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集成电路发展史
集成电路生长史
集成电路对一般人来说也许会有陌生感,但其实我们和它打交道的时机许多。
盘算机、电视机、手机、网站、取款机等等,数不胜数。
除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域,险些都离不开集成电路的应用,当今世界,说它无孔不入并不外分。
在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、智能化的底子。
无论是在军事照旧民用上,它已起着不可替代的作用。
1集成电路概述
所谓集成电路(IC),就是在一块极小的硅单晶片上,利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件,并连接成完成特定电子技能成果的电子电路。
从外观上看,它已成为一个不可支解的完整器件,集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路,目前为止已遍及应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。
[1]
2集成电路生长及其影响
2.1集成电路的生长
集成电路的生长经历了一个漫长的历程,以下以时间顺序,简述一下它的生长历程。
1906年,第一个电子管诞生;1912年前后,电子管的制作日趋成熟引发了无线电技能的生长;1918年前后,逐步发明了半导体质料;1920年,发明半导体质料所具有的光敏特性;1932年前后,运用量子学说创建了能带理论研究半导体现象;1956年,硅台面晶体管问世;1960年12月,世界上第一块硅集成电路制造乐成;1966年,美国贝尔实验室使用比力完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大范围集成电路。
[2]1988年:
16MDRAM问世,1平方厘米巨细的硅片上集成有3500万个晶体管,标记着进入超大范围集成电路阶段的更高阶段。
1997年:
300MHz奔驰Ⅱ问世,接纳0.25μm工艺,奔驰系列芯片的推出让盘算机的生长如虎添翼,生长速度让人惊叹。
2009年:
intel酷睿i系列全新推出,创记录接纳了领先的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发。
集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不停竞争,使集成电路发挥了它更大的成果,更好的办事于社会。
由此集成电路从产生到成熟大抵经历了如下历程:
[3]
电子管——晶体管——集成电路——超大范围集成电路
集成电路的前奏——电子管、晶体管
电子管,是一种在气密性关闭容器中产生电流传导,利用电场对真空中的电子流的作用以得到信号放大或振荡的电子器件。
由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱并且需要高压电源的缺点,很快就不适合生长的需求,被淘汰的命运就没躲过。
[4]
晶体管,是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它成果。
晶体管很快就成为盘算机“理想的神经细胞”,从而得到遍及的使用。
虽然晶体管的成果比电子管大了许多,但由于电子信息技能的生长,晶体管也越来越不适合科技的生长,随之出现的就是能力更强的集成电路了。
[5]
(图1)老式电子管[6](图2)晶体管[7]
集成电路的诞生
几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起,就形成了历史上第一个集成电路。
虽然它看起来并不美观,但事实证明,其事情效能要比使用离散的部件要高得多。
历史上第一个集成电路出自杰克-基尔比之手。
其时,晶体管的发明弥补了电子管的不敷,但工程师们很快又遇到了新的麻烦。
为了制作和使用电子电路,工程师不得不亲自手工组装和连接种种分立元件,如晶体管、二极管、电容器等。
其实,在20世纪50年代,许多工程师都想到了这种集成电路的观点。
美国仙童公司联合首创人罗伯特-诺伊斯就是其中之一。
在基尔比研制出第一块可使用的集成电路后,诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型。
1960年,仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路。
诺伊斯的方案最终成为集成电路大范围生产中的实用技能。
基尔比和诺伊斯都被授予“美国国度科学奖章”。
他们被公认为集
成电路配合发明者。
[8]
(图3)第一个集成电路[9]
以后,随着集成电路芯片封装技能的应用,解决了集成电路免受外力或情况因素导致的破坏的问题。
集成电路芯片封装是指利用膜技能及微细加工技能,将芯片及其他重要要素在框架或基板上部署、粘贴牢固及连接,引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封牢固,组成整体立体结构的工艺。
这样按电子设备整秘密求机型连接和装配,实现电子的、物理的成果,使之转变为适用于整机或系统的形式,就大大加快了集成电路工艺的生长。
[10]
随着电子技能的继承生长,超大范围集成电路应运而生。
1967年出现了大范围集成电路,集成度迅速提高;1977年超大范围集成电路面世,一个硅晶片中已经可以集成15万个以上的晶体管;1988年,16MDRAM问世,1平方厘米巨细的硅片上集成有3500万个晶体管,标记着进入超大范围集成电路(VLSI)阶段;1997年,300MHz奔驰Ⅱ问世,接纳0.25μm工艺,奔驰系列芯片的推出让盘算机的生长如虎添翼,生长速度让人惊叹,至此,超大范围集成电路的生长又到了一个新的高度。
2009年,intel酷睿i系列全新推出,创记录接纳了领先的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发。
集成电路的集成度从小范围到大范围、再到超大范围的迅速生长,要害就在于集成电路的布图设计水平的迅速提高,集成电路的布图设计由此而日益庞大而精密。
这些技能的生长,使得集成电路的生长进入了一个新的生长的里程碑。
相信随着科技的生长,集成电路还会有更高的生长。
[11]
中国的集成电路财产起步于20世纪60年代中期,1976年,中国科学院盘算机研究所研制乐成1000万次大型电子盘算机所使用的电路为中国科学院109厂研制的ECL型电路;1986年,电子部提出“七五”期间,我国集成电路技能“531”生长战略,即推进5微米技能,开发3微米技能,进行1微米技能科技攻关;1995年,电子部提出“九五”集成电路生长战略:
以市场为导向,以CAD为突破口,产学研用相结合以我为主,开展国际互助,强化投资;在2003年,中国半导体占世界半导体销售额的9%,电子市场到达860亿美元,中国成为世界第二泰半导体市场,中国中高技能产物的需求将成为百姓经济新的增长动力。
到现在已经初具范围,形成了产物设计、芯片制造、电路封装配合生长的态势。
我们相信,随着我国经济的生长和对集成电路的重视水平的提高,我国集成电路事业也会有更大的生长!
[12]
2.2集成电路生长对世界经济的影响
在上个世纪八十年代初期,消费类电子产物(立体声收音机、彩色电视机和盒式录相机)是半导体需求的主要推动力。
从八十年代末开始,小我私家盘算机成为半导体需求强大的推动力。
至今,PC仍然推动着半导体产物的需求。
从九十年代至今,通信与盘算机一起占领了世界半导体需求的2/3。
其中,通信的增长最快。
信息技能正在改变我们的生活,影响着我们的事情。
信息技能在提高企业竞争力的同时,已成为世界经济增长的新动力。
2004年,亚太地域已成为世界最大的半导体市场,其主要的推动力是中国海内需求的增长和中国作为世界生产基地所带来的快速增长。
电子终端产物的生产将不停从日本和亚洲其他地域转移到中国。
[13]
3集成电路分类
3.1按成果分
按其成果差别可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。
前者用来产生、放大和处置惩罚种种模拟电信号;后者则用来产生、放大和处置惩罚种种数字电信号。
所谓模拟信号,是指幅度随时间连续变革的信号。
例如,人对着发话器发言,发话器输出的音频电信号就是模拟信号,收音机、收录机、音响设备及电视机中吸收、放大的音频信号、电视信号,也是模拟信号。
所谓数字信号,是指在时间上和幅度上离散取值的信号,例如,电报电码信号,按一下电键,产生一个电信号,而产生的电信号是不连续的。
这种不连续的电信号,一般叫做电脉冲或脉冲信号,盘算机中运行的信号是脉冲信号,但这些脉冲信号均代表着确切的数字,因而又叫做数字信号。
在电子技能中,通常又把模拟信号以外的非连续变革的信号,统称为数字信号。
目前,在家电维修中或一般性电子制作中,所遇到的主要是模拟信号;那么,打仗最多的将是模拟集成电路。
(图4)模拟电路[14](图5)数字电路[15]
3.2按制作工艺分
集成电路按其制作工艺差别,可分为半导体集成电路、膜集成电路和混淆集成电路三类。
半导体集成电路是接纳半导体工艺技能,在硅基片上制作包罗电阻、电容、三极管、二极管等元器件并具有某种电路成果的集成电路;膜集成电路是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上,以“膜”的形式制作电阻、电容等无源器件。
无源元件的数值范畴可以作得很宽,精度可以作得很高。
但目前的技能水平尚无法用“膜”的形式制作晶体二极管、三极管等有源器件,因而使膜集成电路的应用范畴受到很大的限制。
在实际应用中,多数是在无源膜电路上外加半导体集成电路或分立元件的二极管、三极管等有源器件,使之组成一个整体,这便是混淆集成电路。
凭据膜的厚薄差别,膜集成电路又分为厚膜集成电路(膜厚为1μm~10μm)和薄膜集成电路(膜厚为1μm以下)两种。
在家电维修和一般性电子制作历程中遇到的主要是半导体集成电路、厚膜电路及少量的混淆集成电路。
(图6)膜集成电路[16](图7)半导体集成电路[17]
3.3按崎岖分
按集成度崎岖差别,可分为小范围、中范围、大范围及超大范围集成电路四类。
对模拟集成电路,由于工艺要求较高、电路又较庞大,所以一般认为集成50个以下元器件为小范围集成电路,集成50-100个元器件为中范围集成电路,集成100个以上的元器件为大范围集成电路;对数字集成电路,一般认为集成1~10等效门/片或10~100个元件/片为小范围集成电路,集成10~100个等效门/片或100~1000元件/片为中范围集成电路,集成100~10,000个等效门/片或1000~100,000个元件/片为大范围集成电路,集成10,000以上个等效门/片或100,000以上个元件/片为超大范围集成电路。
3.4按导电类型分
按导电类型差别,分为双极型集成电路和单极型集成电路两类。
前者频率特性好,但功耗较大,并且制作工艺庞大,绝大多数模拟集成电路以及数字集成电路中的TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL型属于这一类。
后者事情速度低,但输人阻抗高、功耗小、制作工艺简朴、易于大范围集成,其主要产物为MOS型集成电路。
MOS电路又分为NMOS、PMOS、CMOS型。
(图8)双极型集成电路[18](图9)单极型集成电路[19]
4集成电路应用领域
4.1在盘算机的应用
随着集成了上千甚至上万个电子元件的大范围集成电路和超大范围集成电路的出现,电子盘算机生长进入了第四代。
第四代盘算机的根本元件是大范围集成电路,甚至超大范围集成电路,集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器,运算速度可达每秒几百万次,甚至上亿次根本运算。
[20]
盘算机主要部门险些都和集成电路有关,CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等,无不与集成电路有关。
并且专家通过最新技能把越来越多的元件集成到一块集成电路板上,并使盘算机拥有了更多成果,在此底子上产生许多新型盘算机,如掌上电脑、指纹识别电脑、声控盘算机等等。
随着高新技能的生长必将会有越来越多的高新盘算机出现在我们面前。
(图10)指纹识别鼠标[21](图11)声控盘算机[22]
4.2在通信上的应用
集成电路在通信中应用遍及,诸如通信卫星,手机,雷达等,我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典范一例。
“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统,与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球4大卫星导航系统。
它的研究乐成,冲破了卫星定位导航应用市场由外洋GPS垄断的局面。
前不久,我国已乐成发射了第二代北斗导航试验卫星,未来将形成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的网络,我国自主卫星定位导航正在由试验向应用快速生长。
将替代“北斗”导航系统内外洋芯片的“领航一号”,还可遍及应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源观察、森林防火、医疗抢救、海上搜救、精密丈量、目标监控等领域。
近年来,随着高新技能的迅猛生长,雷达技能有了较大的生长空间,雷达与反雷达的相对平衡状态不停被冲破。
有源相控阵是近年来正在迅速生长的雷达新技能,它将成为提高雷达在恶劣电磁情况下敷衍快速、机动及隐身目标的一项要害技能。
有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大范围集成电路、高速盘算机、先进固态器件及光电子技能为一体的高新技能产物。
[23]
相比之下毫米波雷达具有导引精度高、抗滋扰能力强、多普勒辨别率高、等离子体穿透能力强等特点;因此其遍及的用于末制导、引信、产业、医疗等方面。
无论是军用照旧民用,都对毫米波雷达技能有遍及的需求,远程毫米波雷达在生长航天事业上有遍及的应用前景,是解决对远距离、多批、高速飞行的空间目标的精细观察和精确制导的要害手段。
可以预料种种战术、战略应用的毫米波雷达将逐渐增多。
[24]
(图12)有源相控阵雷达[25](图13)毫米波雷达[26]
4.3在医学上的应用
随着社会的生长和科学技能的不停进步,人们对医疗康健、生活质量、疾病照顾护士等方面提出了越来越高的要求。
同时,依托于高新领域电子技能的种种治疗和监护手段越来越先进,也使得医疗产物突破了以往看法的约束和限制,在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足生长。
诸多专家从医疗康健领域的需求阐发入手,从集成电路技能的角度对医疗康健领域的应用的要害技能(现状和前景)做了大抵的阐发探讨。
[27]
随着集成电路越来越多的渗入现代医学,现代医学有了长足进步。
在医学治理方面IC卡医疗仪器治理系统就是典范代表。
IC卡医疗仪器治理系统集IC卡、监控、盘算机网络治理于一体,凭卡查抄,电子自动计时计次,可实现充值、打印,报表成果。
系统性能稳定,运行可靠;控制医疗外部要害部位,不与医疗仪器内部线路连接,不影响医疗仪器性能,不产生任何滋扰;治理机与智能床有机结合,阐发计次;影像系统自动识别,有效解决病人复盘问题;轻松实现网络化治理,可随时查阅档案记载,统计任意时间内的就医人数。
(图14)医疗仪器收费治理系统[28]
在康健应用方面,临时心脏起搏器作为治疗种种病因导致的一过性迟钝型心律失常及植入永久心脏起搏器前的过渡性治疗,已遍及应用于临床事情,技能成熟。
在非心脏的外科手术患者中归并有心动过缓及传导阻滞者,在围手术期可因为麻醉、药物及手术的影响,加重心动过缓及传导阻滞,增加了手术风险,限制了外科手术的开展,而植入临时心脏起搏器可有效解决上述问题,增加此类患者围手术期的宁静性。
[29]
(图15)心脏起搏器[30]
磁振造影仪是一种新型医疗设备,对付治疗许多疾病有它奇特的成果。
磁振造影仪(MRI)是利用磁振造影的原理,将人体置于强大均匀的静磁场中,透过特定的无线电波脉冲来改变区域磁场,藉此引发人体组织内的氢原子核产生共振现象,而产生磁矩变革讯号。
因为身体中有差别的组织及成份,性质也各异,所以会产生巨细差别的讯号,再经由盘算机运算及变更为影像,将人体的剖面组织结构及病灶出现为种种切面的断层影像。
身体险些任何部位皆可执行MRI查抄,影像非常清晰与细腻,尤其是对软组织的显影,不是任何其它医学影像系统所能相比的。
目前常用的MRI影像乃是依据各组织内核磁共振讯号所创建的,氢是人体组织中最多的成份,因此MRI影像可诊断种种疾病,包罗脑部癌病、水肿、血梗,神经的脱鞘与脂肪不正常漫衍,铁成份的沉积性疾病、出血,以及心肌不正常收缩等。
MRI的优点除了不须要侵入人体,即可得人体种种结构组织之任意截面剖面图,且可获取其它众多的物理参数信息,MRI查抄在海内外十几年来至今尚未发明对人体有任何副作用。
[31]
(图16)磁振造影仪[32]
4.4在生活中的应用
提到集成电路我们就不得不提到我们的日常生活,在我们生活中与集成电路有关的产物随处可见。
手机、电视、数码相机、摄像机等都与我们的生活干系越来越近。
随着技能的进步和社会的生长,手机以其奇特的流传成果,日益成为人们获取信息、学习知识、交换思想的重要东西,成为文化流传的重要平台。
目前,我国已有手机用户5亿多,形成以手机为载体的网站、报纸、出书物等新的文化。
手机成果和手机款式也在不停更新,以适应现代人们生活的要求。
种种百般的手机接连问世,从小灵通到具有摄像成果的高新手机,手机行业正在以惊人打击人们的思维和眼界。
(图17)全球首款剃须刀手机[33](图18)光感变色手机[34](图19)自动充电手机[35]
在科学技能与信息同步厘革的社会生长历程中,电视流传对整个社会的支配影响作用十明白显。
由于电视是一种变革多端的实践、本领和技能,于是家庭自己也酿成了一种家庭技能的庞大网络。
正如电通过电视、电脑、电信技能与外部重新创建新的联系一样,电视重组了家庭的时间、空间、家庭闲暇和家庭脚色。
正因此,电视流传逐步地融入了大众生活,使人们生活方法和代价观均产生了深刻的变革。
陪同着现代社会节奏的加快,外界娱乐用度的增涨,电视流传的普及,已经为人们呆在家中提供了富足的理由和条件,足不出户却可以感觉社会攀谈带来的人际外交感觉。
别的,电视流传对付农村家庭的经济生长、社会的信息流通和大众家庭的教诲都有很大的作用,电视流传也影响了家庭的装修气势派头与结构,由于电视装置在家庭中占据空间的原因,出现了电视装修墙以求美观。
5集成电路未来生长趋势及新技能
5.1集成电路生长趋势
随着集成要领学和微细加工技能的连续成熟和不停生长,以及集成技能应用领域的不停扩大,集成电路的生长趋势将出现小型化、系统化和关联性的态势。
[36][13]
5.1.1器件特征尺寸不停缩小
自1965年以来,集成电路连续地推拿尔定律增长,即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。
每2~3年制造技能更新一代,这是基于栅长不停缩小的结果,器件栅长的缩小又根本上依照等比例缩小的原则,同时促进了其它工艺参数的提高。
预计在未来的10~15年,摩尔定律仍将是集成电路生长所遵循的一条定律,按此纪律,CMOS器件从亚半微米进入纳米时代,即器件的栅长小于100nm转到小于50nm的时间将在2010年前后。
系统集成芯片(SoC)
随着集成电路技能的连续生长,差别类型的集成电路相互镶嵌,已形成了种种嵌入式系统(EmbeddedSystem)和片上系统(SystemonChip即oC)技能。
也就是说,在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)的过渡中,可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上,从而完成信息的加工与处置惩罚成果。
SoC作为系统级集成电路,它可在单一芯片上实现信号收罗、转换、存储、处置惩罚和I/O等成果,它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上,从而实现一个完整的系统成果。
SoC的制造主要涉及深亚微米技能、特殊电路的工艺兼容技能、设计要领的研究、嵌入式IP核设计技能、测试计谋和可测性技能以及软硬件协同设计技能和宁静保密技能。
SoC以IP复用为底子,把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中,从而实现集成电路设计能力的第4次奔腾,并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息财产革命。
学科结合将动员关联生长
微细加工技能的不停成熟和应用领域的不停扩大,必将动员一系列交织学科及其有关技能的生长,例如微电子机器系统、微光电系统、DNA芯片、二元光学、化学阐发芯片以及作为电子科学和生物科学结合的产物———生物芯片的研究开发等,它们都将取得明显进展。
未来应用
应用是集成电路财产链中不可或缺的重要环节,是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。
除众所周知的盘算机、通信、网络、消费类产物的应用外,集成电路正在不停开拓新的应用领域。
诸如微机电系统,微光机电系统、生物芯片(如DNA芯片)、超导等,这些创新的应用领域正在形成新的财产增长点。
5.2集成电路生长新技能
按目前情况预测,15年后,半导体上一个实体的栅长将只有9nm,这就需要更微细且精确的技能突破,这首先会合中在生产质料的物理性质以及工艺设计等能力上。
而能否顺利突破这些障碍,晶圆制造工艺能否到达更进一步的微细化与精细化则是其要害,同时也对半导体工艺技能与后续的研发偏向有着深远的影响。
归纳综合起来,其要害技能如下:
5.2.1无焊内建层(Bumpless Build-Up Layer, BBLIL)技能
该技能能使CPIJ内集成的晶体管数量到达10亿个,并且在高达20GHz的主频下运行,从而使CPU到达每秒1亿次的运算速度。
别的,BBUL封装技能还能在同一封装中支持多个处置惩罚器,因此办事器的处置惩罚器可以在一个封装中有2个内核,从而比独立封装的双处置惩罚器得到更高的运算速度。
别的,BBUL封装技能还能低落CPIJ的电源消耗,进而可淘汰高频产生的热量。
微组装技能
是在高密度多层互连基板上,接纳微焊接和封装工艺组装种种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片,形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技能,其代表产物为多芯片组件(MCM)。
纳米级光刻及微细加工技能
器件特征尺寸的缩小,取决于曝光技能的进步。
在0.07μm阶段,曝光技能照旧一个问题,预计再有1~2年左右的时间就可得到突破。
至于在65nm以下,是接纳ExtraUV照旧接纳电子束的步进光刻机,目前还在研究之中。
铜互连技能
铜互连技能已在0.18μm和0.13μm技能代中使用,但是,在0.10μm以后,铜互连与低介电常数绝缘质料配合使用时的可靠性问题另有待研究和开发。
高密度集成电路封装的产业化技能
主要包罗系统集成封装技能、50μm以下超薄反面减薄技能、圆片级封装技能、无铅化产物技能等。
应变硅质料制造技能
参考文献
[2]李惠军.现代集成电路制造工艺原理.山东大学出书社2006
[3]阮刚.集成电路工艺复旦大学出书社2006
[4]
[5]李惠军.现代集成电路制造工艺原理.山东大学出书社2006
[6][7]14c325243f203f2e87.html
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]于宗光.硅集成电路生长趋势及展望.电子与封装.2003
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]http:
//fanren.org/news/2009-08-20/2841.html
[26]756a923eeeed8cbe838b13ab.html
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