集成电路技术及应用

2024/2/221重庆航天职业技术学院CHONGQINGAEROSPACEPOLYTECHNIC集成电路技术及应用2014年7月1日

王用伦2024/2/222目录一、集成电路及特点二、集成电路的分类三、集成电路的封装形式四、集成电路应用五、我国集成电路产业及发展趋势2024/2/223一、集成电路及特点

集成电路是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅的集成电路）。

集成电路又称微电路、微芯片、芯片。2024/2/224一、集成电路及特点特点：体积小重量轻引出线和焊接点少，寿命长可靠性高性能好成本低，便于大规模生产。2024/2/225二、集成电路的分类分类1、按功能结构分类，可分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号）。数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号）。2024/2/226二、集成电路的分类制作工艺分类按制作工艺可分为半导体、膜集成电路。膜集成电路又分为厚膜、薄膜集成电路。按导电类型不同分类可分为双极型集成电路和单极型集成电路，双极型IC的制作工艺复杂，功耗较大，代表有TTL、ECL等类型；单极型IC的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表有CMOS、NMOS、PMOS等类型。二、集成电路的分类2024/2/227按集成度高低分类小规模集成电路（SSIC):1960年出现，在一块硅片上包含10-100个元件或1-10个逻辑门。是以门电路作为电路的基本单元。中规模集成电路(MSIC):1966年出现，在一块硅片上包含100-1000个元件或10-100个逻辑门。如：集成计时器，寄存器，译码器等。；超大规模集成电路(VLSIC)特大规模集成电路(ULSIC)巨大规模集成电路(GSIC)按应用领域可分为：标准通用集成电路和专用集成电路二、集成电路的分类大规模集成电路(LSIC)：1970年出现，在一块硅片上包含103-105个元件或100-10000个逻辑门，如：半导体存储器。超大规模集成电路（VLSI):20世纪70年代后期研制成功,在一块芯片上集成的元件数超过10万个，或门电路数超过万门的集成电路。64k位随机存取存储器是第一代超大规模集成电路，大约包含15万个元件，线宽为3微米。目前超大规模集成电路的集成度已达到600万个晶体管，线宽达到0.3微米。2024/2/228二、集成电路的分类特大规模集成电路(ULSI)：1993年集成了1000万个晶体管的16MFLASH和256MDRAM的研制成功，特大规模集成电路的集成组件数在107～109个之间。ULSI集成度的迅速增长的因素：1、完美晶体生长技术已达到极高的水平；2、制造设备不断完善，加工精度、自动化程度和可靠性的提高已使器件尺寸进入深亚微米级领域。2024/2/229二、集成电路的分类巨大规模集成电路（GSI）：1994年由于集成1亿个元件的1GDRAM的研制成功，进入巨大规模集成电路GSI时代。巨大规模集成电路的集成组件数在109以上。超大规模集成电路是在几毫米见方的硅片上集成上万至百万晶体管、线宽在1微米以下的集成电路。由于晶体管与连线一次完成，故制作几个至上百万晶体管的工时和费用是等同的。大量生产时，硬件费用几乎可不计，而取决于设计费用。2024/2/2210三、集成电路的封装形式（一）DIP双列直插式封装绝大多数中小规模集成电路(IC),均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。也可以直接插在电路板上进行焊接。特点：1.适合在PCB(上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大2024/2/2211三、集成电路的封装形式DIP封装芯片2024/2/2212三、集成电路的封装形式（二）SIP单列直插式封装2024/2/2213三、集成电路的封装形式（三）SOP表面焊接式封装2024/2/2214三、集成电路的封装形式（四）QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装。QFP封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。2024/2/2215三、集成电路的封装形式QFP与PFP封装2024/2/2216三、集成电路的封装形式PFP与QFP的区别：QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。QFP/PFP封装具有以下特点：1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。2.适合高频使用。3.操作方便，可靠性高。4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。2024/2/2217三、集成电路的封装形式（五）PGA插针网格阵列封装2024/2/2218三、集成电路的封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。ZIF是指零插拔力的插座，利用插座本身的特殊结构，实现引脚与插座牢牢地接触或轻松取出芯片。PGA封装的特点：插拔方便，可靠性高，可适应更高频率。2024/2/2219三、集成电路的封装形式（六）BGA球栅阵列封装5.CDPBGA（Carity

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PBGA）基板2024/2/2220三、集成电路的封装形式BGA封装技术又可详分为五大类：1.PBGA基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板。2.CBGA基板：即陶瓷基板,芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片的安装方式。3.FCBGA基板：硬质多层基板。4.TBGA基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板。2024/2/2221三、集成电路的封装形式5.CDPBGA（Carity

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PBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）BGA封装具有以下特点：1.I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。2.虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。3.信号传输延迟小，适应频率大大提高。4.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。2024/2/22222024/2/2223三、集成电路的封装形式目前，BGA已成为极其热门的IC封装技术，。由于CPU和其他超大型集成电路在不断发展，集成电路的封装形式也不断作出相应的调整变化，而封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前发展。2024/2/2224四、集成电路的应用（一）常用模拟集成电路模拟电子技术是电子技术的基础，模拟集成电路使模拟电路变得容易使用。模拟集成电路按照功能、用途以及工作性质可分为：线性IC、非线性IC(接口IC),接口IC是模拟/数字电路之间过渡的中介电路，即处理模拟信号用的非线性或开关类型IC。2024/2/2225四、集成电路的应用

模拟集成电路的主要类型：

1、线性IC：即输入输出之间呈线性关系。主要有：(1)各种放大器：差分放大器（DA)、运算放大器(OP)。（2）音响用集成电路：音频放大器、高/中频放大器、线性调制解调器。（3）宽带放大器：工作频率从直流到M\GHZ。（4）电压调整器：稳压器等。2024/2/2226四、集成电路的应用2、接口IC：一部分工作在线性状态，另一部分工作在开关状态。主要有：（1）电压比较器。（2）特种功能电路：函数发生器、F/V变换器、直流电源变换器等。(3)驱动器：逻辑电平变换驱动、接口专用驱动等。（4）变换器：ADC、DAC等。(5)开关类:各种模拟开关、多路调制解调器等。(6)接收/发送器:用于两种电子设备之间的出/入口。2024/2/2227四、集成电路的应用

模拟集成电路应用注意事项：1、安装：尽量远离可能引起正反馈的连线，不要平行走线；输出线不要靠近输入部分，尽量缩短输入线，太长时要加刚来屏蔽措施。2、集成电路电源端要去耦，小电流加0.1μF左右电容，大电流加4.7―100μF电容去耦。3、要进行失调调整（调零）。4、保护：限压、限流。2024/2/2228四、集成电路的应用

（二）数字集成电路随着电子技术的发展，数字电子技术迅猛发展，很多原来采用模拟电子技术的领域，已经被数字电子技术取代。数字处理技术（DSP)的发展，可以说数字集成电路已经或正在改变人们的生活方式。到处都可以看到他们的身影。通信技术：已经从模拟通信全面进入数字通信时代，通信速度也越来越快，从1G时代已经发展到现在的4G。从电子通信发展到光通信。通信使用的集成电路芯片集成度越来越高，处理器的核的数量也不断增加。2024/2/2229四、集成电路的应用计算机技术：中央处理器（CPU),处理速度越来越快，集成度越来越高，已经由单核发展到多核，已经从大规模集成电路发展到特大规模集成电路。网络技术：网络速度不断提高，访问网络的路径也更加复杂，核心路由器需要极快的计算速度，都需要使用集成电路。互联网已经正在从信息连接向物体连接的物联网方向发展，物联网通过传感器技术、网络技术实现人与物、物与物相连，是当前信息技术的一次革命，必将进一步改变现有的生活方式。智能家电：已经从以前的模拟技术转变为数字技术，给人们的视觉、听觉等感官更好的享受。数码相机等数字化设备，让人们的生活更加丰富多彩。四、集成电路的应用军事领域：谁抢占军事制高点，谁就有主动权。新型军事装备不断出现，都离不开集成电路。由于集成电路具有体积小、可靠性高等特点，在军事装备真应用非常广泛。航天产品：卫星、导弹、火箭、飞船、深空探测器等对集成电路都提出了更高的要求。航天12所已经研制成功2核的SOC芯片，可以大大提高火箭的控制处理能力。2024/2/2230五、我国集成电路产业及发展趋势20世纪80年代中期我国集成电路的加工水平为5微米，其后，经历了3、1、0.8、0.5、

0.35微米的发展，目前达到了0.18微米的水平，而当前国际水平为0.09微米（90纳米），我国与之相差约为2-3代。摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。2024/2/22312024/2/2232五、我国集成电路产业及发展趋势势我国集成电路产业现状工信部统计显示，截至2013年年底中国手机用户数已突破12亿，作为手机核心部件的芯片，乐观估计占比也不足两成。4G手机采用的芯片，则基本上都是依靠国外进口。2013年我国集成电路进口额高达2313亿美元，同比增长20.5%，而同期我国原油进口总额约2196亿美元。事实上，中国有十余年集成电路进口额超过石油，长期居各类进口产品之首。2013年，4G一期招标美国高通芯片中标终端产品占一半以上，而国产芯片厂商只有华为海思中标。2024/2/2233五、我国集成电路产业及发展趋势国务院发展研究中心发布的《二十国集团国家创新竞争力黄皮书》指出，中国关键核心技术对外依赖度高，80%芯片都靠进口。我国一年制造11.8亿部手机、3.5亿台计算机、1.3亿台彩电，都是世界第一，但嵌在其中的芯片专利费用却让中国企业沦为国际厂商的打工者。目前我国芯片设计水平与国际基本相当，封装技术水平有4至5年差距，制造工艺差距在3年半左右。2024/2/2234五、我国集成电路产业及发展趋势工信部发布了《2013年集成电路行业发展回顾及展望》，指出2013年我国集成电路行业整体复苏态势强劲，经营效益大幅改善。报告预计，2014年我国集成电路产业整体形势好于2013年，集成电路设计仍将是全行业增长亮点，产业增速预计将比2013年提高5-10个百分点，达到15%以上。2013年集成电路全年完成销售产值2693亿元，同比增长7.9%，增幅高于上年2.9个百分点;累计生产集成电路866.5亿块，同比增长5.3%。2024/2/2235五、我国集成电路产业及发展趋势目前，集成电路产业结构正处于良性调整阶段。2013年IC设计收入增长19%，设计业在全行业中比重超过30%，重点企业快速成长，本土封装测试企业业绩也有大幅增长。产业生态的变革对IC设计业形成了巨大的冲击，传统IC设计企业在开发好芯片后交由整机厂进行方案开发及整机产品推广。进入SoC后发展为“芯片+解决方案”，更依赖于原厂提供技术支持。IC设计企业因此需要额外承担几倍于IC设计人员的软硬件解决方案及技术支持队伍的人力成本。五、我国集成电路产业及发展趋势目前，由科技部认定的国家级集成电路设计产业化基地共有北京、上海、深圳、无锡、杭州、成都、西安和济南8家，经认定的600多家集成电路设计企业也坐落在这8个城市。从产业发展格局来看，中国集成电路产业集群化分布进一步显现，已初步形成以长三角、环渤海、珠三角三大核心区域聚集发展的产业空间格局。2024/2/2236五、我国集成电路产业及发展趋势长三角地区，目前国内55%的集成电路制造企业、80%的封装测试企业以及近50%的集成电路设计企业都集中在该地区。环渤海地区是国内重要的集成电路研发、设计和制造基地，该地区已基本形成了从设计、制造、封装、测试到设备、材料的产业链，具备了相互支撑、协作发展的条件。珠三