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集成电路(芯片)对一般人来说或许会有生疏感,但其实咱们和它打交道的时机许多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等,不计其数。除此之外在航空航天、星际飞翔、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多范畴,简直都离不开集成电路的运用,当今国际,说它无孔不入并不过火。
在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业完结信息化、智能化的根底。无论是在军事仍是民用上,它已起着不行代替的效果。
集成电路(Integrated Circuit)便是把一个单元电路或一些功用电路,乃至某一整机的功用电路会集制作在一个晶片上,再封装在一个便于设备、焊接的外壳中的电路上。集成电路有膜(薄膜、厚膜)、半导体集成电路及混合集成电路。半导体集成电路是运用半导体工艺将一些晶体管、电阻器、电容器以及连线等制作在很小的半导体资料或绝缘基片上,构成一个完好电路,封装在特制的外壳中,从壳内向壳外接出引线,半导体集成电路常用IC表明。
集成电路制作进程首要分为前工序和后工序两部分。前工序包含掩膜版加工和晶圆加工,后工序包含中测、封装或绑定以及成测。
集成电路的展开阅历了一个绵长的进程,以下以时刻次序,简述一下它的展开进程。1906年,榜首个电子管诞生;1912年前后,电子管的制作日趋老练引发了无线年前后,逐渐发现了半导体资料;1920年,发现半导体资料所具有的光敏特性;1932年前后,运用量子学说树立了能带理论研讨半导体现象;1956年,硅台面晶体管面世;1960年12月,国际上榜首块硅集成电路制作成功;1966年,美国贝尔实验室运用比较完善的硅外延平面工艺制作成榜首块公认的大规划集成电路。1988年:16MDRAM面世,1平方厘米巨细的硅片上集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规划集成电路阶段的更高阶段。1997年:300MHz腾跃Ⅱ面世,选用0.25μm工艺,腾跃系列芯片的推出让计算机的展开如虎添翼,展开速度让人惊叹。2009年:intel酷睿i系列全新推出,创纪录选用了抢先的32纳米工艺,而且下一代22纳米工艺正在研制。集成电路制作工艺的日益老练和各集成电路厂商的不断竞赛,使集成电路发挥了它更大的功用,更好的服务于社会。由此集成电路从发生到老练大致阅历了如下进程:
电子管,是一种在气密性关闭容器中发生电流传导,运用电场对真空中的电子流的效果以取得信号扩大或振动的电子器材。因为电子管体积大、功耗大、发热凶猛、寿命短、电源运用功率低、结构软弱而且需求高压电源的缺陷,很快就不合适展开的需求,被筛选的命运就没躲过。
晶体管,是一种固体半导体器材,能够用于检波、整流、扩大、开关、稳压、信号调制和许多其它功用。晶体管很快就成为计算机“抱负的神经细胞”,然后得到广泛的运用。尽管晶体管的功用比电子管大了许多,但因为电子信息技能的展开,晶体管也越来越不合适科技的展开,随之出现的便是才能更强的集成电路了。
几根零乱的电线将五个电子元件衔接在一同,就构成了历史上榜首个集成电路。尽管它看起来并不漂亮,但事实证明,其作业效能要比运用离散的部件要高得多。历史上榜首个集成电路出自杰克-基尔比之手。其时,晶体管的创造弥补了电子管的缺乏,但工程师们很快又遇到了新的费事。为了制作和运用电子电路,工程师不得不亲身手艺拼装和衔接各种分立元件,如晶体管、二极管、电容器等。
其实,在20世纪50年代,许多工程师都想到了这种集成电路的概念。美国仙童公司联合创始人罗伯特-诺伊斯便是其间之一。在基尔比研制出榜首块可运用的集成电路后,诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型。1960年,仙童公司制作出榜首块能够实践运用的单片集成电路。诺伊斯的计划终究成为集成电路大规划出产中的实用技能。基尔比和诺伊斯都被颁发“美国国家科学奖章”。他们被公以为集成电路一同创造者。
今后,跟着集成电路芯片封装技能的运用,处理了集成电路免受外力或环境要素导致的损坏的问题。集成电路芯片封装是指运用膜技能及微细加工技能,将芯片及其他重要要素在结构或基板上安置、张贴固定及衔接,引出接线端子并经过可塑性绝缘介质灌封固定,构成全体立体结构的工艺。这样按电子设备整机要求机型衔接和安装,完结电子的、物理的功用,使之转变为适用于整机或体系的方式,就大大加速了集成电路工艺的展开。
跟着电子技能的继续展开,超大规划集成电路应运而生。1967年出现了大规划集成电路,集成度敏捷前进;1977年超大规划集成电路面世,一个硅晶片中现已能够集成15万个以上的晶体管;1988年,16M DRAM面世,1平方厘米巨细的硅片上集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规划集成电路(VLSI)阶段;1997年,300MHz腾跃Ⅱ面世,选用0.25μm工艺,腾跃系列芯片的推出让计算机的展开如虎添翼,展开速度让人惊叹,至此,超大规划集成电路的展开又到了一个新的高度。2009年,intel酷睿i系列全新推出,创纪录选用了抢先的32纳米工艺,而且下一代22纳米工艺正在研制。集成电路的集成度从小规划到大规划、再到超大规划的敏捷展开,要害就在于集成电路的布图规划水平的敏捷前进,集成电路的布图规划由此而日益杂乱而精密。这些技能的展开,使得集成电路的展开进入了一个新的展开的里程碑。信任跟着科技的展开,集成电路还会有更高的展开。
我国的集成电路工业起步于20世纪60年代中期,1976年,我国科学院计算机研讨所研制成功1000万次大型电子计算机所运用的电路为我国科学院109厂研制的ECL型电路;1986年,电子部提出“七五”期间,我国集成电路技能“531”展开战略,即推进5微米技能,开发3微米技能,进行1微米技能科技攻关;1995年,电子部提出“九五”集成电路展开战略:以商场为导向,以CAD为打破口,产学研用相结合以我为主,展开国际合作,强化出资;在2003年,我国半导体占国际半导体销售额的9%,电子商场到达860亿美元,我国成为国际第二大半导体商场,我国中高技能产品的需求将成为国民经济新的添加动力。到现在现已初具规划,构成了产品规划、芯片制作、电路封装一同展开的态势。咱们信任,跟着我国经济的展开和对集成电路的注重程度的前进,我国集成电路作业也会有更大的展开!
自从IC诞生以来,IC芯片的展开根本上遵从了公司创始人之一的Gordon E. Moore 1965年言语的摩尔规则。该规则为:
当价格不变时,集成电路上可包容的晶体管数目,约每隔18个月便会添加一倍,功用也将前进一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑功用,将每隔18个月翻两倍以上。
在上个世纪八十年代初期,消费类电子产品(立体声收音机、彩色电视机和盒式录相机)是半导体需求的首要推进力。从八十年代末开端,个人计算机成为半导体需求强壮的推进力。至今,PC依然推进着半导体产品的需求。
从九十年代至今,通讯与计算机一同占有了国际半导体需求的2/3。其间,通讯的添加最快。信息技能正在改动咱们的日子,影响着咱们的作业。信息技能在前进企业竞赛力的一起,已成为国际经济添加的新动力。
2004年,亚太地区已成为国际最大的半导体商场,其首要的推进力是我国国内需求的添加和我国作为国际出产基地所带来的快速添加。电子终端产品的出产将不断从日本和亚洲其他地区转移到我国。
按其功用不同可分为模仿集成电路和数字集成电路两大类。前者用来发生、扩大和处理各种模仿电信号;后者则用来发生、扩大和处理各种数字电信号。所谓模仿信号,是指起伏随时刻连续改动的信号。例如,人对着话筒说话,话筒输出的音频电信号便是模仿信号,收音机、收录机、音响设备及电视机中接纳、扩大的音频信号、电视信号,也是模仿信号。所谓数字信号,是指在时刻上和起伏上离散取值的信号,例如,电报电码信号,按一下电键,发生一个电信号,而发生的电信号是不连续的。这种不连续的电信号,一般叫做电脉冲或脉冲信号,计算机中运转的信号是脉冲信号,但这些脉冲信号均代表着切当的数字,因而又叫做数字信号。在电子技能中,一般又把模仿信号以外的非连续改动的信号,统称为数字信号。现在,在家电修理中或一般性电子制作中,所遇到的首要是模仿信号;那么,触摸最多的将是模仿集成电路。
集成电路按其制作工艺不同,可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类。半导体集成电路是选用半导体工艺技能,在硅基片上制作包含电阻、电容、三极管、二极管等元器材并具有某种电路功用的集成电路;膜集成电路是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上,以“膜”的方式制作电阻、电容等无源器材。无源元件的数值规划能够作得很宽,精度能够作得很高。但现在的技能水平尚无法用“膜”的方式制作晶体二极管、三极管等有源器材,因而使膜集成电路的运用规划遭到很大的束缚。在实践运用中,多半是在无源膜电路上外加半导体集成电路或分立元件的二极管、三极管等有源器材,使之构成一个全体,这便是混合集成电路。根据膜的厚薄不同,膜集成电路又分为厚膜集成电路(膜厚为1μm~10μm)和薄膜集成电路(膜厚为1μm以下)两种。在家电修理和一般性电子制作进程中遇到的首要是半导体集成电路、厚膜电路及少数的混合集成电路。
按集成度凹凸不同,可分为小规划、中规划、大规划及超大规划集成电路四类。对模仿集成电路,因为工艺要求较高、电路又较杂乱,所以一般以为集成50个以下元器材为小规划集成电路,集成50-100个元器材为中规划集成电路,集成100个以上的元器材为大规划集成电路;对数字集成电路,一般以为集成1~10等效门/片或10~100个元件/片为小规划集成电路,集成10~100个等效门/片或100~1000元件/片为中规划集成电路,集成100~10,000个等效门/片或1000~100,000个元件/片为大规划集成电路,集成10,000以上个等效门/片或100,000以上个元件/片为超大规划集成电路。
按导电类型不同,分为双极型集成电路和单极型集成电路两类。前者频率特性好,但功耗较大,而且制作工艺杂乱,绝大多数模仿集成电路以及数字集成电路中的TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL型归于这一类。后者作业速度低,但输人阻抗高、功耗小、制作工艺简略、易于大规划集成,其首要产品为MOS型集成电路。MOS电路又分为NMOS、PMOS、CMOS型。
跟着集成了上千乃至上万个电子元件的大规划集成电路和超大规划集成电路的出现,电子计算机展开进入了第四代。第四代计算机的根本元件是大规划集成电路,乃至超大规划集成电路,集成度很高的半导体存储器代替了磁芯存储器,运算速度可达每秒几百万次,乃至上亿次根本运算。
计算机首要部分简直都和集成电路有关,CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等,无不与集成电路有关。而且专家经过最新技能把越来越多的元件集成到一块集成电路板上,并使计算机具有了更多功用,在此根底上发生许多新式计算机,如掌上电脑、指纹识别电脑、声控计算机等等。跟着高新技能的展开必将会有越来越多的高新计算机出现在咱们面前。
集成电路在通讯中运用广泛,比如通讯卫星,手机,雷达等,我国自主研制的“斗极”导航体系便是其间典型一例。
“斗极”导航体系是我国具有自主常识产权的卫星定位体系,与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略体系并称为全球4大卫星导航体系。它的研讨成功,打破了卫星定位导航运用商场由国外GPS独占的局势。前不久,我国已成功发射了第二代斗极导航实验卫星,未来将构成由5颗停止轨迹卫星和30颗非停止轨迹卫星组成的网络,我国自主卫星定位导航正在由实验向运用快速展开。
将代替“斗极”导航体系内国外芯片的“领航一号”,还可广泛运用于海陆空交通运输、有线和无线通讯、地质勘探、资源查询、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密丈量、方针监控等范畴。
近年来,跟着高新技能的迅猛展开,雷达技能有了较大的展开空间,雷达与反雷达的相对平衡状况不断被打破。有源相控阵是近年来正在敏捷展开的雷达新技能,它将成为前进雷达在恶劣电磁环境下抵挡快速、机动及隐身方针的一项要害技能。有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大规划集成电路、高速计算机、先进固态器材及光电子技能为一体的高新技能产品。
相比之下毫米波雷达具有扶引精度高、抗搅扰才能强、多普勒分辨率高、等离子体穿透才能强等特征;因而其广泛的用于末制导、引信、工业、医疗等方面。无论是军用仍是民用,都对毫米波雷达技能有广泛的需求,长途毫米波雷达在展开航天作业上有广泛的运用远景,是处理对远距离、多批、高速飞翔的空间方针的精密观测和准确制导的要害手法。能够意料各种战术、战略运用的毫米波雷达将逐渐增多。
跟着社会的展开和科学技能的不断前进,人们对医疗健康、日子质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求。一起,依托于高新范畴电子技能的各种医治和监护手法越来越先进,也使得医疗产品打破了以往观念的束缚和束缚,在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足展开。许多专家从医疗健康范畴的需求剖析下手,从集成电路技能的视点对医疗健康范畴的运用的要害技能(现状和远景)做了大致的剖析讨论。
跟着集成电路越来越多的进入现代医学,现代医学有了长足前进。在医学办理方面IC卡医疗仪器办理体系便是典型代表。IC卡医疗仪器办理体系集I C卡、监控、计算机网络办理于一体,凭卡查看,电子主动计时计次,可完结充值、打印,报表功用。体系功用安稳,运转牢靠;操控医疗外部要害部位,不与医疗仪器内部线路衔接,不影响医疗仪器功用,不发生任何搅扰;办理机与智能床有机结合,剖析计次;印象体系主动识别,有用处理患者复查问题;轻松完结网络化办理,可随时查阅档案记载,计算恣意时刻内的就医人数。
在健康运用方面,暂时心脏起搏器作为医治各种病因导致的一过性缓慢型心律失常及植入永久心脏起搏器前的过渡性医治,已广泛运用于临床作业,技能老练。在非心脏的外科手术患者中兼并有心动过缓及传导阻滞者,在围手术期可因为麻醉、药物及手术的影响,加剧心动过缓及传导阻滞,添加了手术危险,束缚了外科手术的展开,而植入暂时心脏起搏器可有用处理上述问题,添加此类患者围手术期的安全性。
磁振造影仪是一种新式医疗设备,关于医治许多疾病有它一起的成效。磁振造影仪(MRI)是运用磁振造影的原理,将人体置于强壮均匀的静磁场中,透过特定的无线电波脉冲来改动区域磁场,藉此激起人体安排内的氢原子核发生共振现象,而发生磁矩改动信号。因为身体中有不同的安排及成份,性质也各异,所以会发生巨细不同的信号,再经由计算机运算及变换为印象,将人体的剖面安排结构及病灶出现为各种切面的断层印象。
身体简直任何部位皆可履行MRI查看,印象非常明晰与细腻,尤其是对软安排的显影,不是任何其它医学印象体系所能比较的。现在常用的MRI印象乃是根据各安排内核磁共振信号所树立的,氢是人体安排中最多的成份,因而MRI印象可确诊各种疾病,包含脑部癌病、水肿、血梗,神经的脱鞘与脂肪不正常散布,铁成份的堆积性疾病、出血,以及心肌不正常缩短等。
MRI的长处除了不需求侵入人体,即可得人体各种结构安排之恣意截面剖面图,且可获取其它很多的物理参数信息,MRI查看在国内外十几年来至今没有发现对人体有任何副效果。
说到集成电路咱们就不得不说到咱们的日常日子,在咱们日子中与集成电路有关的产品随处可见。手机、电视、数码相机、摄像机等都与咱们的日子联络越来越近。
跟着技能的前进和社会的展开,手机以其一起的传达功用,日益成为人们获取信息、学习常识、交流思想的重要东西,成为文明传达的重要渠道。现在,我国已有手机用户5亿多,构成以手机为载体的网站、报纸、出版物等新的文明。手机功用和手机样式也在不断更新,以习惯现代人们日子的要求。各式各样的手机连续面世,从小灵通到具有摄像功用的高新手机,手机职业正在以惊人冲击人们的思维和视野。
在科学技能与信息同步革新的社会展开进程中,电视传达对整个社会的分配影响效果非常显着。因为电视是一种改动多端的实践、技巧和技能,所以家庭自身也变成了一种家庭技能的杂乱网络。正如电经过电视、电脑、电信技能与外部从头树立新的联络相同,电视重组了家庭的时刻、空间、家庭空闲和家庭人物。正因而,电视传达逐渐地融入了群众日子,使人们日子方式和价值观均发生了深入的改动。伴跟着现代社会节奏的加速,外界文娱费用的增涨,电视传达的遍及,现已为人们呆在家中供给了足够的理由和条件,足不出户却能够感触社会攀谈带来的人际外交感觉。
此外,电视传达关于乡村家庭的经济展开、社会的信息流转和群众家庭的教育都有很大的效果,电视传达也影响了家庭的装饰风格与布局,因为电视设备在家庭中占有空间的原因,出现了电视装饰墙以求漂亮。
跟着集成办法学和微细加工技能的继续老练和不断展开,以及集成技能运用范畴的不断扩大,集成电路的展开趋势将出现小型化、体系化和关联性的态势。
自1965年以来,集成电路继续地按摩尔规则添加,即集成电路中晶体管的数目每18个月添加一倍。每2~3年制作技能更新一代,这是根据栅长不断缩小的成果,器材栅长的缩小又根本上按照等比例缩小的准则,一起促进了其它工艺参数的前进。估计在未来的10~15年,摩尔规则仍将是集成电路展开所遵从的一条规则,按此规则,CMOS器材从亚半微米进入纳米年代,即器材的栅长小于100nm转到小于50 nm的时刻将在2010年前后。
跟着集成电路技能的继续展开,不同类型的集成电路彼此镶嵌,已构成了各种嵌入式体系(Embedded System)和片上体系(System on Chip即SoC)技能。也便是说,在完结从集成电路(IC)到体系集成(IS)的过渡中,能够将一个电子子体系或整个电子体系集成在一个芯片上,然后完结信息的加工与处理功用。SoC作为体系级集成电路,它可在单一芯片上完结信号收集、转化、存储、处理和I/O等功用,它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上,然后完结一个完好的体系功用。SoC的制作首要触及深亚微米技能、特别电路的工艺兼容技能、规划办法的研讨、嵌入式IP核规划技能、测验战略和可测性技能以及软硬件协同规划技能和安全保密技能。SoC以IP复用为根底,把已有优化的子体系乃至体系级模块归入到新的体系规划之中,然后完结集成电路规划才能的第4次腾跃,并必将导致又一次以体系芯片为特征的信息工业革命。
微细加工技能的不断老练和运用范畴的不断扩大,必将带动一系列交叉学科及其有关技能的展开,例如微电子机械体系、微光电体系、DNA芯片、二元光学、化学剖析芯片以及作为电子科学和生物科学结合的产品——生物芯片的研讨开发等,它们都将取得显着发展。
运用是集成电路工业链中不行或缺的重要环节,是集成电路终究进入顾客手中的必经之途。除众所周知的计算机、通讯、网络、消费类产品的运用外,集成电路正在不断开辟新的运用范畴。比如微机电体系,微光机电体系、生物芯片(如DNA芯片)、超导等,这些立异的运用范畴正在构成新的工业添加点。
按现在状况猜测,15年后,半导体上一个实体的栅长将只要9 nm,这就需求更微细且准确的技能打破,这首先会会集在出产资料的物理性质以及工艺规划等才能上。而能否顺畅打破这些妨碍,晶圆制作工艺能否到达更进一步的微细化与精密化则是其要害,一起也对半导体工艺技能与后续的研制方向有着深远的影响。归纳起来,其要害技能如下:
该技能能使CPIJ内集成的晶体管数量到达10亿个,而且在高达20GHz的主频下运转,然后使CPU到达每秒1亿次的运算速度。此外,BBUL封装技能还能在同一封装中支撑多个处理器,因而服务器的处理器能够在一个封装中有2个内核,然后比独立封装的双处理器取得更高的运算速度。此外,BBUL封装技能还能下降CPIJ的电源耗费,从而可削减高频发生的热量。
是在高密度多层互连基板上,选用微焊接和封装工艺拼装各种微型化片式元器材和半导体集成电路芯片,构成高密度、高速度、高牢靠的三维立体组织的高档微电子组件的技能,其代表产品为多芯片组件(MCM)。
器材特征尺度的缩小,取决于曝光技能的前进。在0.07μm阶段,曝光技能仍是一个问题,估计再有1~2年左右的时刻就可取得打破。至于在65 nm以下,是选用Extra UV仍是选用电子束的步进光刻机,现在还在研讨之中。
铜互连技能已在0.18μm和0.13μm技能代中运用,可是,在0.10μm今后,铜互连与低介电常数绝缘资料一同运用时的牢靠性问题还有待研讨和开发。
首要包含体系集成封装技能、50μm以下超薄反面减薄技能、圆片级封装技能、无铅化产品技能等。
应变硅的电子和空穴迁移率显着高于一般的无应变硅资料,其间以电子迁移率前进尤为显着。以Si0.8Ge0.2层上的应变硅为例,其电子迁移率能够前进50%以上,这可大大前进NMOS器材的功用,这对高速高频器材来说至关重要。对现有的许多集成电路出产线而言,假如选用应变硅资料,则能够在根本不添加出资的状况下使出产的IC功用显着改进,一起也能够大大延伸花费巨额出资建成的IC出产线的运用年限。
2024-March-16
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