集成电路设计-引言

1、集成电路设计集成电路：Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能分立电路：将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能 膜膜IC，又可分为两种又可分为两种 用于制作电阻器、电容器以及相互间的电连接。比单片用于制作电阻器、电容器以及相互间的电连接。比单片IC面积大，一般功率较大，频率较高（可达面积大，一般功率较大，频率较高（可达1GHz）。）。主要工艺为主要工艺为漏印（丝

2、网印刷）。设备费用和材料费用低。膜层典型厚度约漏印（丝网印刷）。设备费用和材料费用低。膜层典型厚度约为为20 m，最小导电带宽度最小导电带宽度250 m，最小电阻器宽度约最小电阻器宽度约1250 m。 主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000 500。 集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难

3、以制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。 指将两个或更多的不同类型集成电路芯片、有时也包括指将两个或更多的不同类型集成电路芯片、有时也包括一些分立元件，组合成一个整体，密封在一个管壳内，构成所一些分立元件，组合成一个整体，密封在一个管壳内，构成所谓谓HIC。 HIC一般体积较大，但性能得以提高。一般体积较大，但性能得以提高。 单晶硅棒单晶硅棒硅片硅片1947年年 发明第一只发明第一只（1947年年12月月23日）日）世界上第一个晶体管世界上第一个晶体管-PNP点接触式点接触式 Ge晶体管晶体管蒸金箔蒸金箔塑料楔塑料楔金属金属基极基极锗锗发发

4、射射极极集电极集电极0.005cm的间距的间距1948年年 发明结型晶体管（发明结型晶体管（Junction Transistor） 美美 BELL 实验室实验室，于，于1948年年1月月 提出结型晶体管模型和场效应理论，并研制出第一只提出结型晶体管模型和场效应理论，并研制出第一只 ，因此与，因此与J.Bardeen巴丁、巴丁、 W.H.Brattain布布 拉顿拉顿、一起荣获一起荣获1956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖2000年度诺贝尔年度诺贝尔物理学奖得主物理学奖得主1958年年9月月12日，日，TI公司的公司的Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验在德州仪器半导体实验室展示了一

5、个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的半英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。两个电容和八个电阻）。1959年年 美国美国仙童公司仙童公司Fairchilds的的R.Noicy诺依斯诺依斯开发出用开发出用 于于IC 的平面工艺技术，从而推动了的平面工艺技术，从而推动了IC制造业大发展。制造业大发展。 60年代年代 TTL、ECL出现并

6、得到广泛应用出现并得到广泛应用1966年年 MOS LSI发明（集成度高，功耗低）发明（集成度高，功耗低）80年代年代 VLSI出现，使出现，使IC进入了崭新的阶段。进入了崭新的阶段。 （其标志为（其标志为CD 2 m，集成度，集成度 105 个元件个元件/片）片）90年代年代 ASIC、ULSI和巨大规模集成和巨大规模集成GSI等代表更高技术等代表更高技术 展展 望望 可望突破一些先前认为的可望突破一些先前认为的IC发展极限，对集成电路发展极限，对集成电路 IC 的涵义也将有新的诠释。的涵义也将有新的诠释。 集成电路的分类 按所处理信号分类-数字集成电路 数字集成电路是用来专门处理数字信号的

7、，各种逻辑门、触发器、存储器等电路都是数字集成电路。 数字信号是二进制信号 数字电路的工作特点是：电路输出的二进制信号与输入二进制信号有一定的逻辑关系，这个逻辑关系就称为电路的逻辑函数。在正常的电压工作范围内，电压的幅度是被量化了的：某一电压范围代表二进制状态中的一个状态，另一电压范围则代表了另一个状态。这两个范围之何的不确定范围应尽可能小，这将使电路完全工作在非线性状态，如图所示。 按所处理信号分类-模拟集成电路 模拟集成电路是对随时间连续变化的模拟量（电压或电流等）进行处理（放大或变换）的一类集成电路，它通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路。 更广义些，人们把数字集成电路以外的各种集成

8、电路统称为模拟集成电路。模拟集成电路中的各种集成化的高、低、中频放大器、差分放大器和运算放大器等属于线性集成电路。 模拟集成电路中的各种混频器，振荡器、非线性放大器，整流、检波和函数变换的集成电路则属于非线性集成电路。 按所处理信号分类-模拟集成电路 按所处理信号分类-数模混合集成电路 由于数字信号在产生、恢复、传输、储存及其处理方面较之模拟信号有许多独特优势，利用数字技术来处理模拟信号的场合愈来愈广泛。 高清晰度数字电视(HDTV)、数字录音、数字化语音通信等许多原以模拟信号处理技术为中心的领域都逐步采用了数字技术。在这些领域内的电子系统或电子设备中同时兼有数字电路、模拟电路，模-数(AD)

9、转换电路和数-模(DA)转换电路。 在同一芯片上含有这些电路的集成电路产品通常称为数模混合集成电路。 按集成度分类 将每片含有100个元件或10个门以下的集成电路称为小规模集成电路(SSI)； 每片含有10至100个逻辑门或100至1000个元件的集成电路称为中规模集成电路(MSI)； 每片含100至 5，0O0个等效门或含有1，000至100，000个元件的集成电路称为大规模集成电路(LSI)；每片有5，O00个门或100，000个元件以上的集成电路则称为超大规模集成电路(VLSI)。 如按如按高低分类，则半导体高低分类，则半导体IC可分为：可分为： IC按集成度的分类按集成度的分类 是指是

10、指而而SSI，MSI GSI等分别为各分类的英文缩写，即等分别为各分类的英文缩写，即Small Scale Integration，Medium Scale Integration Giant Scale Integration。 集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求25集成电路的设计过程：集成电路的设计过程： 设计创意设计创意 + + 仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合

11、、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off制造业制造业芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次集成电路设计概论超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated Circuit，简写为VLSI)是泛指各类通用或面向专门用途而设计制造的集成电路VLSI的设计涉及从电子系统到集成电路制造整个过程。VLSI实现电子系统的同时隐含着知识的集成。VLSI设计师应当

12、具有逻辑抽象、电路技术、器件物理、加工工艺等方面的综合知识。 系统设计师(VLSI的用户)掌握了CAD工具的必要部分之后，可以在逻辑级以上的层次独立设计，以充分发挥他的知识优势和设计风格。元件电路级以及物理实现级别的设计工作将由电路工程师和版图设计工程师完成。因而，传统意义的集成电路公司必须拥有众多的技术人才。集成电路设计概论29第一台通用电第一台通用电子计算机：子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年年2月月14日日Moore School，Univ. of Pennsylvania18,000个电子个电子管

13、组成管组成大小：长大小：长24m，宽，宽6m，高，高2.5m速度：速度：5000次次/sec；重量：；重量：30吨；吨；功率：功率：140KW；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：7min30实现社会信息化的网络及其关键部实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和件不管是各种计算机和/ /或通讯机，或通讯机，它们的基础都是它们的基础都是微电子微电子?1946年第一台计算机：年第一台计算机：ENIAC?这样的计算机能够进入办公室、车间、这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要世界只要4台台ENIAC?目前，全世界计算

14、机数量目前，全世界计算机数量?31集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低32集成电路已是各类电子系统发展的基础技术 计算机的发展就直接依赖于VLSI技术。 通信技术特别是电话通信(包括有线电话和移动通信)也是受VLSI影响很大的又一领域。信号处理技术近年来都成为集成电路特别是专用集成电路应用的重要领域。日用电子技术和产品 军事和航天技术的发展对集成电路提出了更为苛刻和更为迫切的要求 在为提高人们健康水平的医疗保健技术领域内，也愈来愈多地使用了各种医用电子设备和集成电路产品。 娱乐消费类产品。产业格局与产业结构集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产出来。集成电路芯片价

15、格：101 102美元生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米）要想赢利：年产量108集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最终产品，如果不能在整机和系统但不是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值中应用，那它就没有价值和高附加值决定集成电路产业的建设必须首先考虑整决定集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展，即机和系统应用的发展，即市场的需求集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型生产存储器和CPU集成器件制造商(IDMIntegrated Device Manufactory Co.), 产品主

16、要用于自己的整机和系统标准工艺加工厂或称代客加工厂，即FoundryFoundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品 优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工36资料来源： Digitimes整理 2000/ 制图：李柏毅、Mabel前两类厂家，前两类厂家，IDM与整机、系统用户相结合，与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工相对分散设计；以标准工艺（标准单元库和艺（标准单元库和IP库）库）为接口，相对集中加工。为接口，相对集中加工。这就导致了这就导致

17、了Fabless Co. 和和Foundry的出现。的出现。IP模块和模块和Chipless Co.出现出现 19801980 1990 集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的结果。集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的结果。不同的产业发展阶段，产业结构可以有不同的形式不同的产业发展阶段，产业结构可以有不同的形式IC(IDM)制造商制造商通用电路通用电路制造商制造商IP：知识产权：知识产权(Intellectual Property)37集成电路设计滞后现象0.010.11101980198519901995200020052010微米微米芯片复杂度芯片复杂度栅长栅长58%/年年20%/人

18、年人年设计产率设计产率差距增大差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率1、世界主要半导体公司、世界主要半导体公司 STM 意法 TOSHIBA 日日 PHILIPS 荷 HITACHI 日 NS 美 OnSemi 美 FreeScale 美 Ericsson Components 瑞典 2008 排名排名2009 排名排名公司公司08 收入收入（亿美元）（亿美元）09收入收入（亿美元）（亿美元）变化变化总份额总份额11Intel337.67320.95-5.0%14.2%22Samsu

19、ng Electronics169.02171.231.3%7.6%33Toshiba110.81106.40-4.0%4.7%44Texas Instruments110.6896.12-13.2%4.2%55STMicroelectronics103.2584.00-18.6%3.7%86Qualcomm64.7764.750.0%2.9%97Hynix60.2359.40-1.4%2.6%68Renesas Technology70.1756.64-19.3%2.5%129AMD54.5550.38-7.6%2.2%710Sony69.5046.70-32.8%2.1%1111NEC E

20、lectronics58.2644.03-24.4%1.9%1012Infineon Technologies59.5443.40-27.1%1.9%1413Broadcom46.4341.98-9.6%1.9%1614Micron Technology44.3539.95-9.9%1.8%2415MediaTek28.9635.2421.7%1.6%1916Elpida Memory35.9934.98-2.8%1.5%1317Freescale Semiconductor49.6633.44-32.7%1.5%1518Panasonic Corporation44.7333.30-25.6

21、%1.5%1719NXP40.5532.47-19.9%1.4%1820Sharp Electronics36.0728.86-20.0%1.3%中国半导体工业发展与现状中国半导体工业发展与现状1、主要的工厂：、主要的工厂：北京：北京：774厂（东方）、厂（东方）、878厂厂锦州：锦州：777江苏：江苏：742厂厂华晶（无锡）华晶（无锡） 中电集团中电集团58所所 华润上华华润上华江西：南昌江西：南昌746厂厂湖南：长沙湖南：长沙4435厂厂贵州：贵州：873、4433厂厂四川：四川：970（亚光）（亚光）甘肃：甘肃：749厂厂 871厂厂天光（天水）天光（天水） 华越（绍兴）华越（绍兴）西安

22、：西安：877（卫光）（卫光）2、主要研究所：、主要研究所： 中电中电13所（石家庄）：微波、所（石家庄）：微波、GaAs FET 中电中电24所（重庆）：模拟所（重庆）：模拟IC，SiGe 中电中电55所（南京）：微波、所（南京）：微波、GaAs FET 中电中电47所（沈阳）：数字所（沈阳）：数字IC 中电集团中电集团58所（无锡）：数字所（无锡）：数字IC为主为主 兵器部兵器部214所（蚌埠）：军品所（蚌埠）：军品 航天部航天部771所（西安）、所（西安）、772所（北京）：军品所（北京）：军品 中科院上海冶金所中科院上海冶金所5、“10.5”期间：期间： 虽然一条虽然一条8英寸生产线投

23、资十多亿美元，但这种高投入仍然英寸生产线投资十多亿美元，但这种高投入仍然挡不住挡不住进军芯片制造业的步伐，两地都宣布要成为进军芯片制造业的步伐，两地都宣布要成为中国的半导体产业中心。中国的半导体产业中心。 投资最大，计划总投资投资最大，计划总投资60亿亿美元，仅首期投入就达美元，仅首期投入就达16.3亿美元。（亿美元。（8/12英寸、英寸、0.25 m） 投资投资15亿亿美元，制造水平为美元，制造水平为8英寸、英寸、 0.25 m。该公司于。该公司于2000年年12月开月开工建设，工建设，2001年年9月试投产，并先后从新加坡特许半导体、德月试投产，并先后从新加坡特许半导体、德国英飞凌国英飞凌

24、Infineon公司获得公司获得0.18 m、0.14 m和和0.11 m技术授技术授权，推动了中国半导体制造技术的跳跃式发展。权，推动了中国半导体制造技术的跳跃式发展。 目前，目前，SMIC已有已有9座代工厂投入量产运行。最高工艺水座代工厂投入量产运行。最高工艺水平为晶圆直径平为晶圆直径12英寸、最小线宽英寸、最小线宽45nm。 其中三厂为全球仅有的四家铜制程芯片代工厂之一，其其中三厂为全球仅有的四家铜制程芯片代工厂之一，其余三家控制在台积电、联电和余三家控制在台积电、联电和IBM手上。手上。6、国内、国内IC制造与设计现状分析制造与设计现状分析 中国中国IC制造业现状制造业现状 中国现有半

25、导体制造业的技术水平，目前具有代表性的是中国现有半导体制造业的技术水平，目前具有代表性的是八大企业：中芯国际、宏力、华虹八大企业：中芯国际、宏力、华虹NEC、华晶、华越、南科、华晶、华越、南科贝岭、先进和首钢贝岭、先进和首钢NEC。最高水平的是最高水平的是，达到当代国际水平。，达到当代国际水平。截至截至2008年，中国大陆年，中国大陆8英寸以上的半导体生产线共英寸以上的半导体生产线共22条，其中条，其中8英寸英寸16条条(已实现量产的有已实现量产的有13条，产能为条，产能为3135万片万片/月月)，12英寸英寸8条条(已实现量已实现量产的有产的有2条，产能为条，产能为4.56.5万片万片/月月

26、)。 中国中国IC设计业现状设计业现状 国内设计公司大约分为五个类型：国内设计公司大约分为五个类型： ，如中国华大、天潼、长江等；，如中国华大、天潼、长江等； ，如华晶、首钢，如华晶、首钢NEC、13所等所等 都有专门的设计所；都有专门的设计所； ，如华为、海信、熊猫等都有自己，如华为、海信、熊猫等都有自己 的设计所；的设计所； ，如清华、北大、复旦；，如清华、北大、复旦； ，如，如INTEL 、EPSON、 ADI MOTOROLA 和和等在苏州、上海、北京、西安等在苏州、上海、北京、西安 都开设了设计分部或公司。都开设了设计分部或公司。 全新的集成电路生产和市场经营观念 VLSI生产者必须

27、把产品的快周期开发放在首要位置，力求适时地将产品推入市场以取得优势。不能因执意追求最佳性能价格比而延误时机。 VLSI生产线承接外部设计的代理加工，已导致世界性的IC生产线集中经营的趋势和独立，分散的VLSI设计行业的兴起。大企业已不再可能简单地凭借以雄厚财力为基础的大规模生产垄断IC市场。许多有志于涉足IC的小公司凭借智力的优势在短期内也可以为自己开辟出收益颇丰的园地。 VLSI设计技术取得突破有三方面的基础一、器件尺寸按比例缩小理论；二、器件缩小后新的物理机制和理论模型的建立；三、计算机辅助设计(CAD)技术的进步。 向集成系统发展；通用电路向专用电路发展；设计、制造、测试等方面的自动化程

28、度愈来愈高高速度、高频率、大功率、低功耗、耐压高的集成电路产品亦在不断研究发展之中。 集成电路的发展趋势解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM卫星/电缆第二代将来第三代SOC片上芯片（片上芯片（）的概念是）的概念是20世纪世纪90年代提出来年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一些困难，的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一些困难，通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能。通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能。微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互

29、连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOutPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片超深亚微米工艺超深亚微米工艺基于基于IPIP复用技术复用技术软硬件协同设计软硬件协同设计 SOC将为我们带来什么？将为我们带来什么？ MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems) 1mm气囊加速度计气囊加速度计集成电路开发设计的5个阶段 系统设计阶段；电路设计阶段

30、；CAD设计阶段；样片生产阶段；批量生产阶段。 系统设计阶段在系统设计阶段，系统设计者要提出系统的总体指标，其中包括关键功能、子系统划分、各子系统功能特点以及重要的端口特性、功率消耗、封装要求以及主要的接口要求。既然是在系统总体规划阶段进行设计，只宜对关键特性指标作出具体规定，其余细节部分不作苛求，以利后面设计阶段有较大的回旋余地。 进行逻辑设计和基本单元电路形式的选定。选择制造厂商，决定采用什么工艺形式(双极、MOS)和运用什么样的设计手段(全定制、门阵列，宏单元或标准单元)。对设计结果进行优化。对优化结果再进行逻辑模拟和时序验证，以保证逻辑系统正确。要考虑测试方法或测试模式。表1-4列出了

31、在此设计阶段用户和厂商所要从事的工作和协调关系。 电路设计阶段在电路设计阶段，要将上面各步的设计内容都具体化。 决定引出脚排列、封装形式逻辑门的具体结构和数量、芯片面积、功率消耗、供电方式(单电源、双电源以及电源数值)。输出功率、竞争条件、噪声余度、主信号通道也都是本阶段输出功率、竞争条件、噪声余度、主信号通道也都是本阶段设计所要考虑的问题。设计所要考虑的问题。表表1-5列出了这列出了这设计阶段的主要任务设计阶段的主要任务CAD设计阶段CAD设计过程：需要用到逻辑模拟、故障模拟、电路模拟等许多软件程序需要单元库或各种标准单元，布局布线软件和产生版图的软件和接口设备。所有这些软件程序和接口设备都

32、必须和选定的制造厂商协调一致，以保证通过CAD设计的结果可以投制样片设计师可以到集成电路制造商的计算中心去进行设计，也可以在用户自己的计算机系统或工作站上从事集成电路设计，但是这些计算机系统或工作站的软件必须与制造商协调一致。 CAD设计阶段的最终结果是记录在软磁盘或磁带上的一系列数据。集成电路制造商根据用户的数据就能制出一套掩模，用于选定的工艺线试制出电路样片。制造商再根据用户提供的测试规范对样片进行检测并将结果通告用户。用户在收到样片测试报告后，将硬件测试结果与原系统总体设计指标相比较，如果符合要求，就可准予批量投产。若样片结果不能令人满意则需要仔细检查问题出在哪里，如果原设计过程中有误，

33、就得对原设计有关部分进行修改或全部重新设计。表17列出了样片或产品制造阶段的任务 样片或产品制造阶段样片测试电路设计完成后，将设计资料移交到集成电路芯片加工厂进行。样片制成后进行电路性能测试即样片测试，以确定制成样片电路与设计电路具有同样的性能。测试内容包括基本特性测试-直流特性与功能特性；环境特性测试-温度变化，电压变化对电路性能的影响。成品测试样片测试证实制成电路芯片性能符合设计规定要求，表明设计过程基本完成，可进行批量化的芯片生产。批量化生产出来的芯片仍然要进行电路性能测试，淘汰那些不符合要求的制成品，即是成品测试。工艺选择- VLSI中常见硅工艺及其特点CMOS特点是功耗低、密度高，目前采用CMOS工艺，门时延已达0.Xns，是使用最为广泛的集成电路生产工艺。双极(BIPOLAR)性能较高，功耗较大，目前更多是用于模拟集成电路中。 ECL特点是速度极高、功耗大,需特殊冷却措施，不适合大规模集成。是数字逻辑类工艺，在对速度有特别要求的地方，