第1章13 微电子技术

第1章信息技术概述1.3微电子技术简介1.3微电子技术简介（1）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势（4）IC卡(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电子电路中元器件的发展演变晶体管(1948)中/小规模集成电路(1950’s)微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。大规模/超大规模集成电路(1970’s)电子管(1904)什么是集成电路？集成电路

(IntegratedCircuit，简称IC)： 以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高超大规模集成电路小规模集成电路IC是所有电子产品的核心集成电路的分类按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路······按集成度(芯片中包含的元器件数目)分：集成电路规模元器件数目小规模集成电路（SSI）＜100中规模集成电路（MSI）100~3000大规模集成电路（LSI）3000~10万超大规模集成电路（VLSI）10万~几十亿极大规模集成电路（ULSI）＞100万(2)集成电路的制造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能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。集成电路的制造流程硅抛光片单晶硅锭单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成镜面一样光滑的圆形薄片，称为“硅抛光片”晶圆硅平面工艺硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作“晶圆”芯片检测、分类集成电路封装对晶圆上的每个电路进行检测，然后将晶圆切开成小片，把合格的电路分类，再封装成一个个独立的集成电路成品测试成品进行成品测试，按其性能参数分为不同等级，贴上规格型号及出厂日期等标签，成品即可出厂集成电路的封装

集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能常见的封装方式：单列直插式（SIP）双列直插式（DIP）阵列式（PGA）塑料有引线芯片载体（PLCC）扁平贴片式(PQFP)

球栅阵列封装(BGA)

小外形封装（SOP）

FC-PGA2封装方式（Pentium4处理器）集成电路插座集成电路的封装集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能(3)集成电路的发展趋势集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。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，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。IC集成度提高的规律Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(GordonE.Moore,1965年)例：Intel微处理器集成度的发展酷睿2双核

（2006） 291～410M晶体管酷睿2四核

（2007） 820M晶体管Corei7六核（2010）>10亿晶体管100019701975198019851990199520001000010000010610x106100x10640048008808080868028680386PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数8048620101000x106CORE2DuoCORE2QuadCOREi7集成电路技术的发展趋势199920012004200820102014工艺(μm)0.180.130.090.0450.0320.014晶体管(M)23.847.613553910003500时钟频率(GHz)1.21.62.02.6553.810面积(mm2)340340390468600901连线层数6789910晶圆直径(英寸)121214161618减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片线宽：32nm(纳米)进一步提高集成度的问题与出路问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：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，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，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(4)IC卡简介几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。什么是IC卡？IC卡(chipcard、smartcard)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、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卡的类型(按芯片分类)存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便。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增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统(ChipOperatingSystem)，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。IC卡的类型(按使用方式分类)接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等

接触式IC卡接触式IC卡的结构非接触式IC卡非接触式IC卡的工作原理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)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

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。以后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，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

RFID及其应用

RFID---电子标签三个部分组成：标签（包括芯片和耦合元件）。标签作用：附着在商品上，用于唯一标识商品。每一个标签都有唯一的电子编码。阅读器：读取或写入标签信息。天线：在标签与读卡器之间传递射频信号。分类：无源电子标签和有源电子标签。

RFID及其应用电子标签天线阅读器当电子标签进入阅读器的磁场后，它接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的信息，由阅读器读取，然后送CPU进行处理附：背景材料IC技术发展——减小蚀刻尺寸减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸尺寸越小，开关速度越快，性能越高相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本越低8086的蚀刻尺寸为3μmPentium的蚀刻尺寸是0.80μmPentium4的蚀刻尺寸当前是0.09μm（90纳米）酷睿2双核的蚀刻尺寸为0.065μm（65纳米）酷睿2四核的蚀刻尺寸为0.045μm（45