四、集成電路的結構和組成

1、紙上談IC

一般的，我們用由上而下的層級來認識集成電路，這樣便于理解，也更有條理些。

（1）系統(tǒng)級

以手機為例，整個手機是一個復雜的電路系統(tǒng)，它可以打電話、可以玩游戲、可以聽音樂、可以嗶--。它由多個芯片以及電阻、電感、電容相互連接而成，稱為系統(tǒng)級。（當然，隨著技術的發(fā)展，將一整個系統(tǒng)做在一個芯片上的技術也已經(jīng)出現(xiàn)多年——SoC技術）

（2）模塊級

在整個系統(tǒng)中分為很多功能模塊各司其職。有的管理電源，有的負責通信，有的負責顯示，有的負責發(fā)聲，有的負責統(tǒng)領全局的計算，等等。我們稱為模塊級。這里面每一個模塊都是一個宏大的領域，都聚集著無數(shù)人類智慧的結晶，也養(yǎng)活了很多公司。

（3）寄存器傳輸級（RTL）

那么每個模塊都是由什么組成的呢？以占整個系統(tǒng)較大比例的數(shù)字電路模塊（它專門負責進行邏輯運算，處理的電信號都是離散的0和1）為例。它是由寄存器和組合邏輯電路組成的。

所謂寄存器就是一個能夠暫時存儲邏輯值的電路結構，它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短。

現(xiàn)實中，我們需要時鐘來衡量時間長短，電路中也需要時鐘信號來統(tǒng)籌安排。時鐘信號是一個周期穩(wěn)定的矩形波?，F(xiàn)實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度，電路中矩形波震蕩一個周期是它們世界的一個時間尺度。電路元件們根據(jù)這個時間尺度相應地做出動作，履行義務。

組合邏輯呢，就是由很多“與（AND）、或（OR）、非（NOT）”邏輯門構成的組合。比如兩個串聯(lián)的燈泡，各帶一個開關，只有兩個開關都打開，燈才會亮，這叫做與邏輯。

一個復雜的功能模塊正是由這許許多多的寄存器和組合邏輯組成的。把這一層級叫做寄存器傳輸級。

圖中的三角形加一個圓圈是一個非門，旁邊的器件是一個寄存器，D是輸入，Q是輸出，clk端輸入時鐘信號。

（4）門級

寄存器傳輸級中的寄存器其實也是由與或非邏輯構成的，把它再細分為與、或、非邏輯，便到達了門級（它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號的進出，因而得名）。

（5）晶體管級

無論是數(shù)字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級了。所有的邏輯門（與、或、非、與非、或非、異或、同或等等）都是由一個個晶體管構成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達到最底層，滿眼望去其實全是晶體管以及連接它們的導線。

早期的時候雙極性晶體管（BJT）用的比較多，俗稱三極管。它連上電阻、電源、電容，本身就具有放大信號的作用。像堆積木一樣，可以用它構成各種各樣的電路，比如開關、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由BJT構建的電路我們稱為TTL（Transistor-TransistorLogic）電路。BJT的電路符號長這個樣子：

后來金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的出現(xiàn)，以優(yōu)良的電學特性、超低的功耗橫掃IC領域。除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現(xiàn)在的集成電路都是由MOS管組成的了。同樣的，由它也可以搭起來成千上萬種電路。而且它本身也可以經(jīng)過適當連接用來作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下：

如上所述，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，芯片的制造，實際上就是成千上萬個晶體管的制造過程。

現(xiàn)實中制造芯片的層級順序就要反過來了，從最底層的晶體管開始一層層向上搭建。

基本上，按照“晶體管-》芯片-》電路板”的順序，我們最終可以得到電子產(chǎn)品的核心部件——電路板。

2、IC的制造

想直接看芯片制造的可以直接空降至此。

下文中的光刻機主要指步進式和掃描式光刻機。

1）.首先我們知道，光刻的大致流程是，一個晶圓（wafer）（通常直徑為300mm）上涂一層光刻膠，然后光線經(jīng)過一個已經(jīng)刻有電路圖案（pattern）的掩膜版（maskorreticle）照射到晶圓上，晶圓上的光刻膠部分感光（對應有圖案的部分），接著做后續(xù)的溶解光刻膠、蝕刻晶圓等處理。然后再涂一層光刻膠，重復上述步驟幾十次，以達到所需要求；

2）.簡化結構請看下圖。掩膜版和晶圓各自安裝在一個運動平臺上（reticlestageandwaferstage）。光刻時，兩者運動到規(guī)定的位置，光源打開。光線通過掩膜版后，經(jīng)過透鏡，該透鏡能夠將電路圖案縮小至原來的四分之一，然后投射到晶圓上，使光刻膠部分感光。

3）.一塊晶圓上有很多die，每一個die上都刻有相同的電路圖案，即一塊晶圓可以出產(chǎn)很多芯片。一個die典型的尺寸是26×32mm。光刻機主要有兩種，一種叫做stepper，即掩膜版和晶圓上的某一個die運動到位后，光源開、閉，完成一次光刻，然后晶圓運動使得下一個die到位，再進行一次光刻，依此類推。而另一種光刻機叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區(qū)域內(nèi)，光刻時，掩膜版和晶圓同時運動，使光線以掃描的方式掃過一個die的區(qū)域，從而將電路圖案刻在晶圓上（見下圖（b））。scanner比stepper的優(yōu)勢在于，可以提供更大的die的尺寸。其原因在于，對于一個固定尺寸的圓透鏡，比如直徑32mm的圓（指投射后的區(qū)域大小），其允許透過的光線的區(qū)域尺寸是受限的。若采用stepper的step-and-expose方式進行光刻，一個die的區(qū)域必須能被包含在直徑32mm的圓中，因此能獲得的最大的die的尺寸為22×22mm；若采用scanner的step-and-scan方式，透鏡能夠提供的矩形區(qū)域長度可以到26mm（26×8mm）甚至更長，將光縫設置為這個尺寸，使用掃描的方式便可以獲得26×Lmm的區(qū)域（L為掃描長度）。區(qū)域示意見下圖（a）。同樣的透鏡在stepper下可以實現(xiàn)更大區(qū)域的意義在于，當你需要生產(chǎn)尺寸較大的芯片的時候，換一個更大的透鏡的費用是昂貴的。

4）.Scanner的step-and-scan過程的示意圖如下：

5）.為了使每層的電路相互之間不發(fā)生干涉，需要對上下平臺進行精密運動控制。掃描時上下平臺應處于勻速運動階段。目前最小的層疊誤差小于2nm（單個機器內(nèi)）或3nm（不同機器間）。

6）.光源的波長一般為365、248、193、157甚至13.5nm（EUV，ExtremeUltraviolet）。因為光刻過程受到衍射限制，光源波長越小，能夠做出的芯片尺寸就越小。

7）.在透鏡和晶圓之間加入折射率大于1的液體（如水），可以減小光線波長，從而提高NA（數(shù)值孔徑）和分辨率。這種光刻機叫浸潤式（immersion）光刻機。

8）.世界上做高端光刻機的廠家主要有ASML、Nikon和Canon。佳能大概已經(jīng)不行了。Nikon每年開個會叫做LithoVision。

五、集成電路的封裝形式

1、SOP小外形封裝

SOP，也可以叫做SOL和DFP，是一種很常見的元器件形式。同時也是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀（L字形）。封裝材料分塑料和陶瓷兩種。始于70年代末期。

SOP封裝的應用范圍很廣，除了用于存儲器LSI外，還輸入輸出端子不超過10-40的領域里，SOP都是普及最廣泛的表面貼裝封裝。后來，為了適應生產(chǎn)的需要，也逐漸派生出SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC等一些小外形封裝。

2、PGA插針網(wǎng)格陣列封裝

PGA芯片封裝形式常見于微處理器的封裝，一般是將集成電路（IC）包裝在瓷片內(nèi)，瓷片的底部是排列成方形的插針，這些插針就可以插入獲焊接到電路板上對應的插座中，非常適合于需要頻繁插波的應用場合。對于同樣管腳的芯片，PGA封裝通常要比過去常見的雙列直插封裝需用面積更小。

PGA封裝具有插撥操作更方便，可靠性高及可適應更高的頻率的特點，早期的奔騰芯片、InTel系列CPU中的80486和Pentium、PentiumPro均采用這種封裝形式。

3、BGA球柵陣列封裝

BGA封裝是從插PGA插針網(wǎng)格陣列改良而來，是一種將某個表面以格狀排列的方式覆滿引腳的封裝法，在運作時即可將電子訊號從集成電路上傳導至其所在的印刷電路板。在BGA封裝下，在封裝底部處引腳是由錫球所取代，這些錫球可以手動或透過自動化機器配置，并透過助焊劑將它們定位。

BGA封裝能提供比其他如雙列直插封裝或四側引腳扁平封裝所容納更多的接腳，整個裝置的地步表面可作為接腳使用，比起周圍限定的封裝類型還能具有更短的平均導線長度，以具備更加的高速效能。

4、DIP雙列直插式封裝

所謂DIP雙列直插式封裝，是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路IC均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特別小心，以免損壞引腳。