Интегральная схема

редактировать
Электронная схема

Стираемая программируемая постоянная память (EPROM) интегральные схемы в двухрядном пакеты. Эти пакеты имеют прозрачное окно, в котором отображается кристалл внутри. Окно используется для стирания памяти путем воздействия на чип ультрафиолетового света. Интегральная схема из микрочипа памяти EPROM, показывающая блоки памяти, поддерживающие схемы и тонкие серебряные провода, которые соединяют кристалл интегральной схемы с ножками упаковки Виртуальная деталь интегральной схемы через четыре слоя планаризованного медного межсоединения, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый)

An интегральная схема или монолитная интегральная схема (также называемая IC, микросхема или микрочип ) набор электронных схем на одной маленькой плоской детали (или «микросхеме») из полупроводникового материала, который обычно является кремнием. Интеграция большого количества крошечных МОП-транзисторов в небольшую микросхему приводит к созданию схем, которые на порядки меньше, быстрее и дешевле, чем схемы, построенные из дискретных электронных компонентов.. Возможности массового производства, надежность и структурный подход к проектированию интегральных схем обеспечили быстрое внедрение стандартизированных ИС вместо конструкций, использующих дискретные транзисторы. ИС теперь используются практически во всем электронном оборудовании и произвели революцию в мире электроники. Компьютеры, мобильные телефоны и другая цифровая бытовая техника теперь являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря небольшим размерам и низкой стоимости ИС..

Интегральные схемы стали практическими благодаря технологическим достижениям в области металл-оксид-кремний (МОП) производство полупроводниковых устройств. С момента своего появления в 1960-х годах размер, скорость и емкость микросхем значительно выросли благодаря техническим достижениям, которые позволяют устанавливать все больше и больше МОП-транзисторов на микросхемы того же размера - современный чип может иметь много миллиардов МОП-транзисторов в одном корпусе. площадь размером с ноготь человека. Эти достижения, примерно соответствующие закону Мура, делают современные компьютерные микросхемы в миллионы раз большей емкостью и в тысячи раз большей скоростью, чем компьютерные микросхемы начала 1970-х годов.

ИС имеют два основных преимущества перед дискретными схемами : стоимость и производительность. Стоимость низкая, потому что микросхемы со всеми их компонентами печатаются как единое целое с помощью фотолитографии, а не создаются по одному транзистору за раз. Кроме того, в корпусных ИС используется гораздо меньше материала, чем в дискретных схемах. Производительность высока, потому что компоненты ИС переключаются быстро и потребляют сравнительно мало энергии из-за своего небольшого размера и близости. Основным недостатком ИС является высокая стоимость их проектирования и изготовления необходимых фотошаблонов. Такая высокая начальная стоимость означает, что ИС коммерчески жизнеспособны только тогда, когда ожидаются большие объемы производства.

Содержание

  • 1 Терминология
  • 2 История
    • 2.1 Первые интегральные схемы
    • 2.2 Интегральные схемы TTL
    • 2.3 MOS интегральные схемы
  • 3 Дизайн
  • 4 Типа
  • 5 Производство
    • 5.1 Изготовление
    • 5.2 Упаковка
  • 6 Интеллектуальная собственность
  • 7 Другие разработки
  • 8 Поколения
    • 8.1 Мелкомасштабная интеграция (SSI)
    • 8.2 Среднемасштабная интеграция (MSI)
    • 8.3 Крупномасштабная интеграция (LSI)
    • 8.4 Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
    • 8.5 ULSI, WSI, SoC и 3D-IC
  • 9 Силиконовая маркировка и граффити
  • 10 ИС и Семейства ИС
  • 11 См. Также
  • 12 Ссылки
  • 13 Дополнительная литература
  • 14 Внешние ссылки

Терминология

Интегральная схема определяется как:

Схема, в которой все или некоторые из элементов схемы неразрывно связаны и электрически взаимосвязаны, так что они считаются неделимыми для целей строительства и торговли.

Цепи, отвечающие этому определению, могут быть построены с использованием множества различных технологий, включая ding тонкопленочные транзисторы, толстопленочные технологии или гибридные интегральные схемы. Однако в общем случае интегральная схема стала обозначать конструкцию из одной детали, первоначально известную как монолитная интегральная схема, часто построенная на едином куске кремния.

История

Джек Килби оригинальная гибридная интегральная схема 1958 года. Это была первая интегральная схема, сделанная из германия.

Ранней попыткой объединить несколько компонентов в одном устройстве (например, современные ИС) была Ламповая лампа Loewe 3NF 1920-х годов. В отличие от ИС, он был разработан с целью уклонения от уплаты налогов, так как в Германии с радиоприемников взимался налог, который взимался в зависимости от того, сколько ламподержателей было у радиоприемника. Это позволило радиоприемникам иметь одиночный держатель для ламп.

Ранние концепции интегральной схемы восходят к 1949 году, когда немецкий инженер Вернер Якоби (Siemens AG ) подал патент на полупроводниковое усилительное устройство, подобное интегральной схеме, показывающее пять транзисторы на общей подложке в трехкаскадном усилителе. Якоби описал небольшие и дешевые слуховые аппараты как типичные промышленные применения своего патента. О немедленном коммерческом использовании его патента не сообщается.

Еще одним ранним сторонником этой концепции был Джеффри Даммер (1909–2002), ученый-радар, работавший в Королевском радиолокационном учреждении британского Министерства Защита. Даммер представил эту идею общественности на Симпозиуме по прогрессу в области создания качественных электронных компонентов в Вашингтоне, округ Колумбия 7 мая 1952 года. Он проводил много симпозиумов публично для пропаганды своих идей и безуспешно пытался построить такую ​​схему в 1956 году. Между 1953 и 1957 годами Сидни Дарлингтон и Ясуро Таруи (Электротехническая лаборатория ) предложили аналогичные конструкции микросхем, в которых несколько транзисторов могли совместно использовать общую активную область, но не было гальванической развязки., чтобы отделить их друг от друга.

Монолитная интегральная микросхема была задействована с помощью процесса поверхностной пассивации Мохамеда М. Аталлы, который электрически стабилизировал кремниевые поверхности посредством термического окисления, что позволяет изготавливать монолитные интегральные микросхемы с использованием кремния. Это было основой для планарного процесса, разработанного Джин Хорни в Fairchild Semiconductor в начале 1959 года, который имел решающее значение для изобретения монолитной интегральной микросхемы.. Ключевой концепцией монолитной ИС является принцип изоляции p – n-перехода, который позволяет каждому транзистору работать независимо, несмотря на то, что он является частью одного кремния. Процесс пассивации поверхности Atalla изолировал отдельные диоды и транзисторы, который был расширен до независимых транзисторов на одном куске кремния Куртом Леховеком в Sprague Electric в 1959 году, и затем независимо Роберт Нойс в Fairchild позже в том же году.

Первые интегральные схемы

Роберт Нойс изобрел первую монолитную интегральную схему в 1959 году. Чип был сделан из кремний.

Идея-предшественница ИС заключалась в создании небольших керамических подложек (так называемых микромодулей), каждая из которых содержала бы единственный миниатюрный компонент. Затем компоненты могут быть интегрированы и соединены в двумерную или трехмерную компактную сетку. Эта идея, которая казалась очень многообещающей в 1957 году, была предложена армии США Джеком Килби и привела к недолговечной программе микромодулей (подобной проекту Tinkertoy 1951 года). Однако по мере того, как проект набирал обороты, Килби придумал новый революционный дизайн: IC.

Вновь принятый на работу в Texas Instruments, Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года, успешно продемонстрировав первый рабочий пример интегральной схемы 12 сентября 1958 года. В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 г. Килби описал свое новое устройство как «корпус из полупроводникового материала… в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы». Первым заказчиком нового изобретения были ВВС США. Килби получил Нобелевскую премию 2000 года по физике за участие в изобретении интегральной схемы. Однако изобретением Килби была гибридная интегральная схема (гибридная ИС), а не монолитная интегральная схема (монолитная ИС). ИС Килби имела внешние проводные соединения, что затрудняло серийное производство.

Через полгода после Килби Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрел первый настоящий монолитный Микросхема IC. Это была новая разновидность интегральных схем, более практичная, чем реализация Килби. Конструкция Нойса была сделана из кремния, тогда как микросхема Килби была сделана из германия. Монолитная ИС Нойса поместила все компоненты на кремниевый кристалл и соединила их медными линиями. Монолитная ИС Нойса была изготовлена ​​ с использованием планарного процесса, разработанного в начале 1959 года его коллегой Жаном Хорни. Современные микросхемы IC основаны на монолитной ИС Нойса, а не на гибридной ИС Килби.

Программа NASA Apollo была крупнейшим потребителем интегральных схем в период с 1961 по 1965 год.

Интегральные схемы TTL

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) была разработана Джеймсом Л. Бью в начале 1960-х в TRW Inc. TTL стала доминирующей технологией интегральных схем в 1970-х - начале 1980-х..

Десятки интегральных схем TTL были стандартным методом построения для процессоров миникомпьютеров и мэйнфреймов. Компьютеры, такие как мэйнфреймы IBM 360, PDP-11 миникомпьютеры и настольные компьютеры Datapoint 2200, были построены на основе биполярного интегральные схемы, TTL или даже более быстрая эмиттерная логика (ECL).

МОП-интегральные схемы

Процесс кремния поверхностной пассивации Мохамеда М. Аталлы (1957) стал основой для монолитной ИС-микросхемы. Позже он предложил микросхему МОП-интегральной схемы (1960).

Почти все современные ИС-микросхемы представляют собой металл-оксид-полупроводниковые (МОП) интегральные схемы, построенные из полевых МОП-транзисторов. (полевые транзисторы металл – оксид – кремний). МОП-транзистор (также известный как МОП-транзистор), который был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, позволил построить интегральные схемы плотности. Аталла впервые предложил концепцию микросхемы МОП-интегральной схемы (МОП-ИС) в 1960 году, отметив, что простота изготовления полевого МОП-транзистора сделала его полезным для интегральных схем. В отличие от биполярных транзисторов, которые требовали ряда шагов для развязки p – n-перехода транзисторов на кристалле, полевые МОП-транзисторы не требовали таких шагов, но их можно было легко изолировать друг от друга. Его преимущество для интегральных схем было повторено Давоном Кангом в 1961 году. Список основных этапов IEEE включает первую интегральную схему Килби в 1958 году, планарный процесс Хорни и планарную ИС Нойса в 1959 году, а также МОП-транзистор фирмы Аталла и Канг в 1959 году.

Самой ранней экспериментальной МОП-микросхемой, которая была изготовлена, была 16-транзисторная микросхема, построенная Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном на RCA в 1962 году. General Microelectronics позже представила первую коммерческую интегральную схему МОП в 1964 году, 120-транзисторный регистр сдвига , разработанный Робертом Норманом. К 1964 году MOS-чипы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярных чипов. Микросхемы МОП еще более усложнялись со скоростью, предсказываемой законом Мура, что привело к крупномасштабной интеграции (БИС) с сотнями транзисторов на одном кристалле МОП. к концу 1960-х гг.

После разработки полевого МОП-транзистора с самовыравнивающимся затвором (кремниевого затвора) Робертом Кервином, Дональдом Кляйном и Джоном Сарасом из Bell Labs В 1967 году в Fairchild Semiconductor была разработана первая технология кремниевого затвора MOS IC с самовыравнивающимися затворами, которая является основой всех современных интегральных схем CMOS. Федерико Фаггин в 1968 году. Применение микросхем MOS LSI для вычислений стало основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютер процессор может содержаться на одной микросхеме MOS LSI. Это привело к изобретениям микропроцессора и микроконтроллера к началу 1970-х годов. В начале 1970-х годов технология МОП-интегральных схем позволила очень крупномасштабную интеграцию (СБИС) более 10 000 транзисторов на одном кристалле.

Сначала компьютеры на базе МОП производили только чувство, когда требуется высокая плотность, например, аэрокосмическая и карманные калькуляторы. Компьютеры, полностью построенные на основе TTL, такие как 1970 Datapoint 2200, были намного быстрее и мощнее однокристальных MOS-микропроцессоров, таких как Intel 8008 1972 года, до начала 1980-х.

Достижения в технологии ИС, в первую очередь более мелких элементов и более крупных микросхем, позволили количество МОП-транзисторов в интегральной схеме удваиваться каждые два года., тенденция, известная как закон Мура. Первоначально Мур заявлял, что она будет удваиваться каждый год, но в 1975 году он изменил требование на каждые два года. Эта увеличенная емкость использовалась для снижения стоимости и увеличения функциональности. В общем, по мереуменьшения размера элемента улучшаются почти все аспекты работы ИС. Стоимость транзистора и потребляемая мощность на транзистор снижаются, в то время как объем памяти и скорость возрастают в соответствии с зависимостями, определенными Деннардом. масштабирование (масштабирование MOSFET ). Поскольку конечному пользователю очевидны приросты скорости, емкости и энергопотребления, между производителями идет жесткая конкуренция за использование более тонких геометрических фигур. С течением времени размеры транзисторов уменьшились с 10 микрон в начале 1970-х годов до 10 нанометров в 2017 году с соответствующим увеличением количества транзисторов на единицу площади в миллион раз. По состоянию на 2016 год типичные площади микросхем колеблются от нескольких квадратных миллиметров до примерно 600 мм, с количеством до 25 миллионов транзисторов на мм.

Ожидаемое сокращение характеристики размеры и необходимый прогресс в смежных областях были предсказаны на многие годы в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS). Окончательный вариант ITRS был выпущен в 2016 году, и его заменяет Международная дорожная карта для устройств и систем.

Изначально ИС были исключительно электронными устройствами. Успех ИС привел к интеграции других технологий в попытке получить те же преимущества небольшого размера и низкой стоимости. Эти технологии включают механические устройства, оптику и датчики.

  • Устройства с зарядовой связью и тесно связанные датчики с активными пикселями представляют собой микросхемы, чувствительные к свету. Они в значительной степени заменили фотопленку в научных, медицинских и потребительских приложениях. Миллиарды этих устройств теперь производятся каждый год для таких приложений, как мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры. Эта область ИС получила Нобелевскую премию в 2009 году.
  • Очень маленькие механические устройства, приводимые в действие электричеством, могут быть интегрированы в микросхемы, технология, известная как микроэлектромеханические системы. Эти устройства были разработаны в конце 1980-х годов и используются в различных коммерческих и военных приложениях. Примеры включают DLP-проекторы, струйные принтеры и акселерометры и гироскопы MEMS, используемые для установки автомобильных подушек безопасности.
  • . В начале 2000-х годов интеграция оптических функций (оптических вычислений ) в кремниевые чипы активно проводилась как в академических исследованиях, так и в промышленности, что привело к успешной коммерциализации кремниевых интегрированных оптических трансиверов, объединяющих оптические устройства (модуляторы, детекторы, маршрутизация) с электроникой на основе КМОП. Интегральные оптические схемы также разрабатываются с использованием новой области физики, известной как фотоника.
  • Интегральные схемы также разрабатываются для сенсора применения в медицинских имплантатах или других биоэлектронных устройствах. В таких биогенных средах необходимо применять специальные методы герметизации, чтобы избежать коррозии или биоразложения открытых полупроводниковых материалов.

По состоянию на 2018 год подавляющее большинство всех транзисторов имеют МОП-транзисторы, изготовленные в виде одного слоя на одной стороне кремниевого кристалла в плоском двумерном планарном процессе. Исследователи создали прототипы нескольких многообещающих альтернатив, таких как:

Поскольку производство транзисторов все меньшего размера становится все труднее, компании при использовании многокристальных модулей, трехмерных интегральных схем, пакета в пакете, памяти с высокой пропускной способностью и сквозной кремниевые переходные отверстия с набором кристаллов для повышения производительности и уменьшения размера без уменьшения размера транзисторов. Такие методы все вместе известныкак усовершенствованная упаковка. Расширенная упаковка в основном делится на упаковку 2.5D и 3D. 2.5D включают такие подходы, как многочиповые модули, в то время как 3D подходы, которые используются матрицами тем или иным образом уложены друг на друга, например пакет на корпусе и с высокой пропускной способностью. Все подходы включают в себя 2 или более штампов в одном корпусе. В качестве альтернативы, такие подходы, как 3D NAND, размещают несколько слоев на одном кристалле.

Дизайн

Стоимость Разработка и разработки сложной интегральной схемы довольно высока, обычно в несколько десятков миллионов долларов. Следовательно, производство интегральных схем с большим объемом производства имеет только экономический смысл, поэтому единовременные затраты на проектирование (NRE) обычно распределяются между миллионами единиц оборудования.

Современные полупроводниковые чипы состоят из миллиардов компонентов и слишком сложны, чтобы их можно было разрабатывать вручную. Программные инструменты, помогающие дизайнеру, необходимы. Автоматизация электронного проектирования (EDA ), также называемая электронным Computer-Aided Design (ECAD ), является категорией программных инструментов для проектирования электронных систем, в том числе интегральных схем. Инструменты работают вместе в потоке проектирования, который инженеры используют для анализа и анализа полупроводниковых микросхем.

Типы

A CMOS 4511 IC в DIP

Интегральные схемы можно разделить на аналоговые, цифровые и смешанный сигнал, состоящий из аналоговой и цифровой сигнализации на одной ИС.

Цифровые интегральные схемы могут содержать от одного до миллиардов логических вентилей, триггеров, мультиплексоров и других схем в несколько квадратных миллиметры. Небольшой размер этой высокой скорости, низкое рассеивание мощности и снижает стоимость производства по сравнению с интеграцией на уровне платы. Эти цифровые ИС, обычно микропроцессоры, DSP и микроконтроллеры, работают с использованием логической алгебры для обработки «единицы» и « ноль "сигнализирует.

кристалл от Intel 8742, 8-битный NMOS микроконтроллер, который включает CPU работает на частотах 12 МГц, 128 байтов RAM, 2048 байтов EPROM и I / O в одной микросхеме

Среди наиболее передовых интегральных схем - это микропроцессоры или «ядра », которые контролируют все, от компьютеров и сотовых телефонов до цифровых микроволновых печей. 138>и специализированные интегральные схемы (ASIC) являются примерами других семейств интегральных схем, которые важны для современного информационного общества.

В 1980-х годах программируемые логические устройства были разработаны Эти устройства содержа токовые функции и возможности которых могут быть запрограммированы через интерфейс, а не фиксируемые интегральные схемы. Это позволяет программировать одну микросхему для реализации различных функций LSI, таких как логические вентили, сумматоры и регистры. Программируемость проявляется как минимум в четырех формах: устройства, которые можно запрограммировать только один раз, устройства, которые можно стирать, а затем перепрограммировать с помощью ультрафиолетового излучения, устройства, которые можно (перепрограммировать) с использованием флэш-памяти и программируемых вентильных матриц (ПЛИС), которые можно программировать в любое время, в том числе во время работы. Текущие ПЛИС могут (по состоянию на 2016 год) реализовать эквивалент миллионов вентилей и работать на частотах от до 1 ГГц.

Аналоговые ИС, такие как датчики, схемы управления питанием и операционные усилители (операционные усилители) работают путем обработки непрерывных сигналов. Они работают аналоговые функции, такие как усиление, активная фильтрация, демодуляция и микширование. Аналоговые ИС облегчают проектирование схем, поскольку имеют в наличии аналоговые схемы, разработанные специалистами, вместо того, чтобы настроить и / или создать сложные аналоговые схемы с нуля.

ИС также могут объединить аналоговые и цифровые схемы на одной микросхеме для создания таких функций, как аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи. Такие схемы со смешанными сигналами имеют меньший размер и меньшую стоимость. До конца 1990-х годов радиоприемники не могли изготавливаться с помощью тех же недорогих процессов CMOS, что и микропроцессоры. Но с 1998 года было разработано большое количество радиочипов с использованием процессов RF CMOS. Примеры включают беспроводной телефон Intel DECT или чипы 802.11 (Wi-Fi ), созданные Atheros и другие компании.

Современные распространители электронных компонентов часто подразделяют на подкатегории огромное разнообразие интегральных схем, доступных сейчас:

Производство

Производство

Визуализация небольшого стандартного стандарта с тремя металлическими слоями (диэлектрик удален). Конструкции песочного цвета представляют собой металлические межсоединения, при этом вертикальные стойки являются контактами, обычно вставками из вольфрама. Красноватые структуры представляют собой массив затворы из поликремния, а твердое вещество внизу - это массив кристаллического кремния. Схематическая структура кристалла CMOS, построенного в начале 2000-х годов. На графике показаны LDD-MISFET на подложке SOI с пятью слоями металлизации и паяным выступом для соединения с перевернутым кристаллом. Он также показывает раздел для FEOL (внешний интерфейс строки), BEOL (внутренний конец строки) и первые части внутреннего процесса.

полупроводники из таблицы Менделеева из химических элементов были как наиболее вероятные материалы для твердотельной вакуумной. Начало с оксида меди, переходя к германию, затем кремнию, материалы систематически изучались в 1940-х и 1950-х годах. Сегодня монокристаллический кремний является основной подложкой, используемой для ИС, хотя некоторые соединения III-V периодической таблицы, такие как арсенид галлия, являются Используется для использования приложений, таких как светодиоды, лазеры, солнечные элементы и высокоскоростные интегральные схемы. Потребовались десятилетними, чтобы усовершенствовать методы создания кристаллов с минимальными дефектами в полупроводниковых материалах. Кристаллическая структура.

Полупроводниковые ИС изготавливаются с помощью планарного процесса., который включает три основных этапа процесса - фотолитография, осаждение (например, химическое осаждение из паровой фазы ) и травление. Основные этапы процесса дополняющим легированием и очисткой. Более современные или высокопроизводительные ИС могут вместо этого использовать транзисторы multi-gate FinFET или GAAFET вместо планарных.

Монокристаллические кремниевые пластины используются в большинстве приложений (или для специальных применений используются другие полупроводники, такие как арсенид галлия ). Пластина не обязательно должна быть полностью кремниевой. Фотолитография используется для маркировки различных поверхностей, которые могут быть легированы или для нанесения на них поликремния, изоляторов или металлических (обычно алюминиевых или медных) дорожек. Легирующие примеси - примеси, намеренно введенные в полупроводник изменения его электронных свойств. Легирование - это процесс добавления легирующих добавок к полупроводниковому материалу.

  • Интегральные схемы состоят из множества различных слоев, каждый из которых используется разными цветами. Некоторые слои выделяют диффузии различных примесей в подложку (называемые диффузионными слоями), некоторые определяют места имплантации дополнительными (слои имплантата), некоторые определяют проводники (легированный поликремний или металлические слои), а некоторые определяют связи между проводящими слоями. (сквозные или контактные слои). Все компоненты состоят из комбинации этих слоев.
  • В процессе самовыравнивания CMOS, транзистор формируется везде, где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионныйслой.
  • Емкостные структуры, по форме очень похожие на параллельные проводящие пластины традиционного электрического конденсатора, сформированные в соответствии с площадью «пластины», с изоляционным материалом между пластинами. Конденсаторы самых разных размеров обычно используются в ИС.
  • Изогнутые полосы длины иногда используются для формирования кристаллов резисторов, хотя большинство логических схем это делают. не нужны резисторы. Отношение сопротивления конструкции к ее ширине в сочетании с удельным сопротивлением листа сопротивления.
  • Реже индуктивные структуры могут быть построены в виде крошечных катушек на кристалле, или моделируется гираторами.

Временное устройство CMOS потребляет ток только при переходе между логическим состояниями, устройства CMOS потребляют меньше тока, чем устройства на биполярных транзисторах.

A оперативная память - наиболее обычный тип интегральной схемы; устройства самой высокой плотности, таким образом, являются воспоминаниями; но даже микропроцессор будет иметь память на кристалле. (См. Структура регулярного массива в нижней части первого изображения.) Структура сложны - с шириной, которая сокращалась в десятилетий - слои были тоньше, чем ширина устройства. Слои изготовлены во многом аналогично фотографическому процессу, хотя световые волны в видимом спектре нельзя использовать для «экспонирования» слоя материала, поскольку они были бы слишком большими для работы. Таким образом, фотоны более высоких частот (обычно ультрафиолет ) используются для создания рисунков для каждого слоя. Каждая деталь настолько мала, электронные микроскопы являются незаменимыми инструментами для технолога инженера, который может отлаживать процесс изготовления.

Каждое устройство перед упаковкой тестируется с помощью автоматизированного испытательного оборудования (ATE) в процессе, известном как тестирование полупроводниковой пластины или зондирование пластин. Затем пластина разрезается на прямоугольные блоки, каждый из которых называется кристаллом. Затем каждый исправный кристалл (несколько кубиков, штампов или штампов) соединяется в корпус с использованием алюминиевых (или золотых) соединительных проволок, которые термосонически связываются с контактными площадками., обычно находится по краю матрицы. Термозвуковое соединение было впервые предложено А. Кукуласом, которое обеспечивает средство создания этих жизненно важных соединений с внешним миром. Используется устройство ATE, используемое во время зондирования планшетов. Также можно использовать промышленное КТ сканирование. Стоимость испытаний может составлять более 25% изготовления более дешевых продуктов, но может быть незначительной стоимости для низкопроизводительных, больших или более дорогих устройств.

По состоянию на 2016 год строительство производственного объекта (обычно известное как фабрика полупроводников) может стоить более 8 миллиардов долларов США. Стоимость производственного объекта со временем растет из-за увеличения сложности новых продуктов. Это известно как закон Рока. Сегодня в наиболее передовых процессах используются следующие технологии:

ИС могут изготавливаться либо собственными силами производителями интегрированных устройств (IDM), либо с использованием Литейная модель. IDM - это вертикально интегрированные компании (например, Intel и Samsung ) • проектировать, производить и продавать свои собственные ИС, а также предлагать услуги по проектированию и / или производству (литейное производство). (последние часто). В модели литейного производства компании без фабрик (например, Nvidia только проектируют и продают ИС и передают все производство на аутсорсинг литейным цехам, таким как TSMC.

Упаковка

Советский чип MSI nMOS, изготовленный в 1977 году, часть четырехчипового калькулятора, разработанного в 1970 году.

Самые ранние интегральные схемы были упакованы плоские блоки, которые продолжали военными из-за их надежности и небольшого размера в течение многих лет.Керамические схемы быстро перешли на двухрядный корпус (DIP), сначала из В 1980-х годах количество выводов схем СБИС превысило практический предел для корпуса DIP, что привело к решетке контактов (PGA) и безвыводным держателям микросхем (LCC) Упаковка для поверхностного монтажа появилась в начале 1980-х годов стала популярной в конце 1980-х, с использованием более мелкого шага свинца с выводами в форме крыла чайки или J-образ ной формы., как показано на примере корпуса малой интегральной схемы (SOIC) - носителя, который занимает площадь примерно на 30–50% меньше, чем эквивалентный DIP, и обычно на 70% тоньше. Эта упаковка имеет выводы типа «крыло чайки», выступающие с двух сторон, и расстояние между выводами 0,050 дюйма.

В конце 1990-х годов пластиковые четырехканальные плоские корпуса (PQFP) и корпуса с тонкими контурами (TSOP) стали наиболее распространенными для устройств с большим количеством выводов, хотя пакеты PGA все еще используются для высокопроизводительных микропроцессоров ..

Шаровая сетка (BGA) пакеты существуют с 1970-х годов. Пакеты Flip-Chip Ball Grid Array, которые позволяют использовать большее количество выводов, чем других типов, были разработаны в 1990-х годах. В корпусе FCBGA устанавливается в перевернутом положении (перевернут) и соединяется шариками корпуса через подложку корпуса, которая похожа на печатную плату, а не с помощью проводов. Пакеты FCBGA позволяют распределять массив сигналов ввода-вывода (называемые Area-I / O) по всему кристаллу, а не ограничиваться периферией кристалла. У устройств BGA есть то преимущество, что они не нуждаются в выделенном разъеме, но их намного сложнее заменить в случае отказа устройства.

Intel перешла от PGA к наземным сетевым массивом (LGA) и BGA, начиная с 2004 года, с последним разъемом PGA, выпущенным в 2014 году для мобильных платформ. По состоянию на 2018 год AMD использует пакеты PGA на процессорах для обычных настольных ПК, пакеты BGA на мобильных процессорах, микропроцессоры для настольных ПК и серверов высокого класса используют пакеты LGA.

Электрические сигналы, выходящие из кристалла, должны проходить через материал, электрически соединяющий кристалл к корпусу через токопроводящие дорожки (пути) в корпусе, через выводы, соединяющий корпус с токопроводящими дорожками на печатной плате . Материалы и конструкции, используемые на пути, по которому эти электрические сигналы должны проходить, имеют очень разные электрические свойства по сравнению с теми, которые проходят к разным частям одного и того же кристалла. В результате им требуются особые методы проектирования, чтобы гарантировать, что сигналы не повреждены, гораздо больше электроэнергии, чем сигналы, ограниченные самим кристаллом.

Когда несколько матриц помещаются в один пакет, в результате получается система в пакете, сокращенно SiP . Многочиповый модуль (MCM ) создается путем объединения нескольких матриц на небольшой подложке, часто изготовленной из керамики. Иногда различие между большим MCM и маленькой печатной платой нечеткое.

Упакованные интегральные схемы обычно достаточно велики, чтобы идентифицировать идентифицирующую информацию. Четыре общих раздела - это название или логотип производителя, номер детали, номер производственной партии детали и серийный номер, а также четырехзначный код даты, указывающий, когда изготовлен чип. Чрезвычайно маленькие детали технологии поверхностного монтажа часто имеют только номер, используемую справочную таблицу производителя для определения характеристик интегральной схемы.

Дата изготовления обычно представляет собой двузначный код недели, так что деталь с кодом 8341 была изготовлена ​​на 41 неделе 1983 года, или инструмент в октябре 1983 года.

Интеллектуальная собственность

Возможность использования путем фотографирования каждого слоя интегральной схемы и подготовки фотоштабов для их производства на основе полученных фотографий является причиной для применения о защите макетов. Закон о защите полупроводниковых чипов 1984 г. установил защиту интеллектуальной собственности для фотошаблонов, используемых для производства интегральных схем.

В 1989 г. в Вашингтоне, округ Колумбия, состоялась дипломатическая конференция, на которой был принят Договор об интеллектуальной собственности. Собственность в отношении интегральных схем (Договор IPIC).

Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных, также называемый Вашингтонским договором или Договором IPIC (подписанный в Вашингтоне 26 мая 1989 г.), в настоящее время не вступил в силу, но был частично интегрирован в ТРИПС.

Национальные законы, защищающие конструкции ИС, приняты в ряде стран, включая Японию, ЕС, Британию, Австралию и Корею. Великобритания принимает Закон об авторском праве, промышленных образцах и патентах 1988 г., c. 48, § 213, после того, как он изначально занял позицию, что его закон об авторском праве полностью защищает топографии микросхем. См. British Leyland Motor Corp. против Armstrong Patents Co.

Критика неадекватности британского подхода к защите авторских прав в том виде, в каком ее воспринимают американские производители микросхем, резюмируется в разделе «Дальнейшие разработки прав на микросхемы».

Австралия приняла Закон о схемах от 1989 года как особая форма защиты микросхем. Корея принимает Закон о топологии полупроводников интегральных схем.

Другие разработки

Будущие разработки, похоже, будут следовать парадигме многоядерности нескольких микропроцессоров, уже используемых многоядерными процессорами Intel и AMD. Rapport Inc. и IBM начали поставлять KC256 в 2006 году, 256-ядерный микропроцессор. Не далее как в феврале - августе 2011 года Intel представила прототипа «не для коммерческой продажи» с 80 ядрами. Каждое ядро ​​способно выполнить свою задачу независимо от других. Это связано с ограничением тепловыделения по отношению к скорости, которое должно быть достигнуто при использовании существующей транзисторной технологии (см.: расчетная тепловая мощность ). Такая конструкция представляет собой новую проблему для программирования микросхем. Языки параллельного программирования, такие как язык программирования с открытым исходным кодом X10, предназначены для помощи в решении этой задачи.

Поколения

В дни простые интегральные схемы, большой масштаб технологии ограничивал все микросему всего транзисторами, с низкой степенью интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым. Производственная доходность также была довольно низкой по сегодняшним меркам. По мере развития технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) миллионы, а затем миллиарды МОП-транзисторов могли быть размещены на одном кристалле, хорошая конструкция требовала тщательного планирования, что привело к появлению этой области Автоматическое проектирование электроники, или EDA.

ИмяЗначениеГодКоличество транзисторов Логические вентили номер
SSIмаломасштабная интеграция1964от 1 до 10от 1 до 12
MSIсредняя интеграция1968от 10 до 500от 13 до 99
LSIкрупномасштабная интеграция1971от 500 до 20 000от 100 до 9999
СБИСочень крупномасштабная интеграция 1980от 20 000 до 1 000 000от 10 000 до 99 999
ULSIультра - крупномасштабная интеграция19841 000 000 и более100 000 и более

Мелкомасштабная интеграция (SSI)

Первые интегральные схемы содержали всего несколько транзисторов. Ранние схемы обеспечения десятки транзисторов, ранние линейные ИС, такие как Plessey SL201 или Philips TAA320, имели всего два транзистора. С тех пор количество транзисторов в интегральной схеме резко увеличилось. Термин «крупномасштабная интеграция» (LSI) впервые был использован IBM ученым Рольфом Ландауэром при описании теоретической концепции; этот терминил термины «мелкомасштабная интеграция» (SSI), «средне-масштабная интеграция» (MSI), «очень крупномасштабная интеграция» (VLSI) и «сверхбольшая интеграция» (ULSI).). Ранние интегральные схемы были SSI.

Схемы SSI имели решающее значение для первых аэрокосмических проектов, а аэрокосмические проекты помогли вдохновить развитие технологий. И ракета Минитмен, и программа Аполлон нуждались в легких цифровых компьютерах для их инерциальных систем наведения. Хотя управляющий компьютер Apollo руководил и мотивировал технологию интегральных схем, именно ракета Minuteman заставила ее начать массовое производство. Ракетная программа Minuteman и различные другие программы ВМС США составляли в 1962 году общий объем рынка интегральных схем в размере 4 миллионов долларов, а в 1968 году правительство США потратило на космос и оборону по-прежнему составляет 37% от общей выручки в 312 млн долларов.

Спрос со стороны правительства США поддерживал зарождающийся рынок интегральных схем, пока затраты не упали настолько, чтобы позволить фирмам, занимающимся ИС, проникнуть на промышленный рынок и, в конечном итоге, на потребительский рынок. Средняя цена за интегральную схему упала с 50 долларов в 1962 году до 2,33 доллара в 1968 году. К началу десятилетия 1970-х интегральные схемы начали появляться в потребительских товарах. Типичным применением была FM обработка звука между несущими в телевизионных приемниках.

Первыми приложениями MOS были микросхемы малой интеграции (SSI). Следуя предложению Мохамеда М. Аталлы о интегральной схеме МОП в 1960 году, первым экспериментальным МОП-чипом, который должен был быть изготовлен, был 16-транзисторный чип, созданный Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном. на RCA в 1962 году. Первое практическое применение микросхем MOS SSI было для спутников NASA .

средней интеграции (MSI)

Следующее Шагом в развитии интегральных схем были введены устройства, содержащие сотни транзисторов на каждом кристалле, получившие название «интеграция среднего размера» (MSI).

Масштабирование MOSFET Технология сделала возможным создание микросхем высокой плотности. К 1964 году МОП-микросхемы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные микросхемы.

В 1964 году Фрэнк Ванласс продемонстрировал единственный -чиповый 16-битный регистр сдвига, который он разработал, с невероятными для того времени 120 МОП-транзисторами на одном кристалле. В том же году General Microelectronics представила первую коммерческую MOS интегральную схему, состоящую из 120 p-канальных MOS транзисторов. Это был 20-битный регистр сдвига , разработанный Робертом Норманом и Фрэнком Ванлассом. Микросхемы МОП еще более усложнялись со скоростью, предсказанной законом Мура, что привело к появлению микросхем с сотнями полевых МОП-транзисторов на кристалле к концу 1960-х годов.

Крупномасштабные. интеграция (LSI)

Дальнейшее развитие, вызванное той же технологией масштабирования MOSFET и экономическими факторами, привело к середине 1970-х годов к «крупномасштабной интеграции» (LSI) с десятками тысяч транзисторов на кристалл.

Маски, используемые для обработки и производства устройств SSI, MSI и ранних LSI и VLSI (таких как микропроцессоры начала 1970-х), в основном создавались вручную, часто с использованием ленты Rubylith или аналогичный. Для больших или сложных ИС (таких как памяти или процессоры ) это часто делалось специально нанятыми профессионалами, отвечающими за разводку схем, под наблюдением группы инженеров, которые также вместе с разработчиками схем проверяет и проверяет правильность и полноту каждой маски.

Интегральные схемы, такие как 1К-битные ОЗУ, микросхемы калькуляторов и первые микропроцессоры, которые начали производиться в умеренных количествах в начале 1970-х годов, имели менее 4000 транзисторов. Истинные схемы LSI, насчитывающие около 10 000 транзисторов, начали производиться примерно в 1974 году для основной памяти компьютеров и микропроцессоров второго поколения.

Некоторые микросхемы SSI и MSI, такие как дискретные транзисторы, все еще производятся серийно, как для обслуживания старого оборудования, так и для создания новых устройств, для которых требуется всего несколько вентилей. Например, микросхемы серии 7400 из TTL стали стандартом де-факто и остаются в производстве.

Очень крупномасштабная интеграция (СБИС)

Верхние уровни межсоединений на кристалле микропроцессора Intel 80486 DX2

Последний шаг в процессе разработки, начиная с 1980-х годов и продолжается до настоящего времени, это «очень крупномасштабная интеграция» (VLSI ). Разработка началась с сотен тысяч транзисторов в начале 1980-х годов. По состоянию на 2016 год количество транзисторов продолжает расти, превышая десять миллиардов транзисторов на чип.

Для достижения этой повышенной плотности потребовались многочисленные разработки. Производители перешли на более мелкие MOSFET правила проектирования и более чистые производственные мощности, чтобы они могли производить микросхемы с большим количеством транзисторов и поддерживать соответствующий выход. Путь усовершенствования процессов был кратко изложен в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS), на смену которой пришла Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS). Инструменты электронного проектирования достаточно усовершенствованы, чтобы сделать эти проекты практичными для завершения этих проектов в разумные сроки. Более энергоэффективный CMOS заменил NMOS и PMOS, избегая чрезмерного увеличения энергопотребления . Современные устройства СБИС содержат так много транзисторов, слоев, межсоединений и других функций, что больше невозможно проверить маски или выполнить первоначальный дизайн вручную. Вместо этого инженеры используют инструменты EDA для выполнения большей части работ функциональной проверки.

В 1986 году первая 1-мегабитная оперативная память (RAM) были введены микросхемы, содержащие более миллиона транзисторов. Микропроцессорные микросхемы преодолели отметку в миллион транзисторов в 1989 году и миллиард транзисторов в 2005 году. Эта тенденция практически не ослабевает: в 2007 году были представлены микросхемы, содержащие десятки миллиардов транзисторов памяти.

ULSI, WSI, SoC и 3D-IC

Чтобы отразить дальнейший рост сложности, термин ULSI, обозначающий «сверхбольшую интеграцию», был предложен для микросхем, содержащих более 1 миллиона транзисторов.

Интеграция в масштабе пластины (WSI) - это средство построения очень больших интегральных схем, в которых используется вся кремниевая пластина для создания единственного «суперчипа». Благодаря сочетанию большого размера и уменьшенной комплектации WSI может привести к значительному снижению затрат для некоторых систем, особенно для суперкомпьютеров с массовым параллелизмом. Название взято из термина «очень крупномасштабная интеграция», текущего состояния дел на момент разработки WSI.

A система на кристалле (SoC или SOC) - это интегральная схема, в которой все компоненты, необходимые для компьютера или другой системы, включены в один чип. Конструкция такого устройства может быть сложной и дорогостоящей, и хотя интеграция всех необходимых компонентов на одном кристалле дает преимущества в производительности, затраты на лицензирование и разработку однопроходной машины все же перевешивают использование отдельных устройств. При соответствующем лицензировании эти недостатки компенсируются более низкими затратами на производство и сборку, а также значительным сокращением бюджета мощности: поскольку сигналы между компонентами хранятся на кристалле, требуется гораздо меньше энергии (см. Упаковка). Кроме того, источники и адресаты сигналов физически ближе на кристалле, что сокращает длину проводки и, следовательно, задержку, передачу затрат на электроэнергию и избыточное тепло от связи между модулями на одной микросхеме. Это привело к исследованию так называемых устройств Network-on-Chip (NoC), которые применяют методологии проектирования системы на кристалле к цифровым коммуникационным сетям в отличие от традиционных архитектур шины.

A Трехмерная интегральная схема (3D-IC) имеет два или более слоев активных электронных компонентов, которые интегрированы как по вертикали, так и по горизонтали в единую схему. Для связи между уровнями используется передача сигналов на кристалле, поэтому потребление энергии намного ниже, чем в эквивалентных отдельных схемах. Разумное использование коротких вертикальных проводов может существенно уменьшить общую длину проводов для более быстрой работы.

Силиконовая маркировка и граффити

Чтобы обеспечить идентификацию во время производства, на большинстве кремниевых чипов серийный номер указан в одном углу. Также распространено добавление логотипа производителя. С момента создания ИС некоторые разработчики микросхем использовали поверхность кремния для скрытых, нефункциональных изображений или слов. Их иногда называют чип-артом, силиконовым искусством, силиконовым граффити или силиконовым рисунком.

ИС и семейства ИС

См. Также

  • значок Портал электроники

Ссылки

Дополнительная литература

  • Veendrick, H.J.M. (2017). Нанометрические КМОП-микросхемы, от основ до ASIC. Springer. ISBN 978-3-319-47595-0.
  • Бейкер, Р.Дж. (2010). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование (3-е изд.). Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.
  • Марш, Стивен П. (2006). Практичный дизайн MMIC. Артек Хаус. ISBN 978-1-59693-036-0.
  • Камензинд, Ханс (2005). Разработка аналоговых микросхем (PDF). Виртуальный книжный червь. ISBN 978-1-58939-718-7. Архивировано из оригинального (PDF) 12 июня 2017 года. Ганс Камензинд изобрел таймер 555
  • Ходжес, Дэвид; Джексон, Гораций; Салех, Ресв (2003). Анализ и проектирование цифровых интегральных схем. Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-228365-5.
  • Rabaey, J.M.; Чандракасан, А.; Николич, Б. (2003). Цифровые интегральные схемы (2-е изд.). Пирсон. ISBN 978-0-13-090996-1.
  • Мид, Карвер; Конвей, Линн (1980). Введение в системы СБИС. Издательство Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-04358-7.

Внешние ссылки

Викискладе есть носители, связанные с Интегральной схемой.

Общие

Патенты

  • US3,138,743 - Миниатюрная электронная схема - JS Килби
  • US3,138,747 - Устройство интегральной полупроводниковой схемы - R.F. Стюарт
  • US3,261,081 - Метод создания миниатюрных электронных схем - J.S. Килби
  • US3,434,015 - Конденсатор для миниатюрных электронных схем и т.п. - Дж. Килби

Производство кристаллов интегральных схем

Последняя правка сделана 2021-05-24 03:54:41
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте