了解大型集成電路（LSIC）的複雜性和設計

了解大型集成電路（LSIC）的複雜性和設計

大规模集成电路（LSIC）可以将数千个电子组件集成到单个芯片上。这些复杂的电路包括微电器设备，例如晶体管、二极管、电阻器、电容器和电感器，它们均经过互连为执行特定功能。这种技术进步通过提高电子设备的效率、功能和紧凑性，改革了各个行业。从1960年代的成立到现代技术的广泛应用，LSIC为开发复杂、紧凑的电子系统的开发铺平了道路。

1. 什么是LSIC及其组件？

大规模集成电路（LSICS），通常象征为“IC”或“N”，是电子产品的重大进步。LSIC通常包含100至9,999个逻辑门或1,000至99,999个组件。这些将超过1,000个电子零件整合在一个芯片上。集成电路（IC）包括晶体管、二极管、电阻器、电容器和电感器等微电器设备。晶体管和二极管是作为开关或放大器（晶体管）和控制电流方向（二极管）的主要活动组件。电阻和电容器是暂时管理电压和存储能量的被动组件。它们是定时和过滤应用程序的理想选择。最后，电感器用于在高频应用中进行储能和过滤，尽管由于其大小和集成困难而不太常见。这些组件通过复杂的过程进行了详细的互连，组装成半导体晶片或介电底物，并包装在保护性壳中，形成执行特定电路函数的微观结构。

图1：大规模集成电路

2. 历史背景

大规模集成电路（LSIC）的旅程始于1960年代初期，标志着电子产品变革的时代。基本的里程碑是杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1958年对第一综合电路（IC）的发明。这些最初的ICS虽然具有革命性，但仅包含少数晶体管，这些晶体管限制了它们执行复杂功能的能力。Kilby的原型（简单振荡器电路）证明了使用锗将多个组件集成到单个半导体材料上的潜力。独立开发了类似概念的Noyce利用硅和平面过程。然后证明这更可扩展和制造。Noyce的方法，涉及晶体管与薄金属的互连，为现代IC制造技术奠定了基础。

早期的IC由于新生的制造技术而面临重大局限性。这些限制无法处理整合许多组件的复杂性。早期电路只能执行基本功能，例如简单的逻辑操作或信号放大。1964年，当德克萨斯仪器引入了第一个商业LSI芯片时，微电子的景观发生了巨大变化，其中包含100多個晶体管。这个里程碑代表了集成到单个芯片中的晶体管数量的显著飞跃，从而实现了更多功能性电子设备。

3. 大规模集成电路类型的分类

LSIC是根据功能、生产过程、集成水平、电导率类型、使用、应用区域和形状进行分类的。这些分类揭示了IC在各个领域的多样性和应用。

图2：模拟和数字IC

按功能：集成电路分为模拟、数字和数字/模拟混合动力电路。模拟IC会生成、放大和处理模拟信号，例如收音机或磁带记录器的音频。这是为了维持输入和输出信号之间的比例关系。数字IC管理在VCD和DVD播放器等设备中使用的离散信号，以精确执行逻辑和算术操作。

图3：半导体和膜整合电路

按生产过程：IC分为半导体和膜整合电路。半导体IC是最常见的。它是使用硅或其他半导体材料通过掺杂和光刻造影制成的。薄膜IC进一步分为厚实的薄膜类型，使用真空沉积方法涉及丝网印刷技术和薄膜IC的厚膜IC。

按集成级别：ICS范围从小规模到超大级集成电路。小规模的IC包含几十个晶体管，适用于基本逻辑功能。中型和大型IC将数百个晶体管融合在一起，以实现更复杂的操作。非常大规模和超大规模的IC集成了数百万晶体管，从而允许高级计算和数据处理。

图4：TTL双极和MOSFET单极ICS

按电导率类型：IC被归类为双极或单极。包括TTL（晶体管-跨性逻辑）和ECL（发射极耦合逻辑）在内的双极IC具有复杂的制造过程和更高的功耗。他们还以高性能应用中的速度而闻名。单极IC，例如MOSFET（金属-氧化物-氧化物型野外晶体管），具有更简单的制造过程和较低的功耗。它们是高密度整合和节能应用的理想选择。

图5：音频和视频IC和计算机IC

通过使用：IC是针对特定设备量身定制的，可以增强性能和功能。在电视中，IC管理扫描、声音处理和颜色解码。音频系统使用IC进行声音放大和处理。DVD播放器合并了用于控制、视频编码和音频处理的IC。计算机依靠IC进行CPU、内存管理和周围接口，而通信设备则使用ICS进行信号传输和接收。

4. LSIC特征

5. 大规模集成电路设计

图6：LSIC设计的示意图

设计大规模集成电路（LSIC）是一个需要创造力、精度和专业技术的复杂过程。设计阶段涉及创建电路的详细蓝图，平衡功能、性能、功耗和制造约束。精心设计的LSIC可确保高性能、可靠性和成本效益。LSICS可以使用各种架构进行设计，包括数字、模拟、混合信号和芯片系统（SOC）。

数字LSIC使用逻辑门、触发器和寄存器等组件执行算术、逻辑和控制功能。工程师专注于优化速度、降低功耗和确保逻辑准确性。模拟LSICS通过放大器、过滤器和振荡器等组件（例如音频、视频和传感器数据）进行连续信号。这些设计需要仔细注意信号完整性、降低降噪和线性。混合信号LSIC结合了数字和模拟电路，需要在两个领域中的专业知识来有效地管理离散和连续信号之间的相互作用。SOC LSIC将多个组件（例如处理器、内存和外围设备）集成到单个芯片中，从而提供全面的系统解决方案。这种方法涉及复杂的设计策略，以确保所有集成模块和谐地工作。

设计大规模集成电路需要专门的工具，包括计算机辅助设计（CAD）软件、仿真工具和验证工具。CAD软件提供了用于设计电路的图形接口，允许设计人员放置和连接组件，定义属性并生成布局。此过程始于示意图捕获，工程师创建详细的电路图。此后，布局设计涉及将原理图转换为硅芯片上的物理表示，以便注意优化空间和电路。仿真工具可以在各种条件下测试电路的行为，在制造前识别和解决设计缺陷。工程师使用这些工具来模拟场景，例如电压V ariat离子、温度波动和信号干扰。验证工具验证设计规格，以确保电路达到所需的性能。这些工具执行检查，以确保设计遵守行业标准并满足所有指定的要求。

6. LSICS制造过程

制造大规模集成电路（LSICS）是一个多方面的过程，需要在物理、化学和工程学方面进行深入的专业知识。该过程涉及多个阶段：设计、制造、测试和包装。每个阶段旨在确保最终产品的高性能、可靠性和效率。LSICS的制造采用各种高级技术，包括光刻、蚀刻、沉积和掺杂。这些技术是创建精确图案、去除不必要的材料、添加新层以及修改硅晶片的电气性能所必需的。

图7：从开始到包装LSICS流程

光刻学是硅晶片构图中的基石技术。此过程首先要用光敏的光蛋白天材料涂上晶片。然后将晶圆通过定义所需图样的面膜暴露于紫外线。暴露于光线的区域将在开发人员解决方案中溶解，该解决方案允许选择性材料去除。光刻的准确性非常出色，因为这直接影响了综合电路的分辨率。蚀刻遵循光刻学以去除不需要的材料。湿蚀刻使用化学溶液溶解特定区域，而干蚀刻则采用血浆来实现相同的目标。必须对这两种方法进行精心控制，以确保仅除去不希望的材料而不会损害基础结构。沉积技术在晶圆上增加了新的材料层。化学蒸气沉积（CVD）涉及将材料沉积在薄而均匀层中的化学反应。物理蒸气沉积（PVD），包括溅射等方法，使用物理过程将材料传递到晶圆上。电镀增加了导电层，非常适合形成电气连接。必须对每种沉积方法进行细调，以达到所需的厚度和均匀性。掺杂将特定的杂质引入硅晶片中，以修改其电性能，从而创建具有不同电导率的区域。通过离子植入或扩散等技术来实现此过程，该技术将原子嵌入到硅晶格中。掺杂的精度会影响晶体管和其他成分的行为。LSIC制造的最后阶段是包装。包装过程准备将电路集成到各种电子设备中。此过程涉及将LSIC封装在保护材料（例如塑料或陶瓷）中，以保护其免受水分、热量和机械应力等环境因素的影响。在包装期间，LSIC连接到外部销钉或导线 - 使其与其他组件进行交互。电线粘结使用细线来建立这些连接，而翻转芯片键合直接将LSIC连接到基板上。两种方法都需要精确定位以确保稳健的连接而不损害精细的LSIC结构。

7. 应用

大规模综合电路（LSIC）在多个行业都有广泛的应用。在每个行业中，LSICS都被证明有效地增强了众多设备和系统的功能。

消费类电子产品

• 智能手机：将处理、内存和连接整合到一个芯片中
• 笔记本电脑：驱动高速处理和较大的存储能力
• 电视：高级图像处理
• 游戏机：增强的图形和更快的处理速度

医疗保健行业

• 医学成像（MRI、CT扫描仪）：处理大量数据
• 患者监测系统：生物识别读数的实时数据处理
• 可植入的医疗设备（起搏器、除颤器）：紧凑的尺寸和可靠的性能

汽车行业

• 发动机管理系统：优化燃油喷射、点火时间和排放控制
• 安全系统（ABS、ESC、安全气囊部署）：安全性的高级功能
• 信息娱乐系统：导航、娱乐和通信功能的无缝集成

航空业

• 飞行控制系统：处理传感器数据，管理飞行动态
• 导航系统：准确的定位和路线规划
• 通信系统：管理数据传输

8. 结论

大规模综合电路（LSIC）对现代技术的影响是深远的，从消费电子到医疗保健、汽车和航空航天的各个行业。这些电路使创建更小、更快、更高效的设备成为可能，从而改变了我们每天与技术互动的方式。复杂的设 计和制造过程需要精确和先进的技术，强调了LSIC的精致。LSICS将继续发展，它们无疑会推动进一步的创新，从而突破了电子设计和功能中可能的界限。

常见问题

1. LSIC与其它集成电路有何不同？

大规模综合电路（LSIC）与其它集成电路不同，主要是其复杂性和整合水平。虽然标准的集成电路可能包含几十个至数百个组件，但LSIC将成千上万到成千上万个组件（例如晶体管、二极管、电阻器、电容器和电感器）集成到一个芯片上。这种高水平的集成使LSIC可以执行更复杂的功能，提高性能并降低电子设备的尺寸和功耗。LSIC非常适合在紧凑的外形范围内需要处理能力和功能的应用。

2. LSIC如何测试质量和性能？

通过一系列严格的程序（包括自动化和手动测试），通过一系列严格的程序来测试LSICS的质量。自动测试设备（ATE）用于执行电气测试，检查电压、电流和信号完整性等参数，以确保电路符合设计规格。高放大倍率下的视觉检查检测物理缺陷，例如裂纹或未对准。工程师还使用仿真工具来预测各种条件下的电路行为，有助于在制造前识别潜在的问题。进行迭代调整和重新测试是为了确保最终产品可靠并符合行业标准。

3. 在LSIC中整合电感的局限性是什么？

由于电感器的大小和复杂性，在LSIC中整合电感是具有挑战性的。与电阻器和电容器等其它组件相比，电感器需要更多的硅芯片空间。这使得很难将它们放入LSIC的紧凑布局中。同样，电感器的制造过程更为复杂，因为这涉及创建线圈或导电材料环，而大规模整合所需的精确度可能很难实现。这些因素限制了LSICS中电感的使用，通常会导致设计人员在高频应用中寻找用于存储和过滤的替代解决方案。

4. LSIC如何保持温度稳定性和均匀性？

LSIC通过利用单个硅芯片上的组件的一致制造过程来保持温度稳定性和均匀性。由于所有组件都是在相同的环境中创建的，并且具有相同的材料，因此它们具有相似的热特性。这种一致性可确保成分以相似的速率加热和冷却，从而最大程度地减少整个芯片的温度梯度。在设计中使用热管理技术，例如散热器和热VIA，用来均匀地散发热量并保持稳定的工作温度，非常适合可靠的性能。

5. 哪些法规标准适用于LSIC的制造和使用？

这些标准包括用于汽车行业质量管理的ISO/TS 16949，用于一般质量管理系统的ISO 9001以及ROHS（限制危险物质），这些质量限制了在电子产品中使用特定的危险材料。IPC标准，例如用于电子装配可接受性的IPC-A-610和用于焊接电气和电子组件的IPC-J-STD-001，为制造实践提供了指南。LSIC制造商必须遵守这些标准，以确保其产品满足行业要求和消费者安全期望。

本文原文来自ariat-tech.tw