只能产生很小的电容。

  更为少见的电感结构,可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。

  因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换,CMOS设备比双级组件消耗的电流少很多。

  随机存取存储器(random access memory)是最常见类型的集成电路,所以密度最高的设备是存储器,但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂-几十年来芯片宽度一直减少-但集成电路的层依然比宽度薄很多。组件层的制作非常像照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光组件层,因为他们太大了。高频光子(通常是紫外线)被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小,对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说,电子显微镜是必要工具。

  在使用自动测试设备(ATE)包装前,每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块,每个被称为“die”。每个好的die 被焊在“pads”上的铝线或金线,连接到封装内,pads通常在die的边上。封装之后,设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本产品的制造成本的25%,但是对于低产出,大型和/或高成本的设备,可以忽略不计。

  在2005年,一个制造厂(通常称为半导体工厂,常简称fab,指fabrication facility)建设费用要超过10亿美金,因为大部分操作是自动化的。

封装

  最早的集成电路使用陶瓷扁平封装,这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装(dual in-line package, DIP),开始是陶瓷,之后是塑料。1980年代,VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制,最后导致插针网格数组和leadless chip carrier(LCC)的出现。

  表面贴的封装在1980年代初期出现,80年代后期开始流行。他使用更细的脚间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)为例,比相等的DIP面积少30-50%,厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出,引脚间距为0.05英寸。

  Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)和PLCC封装。1990年代,尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP和thin small-outline package(TSOP)成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理器现在从PGA封装转到了land grid array(LGA)封装。

  Ball grid array(BGA)封装从1970年代开始出现,1990年代开发了比其他封装有更多管脚数的Flip-chip Ball Grid Array(FCBGA)封装。在FCBGA封装中,芯片(die)被上下翻转(flipped)安装,通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列(称为I/O区域)分布在整个芯片的表面,而不是限制于芯片的外围。

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