集成电路英语:integrated circuit,缩写作 IC;或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶片/芯片(chip)在电子学中是一种将电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并时常制造在半导晶圆表面上。
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)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。集成电路的别称非常多,在中文和英文里可直接称它为“芯片(chip,港台作晶片)”,或是“集成电路(integrated circuit)”,缩写为“IC”;也可用“微芯片(microchip)”、“微电路(microcircuit)”等用词称呼。
什么是芯片?
芯片(半导体元件产品的统称)。集成电路英语:integrated circuit,缩写作IC;或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶片/芯片(chip)在电子学中是一种将电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并时常制造在半导体晶圆表面上。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)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。
从1949年到1957年,维尔纳·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·达林顿(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都开发了原型,但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的。其因此荣获2000年诺贝尔物理奖,但同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯,却早于1990年就过世。
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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。
芯片(Chip),全称为集成电路芯片(Integrated Circuit, IC),是一种将大量的电子元件(如晶体管、电阻、电容等)高度集成在一块微小的半导体基片(通常是硅)上的微型电子器件。芯片就像一个超小型的“电路工厂”或“大脑”,它可以执行运算、存储数据、控制设备等功能,是现代电子设备的“心脏”。
芯片的构成:
芯片的主要作用:
功能类型 | 说明 | 举例 |
---|---|---|
运算处理 | 执行各种计算和逻辑操作 | CPU、GPU、AI芯片 |
数据存储 | 保存短期或长期数据 | 内存(RAM)、闪存(Flash) |
信号转换/控制 | 模拟与数字信号之间的转换、控制设备工作 | ADC/DAC、传感器芯片 |
通信功能 | 支持无线、有线通信 | Wi-Fi芯片、5G基带芯片 |
电源管理 | 控制电压电流,确保稳定供电 | PMIC(电源管理芯片) |
芯片(也称集成电路,IC)按功能和应用可以分为多种分类方式。
芯片分类
芯片分类是很复杂的学问,很多中文网站的芯片分类把功能和电路混为一谈, 有的把不同类型的芯片放在一起分类, 是错误的.以下文章根据芯片功能、集成度、 芯片应用场景、芯片设计电路结构、生产工艺、封装方法、制造工艺节点等七个方面对芯片进行分类。是最权威的芯片分类方法。
芯片的主要分类?各类芯片的主要功能?处理器类芯片和逻辑芯片的区别
芯片设计
芯片设计全流程 ( Full Chip Design Flow )
芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样,先有晶圆作为地基,再层层往上叠的芯片制造流程后,就可产出必要的 IC 芯片(这些会在后面介绍)。然而,没有设计图,拥有再强制造能力都没有用,因此,建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢?本文接下来要针对 IC 设计做介绍。
在 IC 生产流程中,IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel 等知名大厂,都自行设计各自的 IC 芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计,所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术,工程师的素质影响着一间企业的价值。然而,工程师们在设计一颗 IC 芯片时,究竟有那些步骤?设计流程可以简单分成如下。

设计第一步,订定目标
在 IC 设计中,最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前,先决定要几间房间、浴室,有什么建筑法规需要遵守,在确定好所有的功能之后在进行设计,这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤,才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。
规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何,对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合,像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规範,不然,这芯片将无法和市面上的产品相容,使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 IC 的实作方法,将不同功能分配成不同的单元,并确立不同单元间连结的方法,如此便完成规格的制定。
设计完规格后,接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画,将整体轮廓描绘出来,方便后续制图。在 IC 芯片中,便是使用硬体描述语言(HDL)将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等,藉由程式码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改,直到它满足期望的功能为止。

有了电脑,事情都变得容易
有了完整规画后,接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中,逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code,放入电子设计自动化工具(EDA tool),让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路,产生如下的电路图。之后,反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改,直到功能正确为止。

最后,将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool,进行电路布局与绕线(Place And Route)。在经过不断的检测后,便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色,每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢?

层层光罩,叠起一颗芯片
首先,目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩,这些光罩有上下层的分别,每层有各自的任务。下图为简单的光罩例子,以积体电路中最基本的元件 CMOS 为範例,CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor),也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合,形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体(MOS)?这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明,一般读者也较难弄清,在这裡就不多加细究。
下图中,左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图,在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。制作是,便由底层开始,依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法,逐层制作,最后便会产生期望的芯片了。

至此,对于 IC 设计应该有初步的了解,整体看来就很清楚 IC 设计是一门非常复杂的专业,也多亏了电脑辅助软体的成熟,让 IC 设计得以加速。IC 设计厂十分依赖工程师的智慧,这裡所述的每个步骤都有其专门的知识,皆可独立成多门专业的课程,像是撰写硬体描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言,还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软体是如何将程式转换成逻辑闸等问题。
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芯片制造
从1930年代开始,元素周期表化学元素中的半导体被诸如贝尔实验室威廉·肖克利(William Shockley)的研究者认为是最适合做固态真空管的原料。这些原料在1940至50年代被系统地研究,从氧化铜开始,然后到锗,再到硅。现今,单晶硅是集成电路的主要基层,尽管元素周期表中的一些III-V价化合物(比如砷化镓)有特殊用途,例如发光二极管、激光、太阳能电池和最高速集成电路。发现无缺陷晶体的制造方法需要数十年的时间。
- 光刻
- 刻蚀
- 薄膜(化学气相沉积或物理气相沉积)
- 掺杂(热扩散或离子注入)
- 化学机械平坦化CMP
使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层,然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件,再利用薄膜和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(以溅镀为主)和铜制程(以电镀为主参见Damascene)。[2][3][4]主要的制程技术可以分为以下几大类:黄光光刻、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。
IC由很多重叠的层组成,每层由影像技术定义,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(多晶硅或金属)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设备比双极型组件(如双极性晶体管)消耗的电流少很多,也是现在主流的组件。透过电路的设计,将多颗的晶体管管画在硅晶圆上,就可以画出不同作用的集成电路。
随机存取存储器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,每个被称为裸晶(“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10亿美元,因为大部分操作是自动化的。
芯片封装
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,简单来说,即开始是陶瓷,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,最后导致插针网格阵列和芯片载体的出现。
表面贴着封装在1980年代初期出现,该年代后期开始流行。它的针脚使用更细的间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以小尺寸集成电路(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。
小尺寸集成电路(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和薄型小尺寸封装(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(Pine Grid Array)封装转到了平面网格阵列封装(Land Grid Array,LGA)封装。
球栅阵列封装封装从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覆晶球栅阵列封装封装。在FCBGA封装中,晶片被上下翻转(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。
如今的市场,封装采用技术与特性已经非常复杂,也已经是独立出来的一环,封装的技术也会影响到产品的质量及良率。
参考文献
- 引用
- 拼合集成电路 hybrid integrated circuit (页面存档备份,存于互联网档案馆)、并合集成电路 hybrid integrated circuit – 2003年6月《信息与通信术语辞典》 (页面存档备份,存于互联网档案馆),国家教育研究院
- 存档副本. [2014-09-20]. (原始内容存档于2010-12-04).
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