2017-10-24 11:14:28

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一般意义上讲,集成块就是指集成电路,集成块是集成电路的实体,也是集成电路的通俗叫法。从字面意思来讲,集成电路是一种电路形式,而集成块则是集成电路的实物反映。

基本信息

  • 中文名

    集成块

  • 亦称

    集成电路

  • 晶体管之父

    肖克利

  • 意义

    是集成电路的实物反映

一般意义上讲,集成块就是指集成电路,集成块是集成电路的实体,也是集成电路的通俗叫法。从字面意思来讲,集成电路是一种电路形式,而集成块则是集成电路的实物反映。

1948年,贝尔实验室的威廉·肖克利(William Shockley)和两位同事发明了晶体管,它可以代替真空管放大电子信号,使电子设备向轻变化、高效化发展。肖克利因此被誉为"晶体管之父",并因此获得了1956年度的诺贝尔物理学奖。这是电子技术的一次重大革新。杰克·基尔比当时24岁,刚刚获得伊利诺斯大学的电子工程学士学位。他在自述中说:"在大学里,我的大部分课程都是有关电力方面的,但因为我童年时对于电子技术的兴趣,我也选修了一些电子管技术方面的课程。我毕业于1947年,正好是贝尔实验室宣布发明了晶体管的前一年,这意味着我的电子管技术课程将要全部作废。"

然而问题还没有完全解决,应用晶体管组装的电子设备还是太笨重了。显然,个人拥有计算机,仍然是一个遥不可及的梦想。

科技总是在一个个梦想的驱动下前进。1952年,英国雷达研究所的G·W·A·达默首先提出了集成电路的构想:把电子线路所需要的晶体三极管、晶体二极管和其它元件全部制作在一块半导体晶片上。虽然从对杰克·基尔比的自述中我们看不出这一构想对他是否有影响,但我们也能感受到,微电子技术的概念即将从工程师们的思维里喷薄而出。

世界上第一块集成电路诞生。

1947年,伊利诺斯大学毕业生杰克·基尔比怀着对电子技术的浓厚兴趣,在威斯康星州的密尔瓦基找了份工作,为一个电子器件供应商制造收音机、电视机和助听器的部件。工余时间,他在威斯康星大学上电子工程学硕士班夜校。当然,工作和上课的双重压力对基尔比来说可算是一个挑战,但他说:"这件事能够做到,且它的确值得去努力。"

取得硕士学位后,基尔比与妻子迁往德克萨斯州的达拉斯市,供职于德州仪器公司,因为它是惟一允许他差不多把全部时间用于研究电子器件微型化的公司,给他提供了大量的时间和不错的实验条件。基尔比生性温和,寡言少语,加上6英尺6英寸的身高,被助手和朋友称作"温和的巨人"。正是这个不善于表达的巨人酝酿出了一个巨人式的构思。

当时的德州仪器公司有个传统,炎热的8月里员工可以享受双周长假。但是,初来乍到的基尔比却无缘长假,只能待在冷清的车间里独自研究。在这期间,他渐渐形成一个天才的想法:电阻器和电容器(无源元件)可以用与晶体管(有源器件)相同的材料制造。另外,既然所有元器件都可以用同一块材料制造,那么这些部件可以先在同一块材料上就地制造,再相互连接,最终形成完整的电路。他选用了半导体硅。

"我坐在桌子前,待的时间好像比平常晚一点。"他在1980年接受采访时回忆说,"整个构想其实在当天就已大致成形,接着我将所有想法整理出来,并在笔记本上画出了一些设计图。等到主管回来后,我就将这些设计图拿给他看。当时虽然有些人略有怀疑,但他们基本上都了解这项设计的重要性。"

于是,我们回到文章开头的那一幕,那一天,公司的主管来到实验室,和这个巨人一起接通了测试线路。试验成功了。德州仪器公司很快宣布他们发明了集成电路,基尔比为此申请了专利。

集成电路发明的意义:

开创了硅时代

当时,他也许并没有真正意识到这项发明的价值。在获得诺贝尔奖后,他说:"我知道我发明的集成电路对于电子产业非常重要,但我从来没有想到它的应用会像今天这样广泛。"

集成电路取代了晶体管,为开发电子产品的各种功能铺平了道路,并且大幅度降低了成本,第三代电子器件从此登上舞台。它的诞生,使微处理器的出现成为了可能,也使计算机变成普通人可以亲近的日常工具。集成技术的应用,催生了更多方便快捷的电子产品,比如常见的手持电子计算器,就是基尔比继集成电路之后的一个新发明。直到今天,硅材料仍然是我们电子器件的主要材料。所以,2000年,集成电路问世42年以后,人们终于了解到他和他的发明的价值,他被授予了诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评审委员会曾经这样评价基尔比:"为现代信息技术奠定了基础"。

1959年,仙童半导体公司的罗伯特·罗伊斯申请了更为复杂的硅集成电路,并马上投入了商业领域。但基尔比首先申请了专利,因此,罗伊斯被认为是集成电路的共同发明人。罗伊斯于1990年去世,与诺贝尔奖擦肩而过。

杰克·基尔比相当谦逊,他一生拥有六十多项专利,但在获奖发言中,他说:"我的工作可能引入了看待电路部件的一种新角度,并开创了一个新领域,自此以后的多数成果和我的工作并无直接联系。"

集成电路得历史变革:

1958年9月12日,基尔比研制出世界上第一块集成电路,成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想,并通过了德州仪器公司高层管理人员的检查。请记住这一天,集成电路取代了晶体管,为开发电子产品的各种功能铺平了道路,并且大幅度降低了成本,使微处理器的出现成为了可能,开创了电子技术历史的新纪元,让我们现在习以为常一切电子产品的出现成为可能。

回顾集成电路的发展历程,我们可以看到,自发明集成电路至今40多年以来,"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从小规模集成电路(SSI)到今天特大规模集成电路(ULSI)发展过程的最好总结,即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统(System-on-board)到片上系统(System-on-a-chip)的过程。在这历史过程中,世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求,其产业结构经历了三次变革。

第一次变革:以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。

70年代,集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期IC制造商(IDM)在IC市场中充当主要角色,IC设计只作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主,CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。

第二次变革:Foundry公司与IC设计公司的崛起。80年代,集成电路的主流产品为微处理器(MPU)、微控制器(MCU)及专用IC(ASIC)。这时,无生产线的IC设计公司(Fabless)与标准工艺加工线(Foundry)相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。

随着微处理器和PC机的广泛应用和普及(特别是在通信、工业控制、消费电子等领域),IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求,同时整机客户则要求不断增加IC的集成度,提高保密性,减小芯片面积使系统的体积缩小,降低成本,提高产品的性能价格比,从而增强产品的竞争力,得到更多的市场份额和更丰厚的利润;另一方面,由于IC微细加工技术的进步,软件的硬件化已成为可能,为了改善系统的速度和简化程序,故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件(包括FPGA)、标准单元、全定制电路等应运而生,其比例在整个IC销售额中1982年已占12%;其三是随着EDA工具(电子设计自动化工具)的发展,PCB设计方法引入IC设计之中,如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等,设计开始进入抽象化阶段,使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金(VC)看到ASIC的市场和发展前景,纷纷开始成立专业设计公司和IC设计部门,一种无生产线的集成电路设计公司(Fabless)或设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工艺加工线(Foundry)的崛起。全球第一个Foundry工厂是1987年成立的台湾积体电路公司,它的创始人张忠谋也被誉为"晶芯片加工之父"。

第三次变革:"四业分离"的IC产业90年代,随着INTERNET的兴起,IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段,国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1990年,美国以Intel为代表,为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁,主动放弃DRAM市场,大搞CPU,对半导体工业作了重大结构调整,又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到,越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展,"分"才能精,"整合"才成优势。于是,IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势,开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面(如下图所示),近年来,全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。如台湾IC业正是由于以中小企业为主,比较好地形成了高度分工的产业结构,故自1996年,受亚洲经济危机的波及,全球半导体产业出现生产过剩、效益下滑,而IC设计业却获得持续的增长。

特别是96、97、98年持续三年的DRAM的跌价、MPU的下滑,世界半导体工业的增长速度已远达不到从前17%的增长值,若再依靠高投入提升技术,追求大尺寸硅片、追求微细加工,从大生产中来降低成本,推动其增长,将难以为继。而IC设计企业更接近市场和了解市场,通过创新开发出高附加值的产品,直接推动着电子系统的更新换代;同时,在创新中获取利润,在快速、协调发展的基础上积累资本,带动半导体设备的更新和新的投入;IC设计业作为集成电路产业的"龙头",为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力.

IC封装:

我们经常听说某某芯片采用什么什么的封装方式,在我们的电脑中,存在着各种各样不同处理芯片,那么,它们又是是采用何种封装形式呢?并且这些封装形式又有什么样的技术特点以及优越性呢?那么就请看看下面的这篇文章,将为你介绍个中芯片封装形式的特点和优点。

一、DIP双列直插式封装

DIP(DualIn-line Package)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片,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。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然,也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心,以免损坏引脚。

DIP封装具有以下特点:

1.适合在PCB(印刷电路板)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。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式,缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。

二、QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

QFP(Plastic Quad Flat Package)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个以上。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。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点,即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

PFP(Plastic Flat Package)方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是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。

Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。

三、PGA插针网格阵列封装

PGA(Pin Grid Array Package)芯片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。为使CPU能够更方便地安装和拆卸,从486芯片开始,出现一种名为ZIF的CPU插座,专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起,CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处,利用插座本身的特殊结构生成的挤压力,将CPU的引脚与插座牢牢地接触,绝对不存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起,则压力解除,CPU芯片即可轻松取出。

PGA封装具有以下特点:

1.插拔操作更方便,可靠性高。

2.可适应更高的频率。

Intel系列CPU中,80486和Pentium、Pentium Pro均采用这种封装形式。

四、BGA球栅阵列封装

随着集成电路技术的发展,对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性,当IC的频率超过100MHz时,传统封装方式可能会产生所谓的"CrossTalk"现象,而且当IC的管脚数大于208 Pin时,传统的封装方式有其困难度。因此,除使用QFP封装方式外,现今大多数的高脚数芯片(如图形芯片与芯片组等)皆转而使用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

BGA封装技术又可详分为五大类:

1.PBGA(Plasric BGA)基板:一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中,Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。

2.CBGA(CeramicBGA)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(FlipChip,简称FC)的安装方式。Intel系列CPU中,Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。

3.FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬质多层基板。

4.TBGA(TapeBGA)基板:基板为带状软质的1-2层PCB电路板。

5.CDPBGA(Carity Down 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。

BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年,日本西铁城(Citizen)公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片(即BGA)。而后,摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年,摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年,康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前,Intel公司在电脑CPU中(即奔腾II、奔腾III、奔腾IV等),以及芯片组(如i850)中开始使用BGA,这对BGA应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前,BGA已成为极其热门的IC封装技术,其全球市场规模在2000年为12亿块,预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。

五、CSP芯片尺寸封装

随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮,封装技术已进步到CSP(Chip Size Package)。它减小了芯片封装外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍,IC面积只比晶粒(Die)大不超过1.4倍。

CSP封装又可分为四类:

1.Lead Frame Type(传统导线架形式),代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达(Goldstar)等等。

2.Rigid Interposer Type(硬质内插板型),代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。

3.Flexible Interposer Type(软质内插板型),其中最有名的是Tessera公司的microBGA,CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气(GE)和NEC。

4.Wafer Level Package(晶圆尺寸封装):有别于传统的单一芯片封装方式,WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片,它号称是封装技术的未来主流,已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。

CSP封装具有以下特点:

1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。

2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。

3.极大地缩短延迟时间。

CSP封装适用于脚数少的IC,如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电(IA)、数字电视(DTV)、电子书(E-Book)、无线网络WLAN/GigabitEthemet、ADSL/手机芯片、蓝芽(Bluetooth)等新兴产品中。

六、MCM多芯片模块

为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题,把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统,从而出现MCM(Multi Chip Model)多芯片模块系统。

MCM具有以下特点:

1.封装延迟时间缩小,易于实现模块高速化。

2.缩小整机/模块的封装尺寸和重量。

3.系统可靠性大大提高。

杰克·基尔比生平

教育背景:

1947年,电子工程学士,伊利诺斯大学

1950年,电子工程硕士,威斯康星大学,德克萨斯州

职业经历:

1947年~1958年 中央实验室,威斯康星州,密尔瓦基

1958年~1970年 德州仪器公司,德克萨斯州,达拉斯

1970年11月 自德州仪器公司离职,但继续为其担任兼职顾问

1978年~1984年 德克萨斯农工大学,电机工程学特聘教授

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