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集成电路技术简介—翻页版预览

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集成电路技术简介

描述:集成电路技术简介

集成电路技术简介

张长春 副教授

集成电路测试交流微信a360843328 2

集成电路与微电子

材料与物理 系统
电路
微电子 器件与工艺 集成电路 工具
广义与狭义 设计 工艺

电路与系统

© 2014 NJUPT lConfidential

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内容

Ø 集成电路的出现
Ø 集成电路的产业分工
Ø 集成电路的分类
Ø 集成电路的设计
Ø 集成电路制造
Ø 集成电路的封装
Ø 集成电路的测试

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电子管vs.晶体管

© 2014 NJUPT • 最早的电子计算机
18000个电子管,1500个继电器,占地
150m2,重30吨,耗电140kW

lConfidential

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电子管vs.晶体管

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分立vs 集成

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第一个晶体管

William Bradford Shockley

第一个晶体管

1947年12月23日 贝尔实验室

Walter Houser Brattain John Bardeen

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Kilby, TI公司

1958年第一块集成电路:12个器件,Ge晶片

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摩尔定律

微米时代
3um->2um->1.2um->

亚微米时代
0.8um->0.5um->

深亚微米时代
0.35um->0.25um->0.18um->0.13um->

纳米时代
90nm ->65nm->45nm-> 32nm

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集成电路的尺寸

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各种IC相关产品无处不在

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集成电路市场产品构成 3C概念

集成电路市场按整机应用划分,可分为 计算机类、消费类、
通信类等不同类别。这三类占了整个市场的78%。

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内容

Ø 集成电路的出现
Ø 集成电路的产业分工
Ø 集成电路的分类
Ø 集成电路的设计
Ø 集成电路制造
Ø 集成电路的封装
Ø 集成电路的测试

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产业链 • 计算机与网络、通信(有线、无线、光通信
、卫星通信)
整机系统提出应用需求
• 数字音视频(电视机、视盘机DVD、MP3播
放器、音响……)

• IC卡(身份认证)与电子标签、汽车电子、
生物电子、工业自动化 …

集成电路设计 • EDA工具、服务器、个人计算机(PC)、工程
技术人员……

集成电路制造 • 厂房、动力、材料(硅片、化合物半导体材料)
、专用设备、仪器(光刻机、刻蚀机、注入机…

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集成电路封装 • 划片机、粘片机、键合机、包封机、切筋打弯
集成电路测试 机、芯片、塑封料、引线框架、金丝………
集成电路应用
• 测试设备、测试程序、测试夹具、测试探针
卡、测试、分选、包装……

• 电脑及网络、通信及终端(手机) 、电视机
、DVD、数码相机、其他

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产业分工

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产业分工

IC 产业主要由设计业、制造业、封测业组成

制造 设计 封装测



除此之外,还有半导体材料、设备、设计软件工具等
附加产业

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Fabless & Foundry

微米 栅长 芯片复杂度 10G
58%/年 1G
10 100M
差距增大 10M
1

0.1 20%/人年 1M
设计产率 100K
10K
0.01 1985 1990 1995 2000 2005
1K
1980 2010

集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率

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Fabless & Foundry

• 无生产线(Fabless):IC设计单位不拥有生产线。拥有设计人才和技


• 代工(Foundry):芯片设计单位和工艺制造单位的分离,即芯片设计
单位可以不拥有生产线而存在和发展,而芯片制造单位致力于工艺实
现,即代客户加工(简称代工)方式。代工方式已成为集成电路技术
发展的一个重要特征。

• 流片:完成芯片的流水式加工,将版图数据定义的图形最终有序地固
化到芯片上的过程。

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Fabless & Foundry

无生产线与代工(F & F)的关系图

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Fabless & Foundry

• Step1:代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK(Pocess
Design Kits)通过因特网传送给设计单位。

• Step2:设计单位根据研究项目提出的技术指标,在自己掌握的电路与系统
知识的基础上,利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具,进行电路设计、
电路仿真(或称模拟)和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和
版图电路图对照LVS,最终生成通常称之为GDS-Ⅱ格式的版图文件。再通过
因特网传送到代工单位。

• Step3:代工单位根据设计单位提供的GDS-Ⅱ格式的版图数据,首先制作掩
模(Mask),将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。

• Step4:在一张张掩模的参与下,工艺工程师完成芯片的流水式加工,将版
图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片



• Step5:设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。符合技术要求时,进入
系统应用。从而完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。

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Fabless & Foundry

2% Asia
18%
North
13% America
67% Japan

Europe

© 2014 NJUPT Foundry业务地区分布

lConfidential

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MPW:将几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上然后以步进的
方式排列到一到多个晶圆上

MPW意义:

• 降低研制成本
• MPW技术服务中心成为虚拟中心为无生产线IC和代工制造之间建立信息流和

物流的多条公共渠道

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© 2014 NJUPT MPW技术降低成本

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FICD1 MPW FoundryⅠ
FICD1 FoundryⅡ
FICD1

FICD1

Foundry Ⅲ

FICD1

MPW技术服务中心成为虚拟中心

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我国微电子技术的发展

• 1956年五校在北大联合创建半导体专业;
• 1977年北京大学诞生第一块大规模集成电路;
• 1982年:成立电子计算机和大规模集成电路领导小组;
• 80年代:初步形成三业分离状态,制造业、设计业、封

装业;

• 2001年:成立7个国家集成电路产业化基地
• 北京、上海、深圳、杭州、无锡、西安、成都

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我国半导体产业主要集聚地区

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我国微电子技术的发展

我国IC制造骨干企业地区分布

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内容

Ø 集成电路的出现
Ø 集成电路的产业分工
Ø 集成电路的分类
Ø 集成电路的设计
Ø 集成电路制造
Ø 集成电路的封装
Ø 集成电路的测试

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集成电路的分类 根据设计方法:

根据电路类型: ü定制 (Custom Design)
人工设计,设计周期长,高性能,
ü 数字集成电路
ü 模拟集成电路 高集成度
ü 射频集成电路 微处理器,模拟电路,IP核…
ü 微波/毫米波集成
ü标准单元 (Standard Cell)
电路 预先设计好的标准单元,设计周

© 2014 NJUPT 期短,性能较好
专用电路 (ASIC)

ü可编程逻辑器件 (FPGA/PLD)
预先生产的芯片,设计周期最短,

低研发成本
原形验证(Prototyping),可重构计



lConfidential

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集成电路设计方法的比较

单片成本 开发费用 开发周期

全定制 低 高 长

标准单元

可编程逻辑器件 高 低 短

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内容

Ø 集成电路的出现
Ø 集成电路的产业分工
Ø 集成电路的分类
Ø 集成电路的设计
Ø 集成电路制造
Ø 集成电路的封装
Ø 集成电路的测试

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模拟集成电路设计流程 布局布线(Layout)

模拟电路设计

晶体管级原理图设计 物理规则验证
前仿真 (DRC: Design Rule Check)

CMOS、双极(Bipolar)、Bi-CMOS 与电路图一致性验证
(LVS: Layout vs. Schematic)

寄生参数提取
(PE: Parasitical Extraction)

GDSII文件 后仿真

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数数字字集集成成电电路路设设计计流流程程 CMOS
Metal Oxide
数字电路设计 (Complementary Semiconductor)

Verilog/VHDL进行 布局布线
行为级功能设计 (LAYOUT)

行为级功能仿真 物理规则验证
综合(Synthesis) (DRC: Design Rule Check)
门级verilog仿真
与电路图一致性验证
(LVS: Layout vs. Schematic)

GDSII文件

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电路设计抽象级别

系统级 结构级

晶体管级 lConfidential 器件物理级

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内容

Ø 集成电路的出现
Ø 集成电路的产业分工
Ø 集成电路的分类
Ø 集成电路的设计
Ø 集成电路制造
Ø 集成电路的封装
Ø 集成电路的测试

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集成电路材料

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集成电路制造

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集成电路制造

数字电路
数模混合电路
现代模拟电路

© 2014 NJUPT lConfidential 现代IC设计绝大多数采用CMOS工艺

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集成电路制造

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内容

Ø 集成电路的出现
Ø 集成电路的产业分工
Ø 集成电路的分类
Ø 集成电路的设计
Ø 集成电路制造
Ø 集成电路的封装
Ø 集成电路的测试

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集成电路封装工艺流程

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常用集成电路封装形式

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常用集成电路封装发展

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封装建模

© 2014 NJUPT 利用场求解器对QFP封装建模示意
lConfidential

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集成电路封装

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多芯片组件(MCM)封装技术

多芯片封装是将两
片以上的集成电路封装在
一个腔体内的一种新技术
,称之为MCM(Multi
Chip Module)。

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塑料封装工艺流程
——以PBGA为例

PBGA:

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