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ICBaseTraining 集成电路基础知识 一 集成电路的基本概念及分类 第一节集成电路的基本概念知识 1 什么是集成电路 我们通常所说的 芯片 指集成电路 那什么是集成电路呢 所谓集成电路就是把一个单元电路或一些功能电路 甚至某一整机的功能电路集中制作在一个晶片上 再封装在一个便于安装 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 半导体集成电路是利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材料或绝缘基片上 形成一个完整电路 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表示 集成电路的英文是 IntegratedCircuit简称为IC 通用集成电路GeneralIC例如单片机 存储器等 通用都可以理解为一般常用的 专用集成电路ApplicationSpecificIntegratedCircuit简称为ASICASIC是专门为了某一种或几种特定功能而设计的 它也是相对于通用集成电路而言的 除通用的一些集成电路外 都可称为专用集成电路 2 集成电路的分类 ASIC可以分为全定制 FullCustom 半定制 Semi Custom 全定制 Full Custom 是一种基于晶体管级的ASIC设计方式 包括在晶体管的版图尺寸 位置及布局布线等技术细节上的精心设计 最后将设计结果交由厂家去进行掩模制造 制造成芯片 这种设计方法的优点是芯片可以获得最优的性能 即面积利用率高 速度快 功耗低 而缺点是开发周期长 费用高 只适合大批量产品开发 半定制 Semi Custom 是一种约束性ASIC设计方式 半定制ASIC通常是包含门阵列 GataArray 和标准单元 StandardCell 设计法 这两种方法都是约束性的设计方法 其主要目的就是简化设计 牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间 3 ASIC的分类 电路设计 版图设计 集成电路芯片的显微照片 集成电路制造流程 1 掩膜版加工2 晶圆加工3 中测 切割 减薄 挑粒 4 封装或绑定5 成测 前工序 后工序 集成电路制造流程 掩膜版加工 在半导体制造的整个流程中 其中一部分就是从版图到wafer制造中间的一个过程 即光掩膜或称光罩 mask 制造 这一部分是流程衔接的关键部分 是流程中造价最高的一部分 也是限制最小线宽的瓶颈之一 现代光刻依靠的一种类似于放大照片底片的投影印刷 图是简化的曝光过程 透镜系统校准一个强UV光源 称为光罩的金属盘子会挡住光线 UV光穿过光罩中透明的部分和另外的透镜在wafer上形成图像 晶圆是指硅半导体积体电路制作所用的硅晶片 由于其形状为圆形 故称为晶圆 它多指单晶圆片 由普通的硅沙提炼而成 是最常用的半导体材料 它的常用直径尺寸分为4英寸 5英寸 6英寸 8英寸等规格 近来发展出12英寸甚至更大规格的 晶圆越大 同一圆片上可生产的IC就越多 可降低成本 但要求材料技术和生产技术更高 在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构 而成为有特定电性功能之IC产品 晶圆的原始材料是硅 而地壳表面有用之不竭的二氧化硅 二氧化硅矿石经由电弧炉提炼 盐酸氯化 并经蒸馏后 制成了高纯度的多晶硅 其纯度高达0 99999999999 晶圆制造厂再将此多晶硅融解 再于融液内掺入一小粒的硅晶体晶种 然后将其慢慢拉出 以形成圆柱状的单晶硅晶棒 由于硅晶棒是由一颗小晶粒在熔融态的硅原料中逐渐生成 此过程称为 长晶 硅晶棒再经过研磨 抛光 切片后 即成为积体电路工厂的基本原料 硅晶圆片这就是 晶圆 英文为 Wafer 晶圆的介绍 1 光刻 IC生产的主要工艺手段 指用光技术在晶圆上刻蚀电路 2 线宽 4微米 1微米 0 6微米 0 35微米 035微米等 是指IC生产工艺可达到的最小导线宽度 是IC工艺先进水平的主要指标 线宽越小 集成度就高 在同一面积上就集成更多电路单元 3 前 后工序 IC制造过程中 晶圆光刻的工艺 即所谓流片 被称为前工序 这是IC制造的最要害技术 晶圆流片后 其切割 封装等工序被称为后工序 名词解释 中测 硅片的测试 中测 Wafertest 是半导体后道封装测试的第一站 中测有很多个名称 比如针测 晶圆测试 CP CircuitProbing WaferSort WaferProbing等等 中测的目的是将硅片中不良的芯片挑选出来 然后打上红点或者是黑点 所用到的设备有测试机 ICTester 探针卡 ProbeCard 探针台 Prober 以及测试机与探针卡之间的接口 MechanicalInterface 集成电路的封装 1 什么是集成电路的封装 集成电路的封装就是将封装材料和半导体芯片结合在一起 形成一个以半导体为基础的电子功能块器件 封装材料除了保护芯片不受外界灰尘 潮气 机械冲击外 还起到了机械支撑和散热的功能 当今约有90 的芯片用模塑料进行封装 随着IC高度集成化 芯片和封装面积的增大 封装层的薄壳化以及要求价格的进一步降低 对于模塑料提出了更高且综合性的要求 2 集成电路封装形式的简介 集成电路的封装形式有很多 按封装形式可分三大类 即双列直插型 贴片型和功率型 在选择器件封装形式应首先考虑其胶体尺寸和脚间距这两点 胶体尺寸是指器件封装材料部分的宽度 H 一般用英制mil来标注 脚间距是指器件引脚间的距离 L 一般用公制mm来标注 2 集成电路封装形式的简介 1 双列直插封装 DIP DualIn linePackage 特点 常见封装方法 可以插入插座中 易于测试 也可永久焊接到印刷电路板的小孔上 成本较低 适用范围广 胶体尺寸分为 300mil 600mil 750mil三种 常用的是300mil 600mil两种 脚间距一般均为2 54mm 一般情况下 引脚数 24时其胶体尺寸为300mil时 俗称窄体 引脚数 24时其胶体尺寸为600mil时 俗称宽体 适用产品 电源管理类产品 音频 语音IC LED驱动 电源保护等 其他 SDIP ShrinkDIP 紧缩式双列直插封装 比常规DIP针脚密度高PDIP PlasticsDIP 塑料双列直插封装 两管脚间距比常规小 俗称廋型DIP 2 集成电路封装形式的简介 贴片 SMD 型贴片器件种类繁多 按种类可分如下几类 SOP TSOP 1 TSOP 2 SSOP QFP SOJ PLCC QFJ 等1 方形扁平封装 QFP QuadFlatPackage 特点 引脚间距较小及细 常用于大规模或超大规模集成电路封装 必须采用SMT 表面安装技术 进行焊接 操作方便 可靠性高 适用产品 控制IC 驱动IC 解码器等 其他 LQFP LittleQFP 小型QFP 对引脚数进行精简 运用于有限空间TQFP ThinQFP 微型扁平封装 有效利用空间 缩小高度和何种HQFP HeatsinkQFP 带散热QFPPQFP PlasticQFP 塑料QFP 2 集成电路封装形式的简介 2 小型外框封装 SOP SmallOutlinePackage 特点 体积小 散热较好 寄生参数减小 高频应用 可靠性较高 引脚离芯片较远 成品率增加且成本较低 适用产品 电源管理 开关 音频功效 驱动IC 电源保护 控制IC其它 TSOP ThinSOP 薄型小尺寸SOPSSOP ShrinkSmall OutlinePackage 缩小外型封装 2 集成电路封装形式的简介 3 有引线芯片载体 LCC LeadedChipCarrier 特点 高脚位 密间距 可在较高频率下工作 适用产品 存储器 控制器 驱动 解码等 图示 其他 PLCC PlasticLCC 塑料材料LCC 2 集成电路封装形式的简介 4 球栅阵列封装 BGA BallGridArraypackage 特点 引脚为针刺巨阵排列 性能有管脚数大大提升 功耗大 5 小尺寸晶体管封装 SOT SmallOutlineTransistorpackage 6 多芯片模块 MCM MultiChipModel 特点 解决集成度低和功能不完善等问题 将多个高性能模块集成到一起 封装延迟小 易于高速化 缩小模块整体面积 系统可靠性增加 7 祼片封装技术COB COB技术 焊接时 先将芯片贴在PCB上 凝固后再进行引线 测试合格后用树脂胶覆盖 其特点是技术成熟 成本低廉 空间小 但环境要求严格 不易维修 FlipChip FlipChip以称为倒装片 与COB相比方向下 I O端位于芯片表面 封装密度和速度均有提高 2 集成电路封装形式的简介 3 集成电路的打标 一个芯片做成以后 要往表面上打上商品名等字样 称为打标也可称为 印字 印字的目的在注明商品的规格及制造者 良好的印字令人有高尚产品之感觉 因此在封装过程中 印字是相当重要的往往会有因为印字不清晰或字迹断裂而遭致退货重新印字的情形 打标的形式 1 激光打标 用激光在半导体产品表面打印上商品名 集成电路上的字是由激光刻出来的 2 印式 直接像印章一样印字在胶体上3 转印式 padprint 使用转印头从字模上沾印再印字在胶体上4 雷射刻印方式 lasermark 使用雷射直接在胶体上刻印 标准包装规格对于SMD产品 标准包装质量如下表所述 请根据包装数量进行订购 1 盒装柱面式产品用乙烯袋包装 每批包含250到1000件 然后 将1到20袋装入内盒以组成一批 最后 将内盒放入纸箱以便装运 质量随型号的变化而变化 2 管装DIP产品放置抗静电集成电路管内并装到盒子里以便进行运送 3 盘装贴片产品先进行编带 然后卷进盘中以便运送 芯片成品形成以后 还要进行出货的最后一关 那就是做成品的测试 一般测试 将芯片置于各种环境下测试其电气特性 如消耗功率 运行速度 耐压度等 经测试后的芯片 依其电气特性划分为不同