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微电子技术简介

2019-08-03 20:09 来源: 震仪

  1.2.1 微电子技术与集成电路 微电子技术是 信息技术领域中的关键技术,是 发展电子信息产业和各项高技术的基础。 微电子技术的核心是集成电路技术。 1.2.微电子技术简介 1.2.1 微电子技术与集成电路 微电子技术 : 是信息技术领域中的关键技术,是发展电子信息产业 和各项高技术的基础 是在电子电路和系统的超小型化及微型化过程中逐渐 形成和发展起来的。 是以集成电路核心的电子技术。 元器件 即电子电路中使用的基础元件,具有开关 和放大作用的电子元件(例如,真空电子 管、二极管、三极管等)。 1.2.1 微电子技术与集成电路 微电子技术是在电子元器件小型化、微型化 的过程中发展起来的。 微电子技术是实现电子电路和电子系统的超小 型化及微型化的技术,是以集成电路为核心的 电子技术。 电子元器件 即电子电路中使用的基础元件,具有开关和放大作 用的电子元件(例如,真空电子管、二极管、三极 管等以及电阻、电容)。 1.2.1 微电子技术与集成电路 电子线路使用的基础元件的演变: 真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路 真空电子管 传统的电子技术的基础元件 在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、 仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机。 晶体管 1948年晶体管的发明,再加上印制电路组装技术 的使用,使电子电路在小型化方面前进了一大步 。产生了第二代计算机 1.2.1 微电子技术与集成电路 电子线路使用的基础元件的演变: 中/小规模集成电路 (1950’s) 第三代计算机 大规模/超大规模 集成电路(1970’s) 第四代计算机和微型计算机 1.2.1 微电子技术与集成电路 电子线路使用的基础元件的演变: 1904年 英国电气工程师 弗莱明(John Ambrose Fleming) 线年 美国工程师 德· 福雷斯特(Lee De Forest) 线 微电子技术与集成电路 电子线路使用的基础元件的演变: 肖克利 William Bradford Shockley 巴丁 John Bardeen 布拉顿 Walter Brattain 1956年诺贝尔奖 1.2.1 微电子技术与集成电路 电子线路使用的基础元件的演变 基尔比 Jack S.Kilby “第一块集成电路的发明家” 诺依斯 N.Noyce “提出了适合于工业生产的集成电 路理论”的人 什么是集成电路? 集成电路 (Integrated Circuit,简称 IC ) 它以半导体单晶片作为材料,经平面 工艺加工制造,将大量晶体管、电阻 等元器件及互连线构成的电子线路集 成在基片上,构成一个微型化的电路 或系统。 集成电路20世纪50年代出现 小规模集成电路 集成电路使用的半导体材料 通常是硅 (Si) ,也可以是化合物半导体 如砷化镓(GaAs)等。 超大规模集成电路 什么是集成电路? 集成电路的特点: 体积小、重量轻、可靠性高 ( 因集成度大,焊点少, 故障率低)、功耗低、速度快 集成电路的规模(集成度) 集成电路的规模由单个芯片中包含的基本电子元器件 (晶体管、电阻、电容等)的个数确定。 1.2.1 微电子技术与集成电路 集成电路 第一个集成电路 集成电路的分类 按集成度(芯片中包含的元器件数目)分 小规模集成电路(SSI) 中规模集成电路(MSI) 大规模集成电路(LSI) 集成度小于100个电子元件 集成度在100~3000个电子元件 集成度在3000~10万个电子元件 超大规模集成电路(VLSI) 集成度达10万~100万个电子元件 极大规模集成电路 (ULSI) 集成度超过100万个电子元件 通常并不严格区分 VLSI 和 ULSI ,而是统称为 VLSI 。 小规模集成电路 超大规模集成电路 集成电路的分类 集成电路的集成对象 中、小规模集成电路:简单的门电路、单级放大器 大规模集成电路:功能部件、子系统 超大规模和极大规模集成电路: 微处理器、芯片组、图形加速芯片 集成电路的分类 按晶体管结构、电路和工艺分 双极型(Bipolar)集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路 双极-金属-氧化物-半导体集成电路(Bi-MOS) 按集成电路的功能来分,可分为 如逻辑电路、存储器、微处理器、 数字集成电路 微控制器、数字信号处理器等 模拟集成电路 又称为线性电路,如信号放大器、 功率放大器等 集成电路的分类 按它们的用途可分为: 通用集成电路 微处理器、存储器等 专 用 集 成 电 路 ( ASIC ) 按照某种应用的特定要求而专门设计、 定制的集成电路 1.2.1 微电子技术与集成电路 集成电路的分类 1.2.1 微电子技术与集成电路 集成电路芯片是微电子技术的结晶,是计算机的核心 先进的微电子技术 高集成度芯片 高性能的计算机 利用计算机进行集成电路的设计、生产过程控制及自动测试 又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片。 1.2.2 集成电路的制造(选学) ?集成电路的制造工序繁多,从原料熔炼开始到最 终产品包装大约需要400多道工序,工艺复杂且技 术难度非常高,有一系列的关键技术。许多工序必 须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。 ? 目前兴建一个有两条生产线英寸晶圆的 集成电路工厂需投资人民币10亿元以上 1.2.2 集成电路的制造 共有400多道工序 硅平面工艺,它包括氧化,光刻,掺 晶棒 杂和互连等多项工序。把这些工序反 复交叉使用,最终在硅片上制成包含 硅平面工艺 剔除分类 封装 成品测试 多层电路及电子元件的集成电路,每 硅衬底 晶圆 芯片 集成电路 成品 一硅抛光片上可制作出成百上千个独 立的集成电路(晶粒),硅片称为晶圆 将单晶硅锭(晶棒)经 对晶圆上的每个晶粒(每 切割、研磨和抛光严 一个独立的集成电路)进 行检测,将不合格的晶粒 格清洗后制成的像镜 将单个的芯片固定在塑胶或陶瓷制的芯片 用磁浆点上记号。然后将 基座上,并把芯片上蚀刻出的一些的引线 面一样光滑的圆形薄 与基座底部伸出的插脚进行连接 晶圆分割成一颗颗单独的 ,以作为 片,称为硅抛光片 与外界电路板连接之用,最后盖上塑胶盖 晶粒(集成电)把废品剔 跳出 除,把合格的集成电路分 板,用胶水封死,封焊这样就制成了一块 类,再封装成一个个独立 集成电路。 的集成电路 继续 硅衬底 集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经 切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片, 硅抛光片经过严格清洗(净化率10级)可用于集成电路制造 晶棒生长 晶棒裁切与检测 外径研磨 切片 圆边 表层研磨 蚀刻 去疵 抛光 清洗 检验 包装 晶棒 单晶硅锭 硅抛光片 厚度:不足1mm 直径:6、8、12英寸 硅衬底 集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经 切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片, 硅抛光片经过严格清洗(净化率10级)可用于集成电路制造 晶棒生长 晶棒裁切与检测 外径研磨 切片 圆边 表层研磨 蚀刻 去疵 抛光 清洗 检验 包装 晶棒 单晶硅锭 硅抛光片 厚度:不足1mm 直径:6、8、12英寸 硅平面工艺、晶圆 硅平面工艺,它包括氧化,光刻,掺杂和互连等多项工序。 把这些工序反复交叉使用,最终在硅片上制成包含多层电路 及电子元件(如晶体管、电容、逻辑开关等)的集成电路, 就形成了一个个的小格,即晶粒。 每一硅抛光片上可制作出成百上千个独立的集成电路(晶粒), 这种整整齐齐排满了晶粒(集成电路)的硅片称作“晶圆”。 –晶圆切片(简称晶圆) 像镜子一样的光滑圆形 薄片,是供芯片生产的后 道工序作深加工的原材料。 剔除分类 晶圆针测: 晶圆制成后,用集成电路检测仪对每个晶粒(每 一个独立的集成电路)检测其电气特性,将不合格的 晶粒用磁浆点上记号。 晶圆切割: 将晶圆切开,分割成一颗颗单独的晶粒(集成电)。 通过电磁法把点了磁浆的废品剔除,将合格的集成电路按 其电气特性进行分类。这些集成电路小片就称为芯片。 –集成电路芯片(简称芯片) 直接应用在计算机、电子、通讯 等许多行业上的最终产品。包括 CPU、内存单元和其它各种专业应 用芯片。 封装 —1 集成电路封装的目的:电功能:传递芯片的电信号 散热功能:散发芯片内部产生的热量 机械化学保护功能:保护芯片本身 及导电丝 将单个的芯片固定在塑胶或陶瓷制 的芯片基座上,并把芯片上蚀刻出的一 些的引线与基座底部伸出的插脚进行连 接 ,以作为与外界电路板连接之用, 最后盖上塑胶盖板,用胶水封死,封焊 这样就制成了一块集成电路 常见的封装形式有: 单列直插式(SIP) 双列直插式(DIP) 阵列式(PGA) 封装 — 2 双列直插封装DIP (Dual In-line Package) (主板BIOS芯片) 塑料有引线芯片载体PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) (主板BIOS芯片) 封装 — 3 FC-PGA2 封装方式 (Pentium 4 处理器) 插座 封装 — 4 塑料四边引出扁平封装PQFP (Plastic Quad Flat Package) (主板集成的声卡芯片) 球栅阵列封装BGA (Ball Grid Array Package) (主板北桥芯片) 封装 — 5 小外形封装SOP (Small Outline Package) (主板频率发生器芯片) Micro-BGA2封装 的笔记本电脑CPU 478脚P4CPU的BGA插座 成品测试 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 性划分为不同等级。 特殊测试:根据客户特殊需求的技术 参数,从相近参数规格、品种中拿出部分 芯片,做有针对性的专门测试,看是否能 满足客户的特殊需求,以决定是否须为客 户设计专用芯片。经一般测试合格的产品 贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签 并加以包装后即可出厂。而未通过测试的 芯片则视其达到的参数情况定作降级品或 废品。 介绍集成电路制造过程的网站: 集成电路的发展趋势 集成电路的工作速度: 主要取决于 组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小,其极 限工作频率越高,门电路的开关速度就越快。 芯片上电路元件的线条越细,相同面积的晶片可容纳的晶体 管就越多,功能就越强,速度也越快。 随着微米、亚微米量级的微细加工技术的采用和硅抛光片面 积的增大,集成电路的规模越来越大 。 1.2.3. 集成电路的发展趋势 集成电路特点: 体积小、重量轻、可靠性高。 按电子器件的比例缩小法则,集成电路的工作速度 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。芯片 上电路元件的线条越细,相同面积的晶片可容纳的 晶体管就越多。提高集成度,关键在缩小逻辑门电 路面积。 ? Moore定律 单块集成电路的集成度平均每18~24个月翻一番 ——Gordon E.Moore,1965 年 Intel公司创始人 1.2.3. 集成电路的发展趋势 Intel公司微处理器集成度的发展 晶体管数 Pentium 4 Pentium III Pentium II 100,000,000 10,000,000 Pentium 80386 80486 1,000,000 80286 8086 100,000 8008 4004 1970 8080 10,000 1,000 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2010年达到18英寸晶圆和0.070.05μm工艺水平 集成电路技术的发展趋势 1999 工艺(μm) 晶体管(M) 时钟频率(GHz) 面积(mm2) 连线层数 晶圆直径(英寸) 引脚数目 功耗(w) 0.18 23.8 1.2 340 6 12 700 90 2001 0.13 47.6 1.6 340 7 12 2004 0.09 135 2.0 390 8 14 957 130 2008 0.06 539 2.655 468 9 16 2014 0.014 3500 10 901 10 18 3350 183 问题与出路 问题: 线宽进一步缩小、线路间的距离越来越窄,干扰将越益严重。 为了减少这种干扰,可以采取减小电流,降低电压的方法来解决。 但是,当晶体管的基本线条小到纳米级,线路的电流微弱到仅有几十个 甚至几个电子流动时,晶体管已逼近其物理极限,它将无法正常工作 出路: 在纳米尺寸下,纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应,可以利用这些 量子效应研制具有新功能的量子器件,从而把芯片的研制推向量子世界的新 阶段——纳米芯片技术。 同时,人们还在研究光作为信息的载体,发展光子学,研制集成光路,或把 电子与光子并用,实现光电子集成。 ?集成电路朝着纳米技术、集成光路、光电子集成方 向发展。 纳米技术 ?在半导体世界,基于传统原理的元件到了50纳米就将达到 极限。 1(nm纳米)= 10-9 (m米) ?所谓纳米技术,就是以0.1至100纳米尺度为研究对象的新 技术。 ?纳纳米技术通过操纵原子、分子、原子团、分子团使其重新 排列组合,形成新的物质,制造出具有新功能的机器。 ?在信息、生物工程、医学、光学、材料科学等领域均具有 广阔的应用前景。 集成光学技术 * * ?集集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象,以及光学元器件集成化 的一门学科。它是在激光技术发展过程中,由于光通信、光学信息 处理等的需要,而逐步形成和发展起来的。它要解决的实质问题, 是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路,以实现光学信息处 理系统的集成化和微小型化。 因为光波波长比波长最短的无线电波还要短四个数量级,因而 它具有更大的传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学系统体 积大、稳定性差、光束的对准和准直困难,不能适应光电子技术发 展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法,把光学元件以薄膜 形式集成在同一衬底上的集成光路,是解决原有光学系统问题的一 种途径。这样的器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低 ,使用方便等优点。 阅读文献: 《奋起迎接纳米科技争夺战》 网址: 《生物芯片将怎样改变我们的生活》 网址: 卡 IC 卡:集成电路卡(chip card、smart card) 把集成电路芯片密封在塑料卡基片内,使其成为能 存储、处理和传递数据的载体。 特点: 存储信息量大 保密性能强 可以防止伪造和窃用 抗干扰能力强 可靠性高 应用举例:作为电子证件,记录持卡人的信息,用作身份识 别(如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等) 作为电子钱包(如电话卡、公交卡、加油卡等) IC分类 IC从功能上分为三类: 存储器卡 带加密逻辑的存储器卡 CPU卡 IC分类 IC从功能上分为三类: 存储器卡。封装的集成电路为存储器,其容量大约为几KB到几 十KB,信息可长期保存,也可通过读卡器改写。存储卡结构简 单,使用方便,读卡器不必联网就可工作。 主要用于安全性要求不高的场合,如电话卡、水电费卡、公交 卡、医疗卡等。 带加密逻辑的存储器卡。这种卡除了存储器外,还专设有加密电 路,因此安全性强,常用于安全性要求高的场合 CPU卡。卡上集成了中央处理器(CPU)、程序存储器和数据存 储器,还配有操作系统COS(Chip Operating System)。 这种卡处理能力强,保密性更好,常用于作为证件和信用卡使 用的重要场合。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡,它 不但存储了用户的身份信息,而且将电话号码本也存储在卡上。 1.2.4 IC 卡 IC 卡按使用方式可分为两种: 接触式IC卡 (如电话IC卡),其表面有一个方型镀金接口,共有8个 或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机卡口内, 通过金属触点传输数据。这种IC卡多用于存储信息量大、 读写操作比较复杂的场合。接触式IC卡易磨损、怕油污, 寿命不长 (a) 接触式IC卡 (b) 接触式IC卡的结构 非接触式IC卡,又叫射频(Radio Frequency)卡、感应 卡,它采用电磁感应方式无线传输数据,解决了无源(卡中 无电源)和免接触这一难题,操作方便,快捷。这种IC卡记 录的信息简单,读写要求不高,常用于身份验证等场合。由 于采用全密封胶固化,防水、防污,所以使用寿命很长。 (c) 非接触式IC卡 非接触式IC卡的工作原理(选学) 读卡器发出一组固定 频率的无线电波(射频 信号),通过天线向外 发射 当IC卡处在读卡器有效范围(一般为 5~10cm)内时,卡内的一个LC串联谐 振电路(谐振频率相同的)便产生电磁共 振,使电容充电,从而为卡内其它电 路提供2V的工作电压 读卡器收到数据后,通过接口将IC 卡数据传送给PC,PC将判断该卡 的合法性,作出相应处理 IC卡激活后,通过辐射电 磁信号将卡内数据发射出 去(或接收读卡器送来的数 据) 非接触式IC卡在身份证中的使用 ? 第二代身份证使用非接触式CPU卡,可实现“电子防伪”和 “数字管理”两大功能 : –电子防伪措施:个人数据和人脸图像经过加密后存储在 芯片中,需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。 需要时还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中, 以进一步提高防伪性能 –数字管理功能: ? 存储器能储存多达几兆字节的信息,采用分区存储, 按不同安全等级授权读写 ? 采用数据库和网络技术,实现全国联网快速查询和身 份识别,将使二代证在公共安全、社会管理、电子政 务、电子商务等方面发挥重要作用 1.2.4 IC 卡 射频卡的工作原理 读卡器发出一组固定频率的电磁波,当射频卡靠近时,卡内的一个(谐振 频率相同的)LC串联谐振电路便产生电磁共振,使电容充电,为卡内其它 电路提供2V的工作电压,然后通过辐射电磁信号将卡内数据发射出去或接 收读卡器送来的数据。使用时,IC卡只需在读卡器有效区(一般为5cm) 内,不论什么方向,均可与读卡器交换数据,实现预先设计的功能。 工作过程 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 读写器发送13.56MHz的载波信号,经天线向外发送; 非接触式IC卡进入读写区后,接收到读写器发射的脉冲信号; 卡中的射频接口模块由此信号生成电源电压,复位信号,及系统时钟; 芯片中的有关电路对脉冲信号进行解调,解码,及解密; 根据解密信息判别读写要求,验证权限,实施读写操作; 将相关读写信息经卡内天线发射给读写器; 读写器的接收器接收信息,解调,解码,解密后送主机进行处理。

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