集成电路,英文为Integrated Circuit,缩写为IC;顾名思义,就是把一定数量的常用电子元件,如电阻、电容、晶体管等,以及这些元件之间的连线,通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

什么是集成电路


集成电路(integrated circuit)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、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、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。

 

什么是集成电路

 

集成电路封装


在集成电路设计与制造过程中,封装是不可或缺的重要一环,也是半导体集成电路的最后阶段。通过把器件的核心晶粒封装在一个支撑物之内,不仅可以有效防止物理损坏及化学腐蚀,而且还提供对外连接的引脚,使芯片能更加方便的安装在电路板上。
一、SOP 小外形封装
SOP,也可以叫做 SOL 和 DFP,是一种很常见的元器件形式。同时也是表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L 字形)。封装材料分塑料和陶瓷两种。始于 70 年代末期。SOP 封装的应用范围很广,除了用于存储器 LSI 外,还输入输出端子不超过 10-40 的领域里,SOP 都是普及最广泛的表面贴装封装。后来,为了适应生产的需要,也逐渐派生出 SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC 等一些小外形封装。
二、PGA 插针网格阵列封装
PGA 芯片封装形式常见于微处理器的封装,一般是将集成电路(IC)包装在瓷片内,瓷片的底部是排列成方形的插针,这些插针就可以插入获焊接到电路板上对应的插座中,非常适合于需要频繁插波的应用场合。对于同样管脚的芯片,PGA 封装通常要比过去常见的双列直插封装需用面积更小。PGA 封装具有插拨操作更方便,可靠性高及可适应更高的频率的特点,早期的奔腾芯片、InTel 系列 CPU 中的 80486 和 Pentium、Pentium Pro 均采用这种封装形式。
三、BGA 球栅阵列封装
BGA 封装是从插 PGA 插针网格阵列改良而来,是一种将某个表面以格状排列的方式覆满引脚的封装法,在运作时即可将电子讯号从集成电路上传导至其所在的印刷电路板。在 BGA 封装下,在封装底部处引脚是由锡球所取代,这些锡球可以手动或透过自动化机器配置,并透过助焊剂将它们定位。BGA 封装能提供比其他如双列直插封装或四侧引脚扁平封装所容纳更多的接脚,整个装置的地步表面可作为接脚使用,比起周围限定的封装类型还能具有更短的平均导线长度,以具备更加的高速效能。
四、DIP 双列直插式封装
所谓 DIP 双列直插式封装,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。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 封装适合在 PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。

 

集成电路封装

 

集成电路设计流程


集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分,将设计基本分为两部分:芯片硬件设计和软件协同设计。
芯片硬件设计包括:
1.功能设计阶段。
设计人员产品的应用场合,设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等规格,以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软件模块及硬件模块该如何划分,哪些功能该整合于 SOC 内,哪些功能可以设计在电路板上。
2.设计描述和行为级验证
功能设计完成后,可以依据功能将 SOC 划分为若干功能模块,并决定实现这些功能将要使用的 IP 核。此阶段间接影响了 SOC 内部的架构及各模块间互动的讯号,及未来产品的可靠性。
决定模块之后,可以用 VHDL 或 Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计。接着,利用 VHDL 或 Verilog 的电路仿真器,对设计进行功能验证(functionsimulation,或行为验证 behavioral simulation)。
3.逻辑综合
确定设计描述正确后,可以使用逻辑综合工具(synthesizer)进行综合。综合过程中,需要选择适当的逻辑器件库(logic cell library),作为合成逻辑电路时的参考依据。
硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要因素。事实上,综合工具支持的 HDL 语法均是有限的,一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型,而不能被综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。
4.门级验证(Gate-Level Netlist Verification)
门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求,该工作一般利用门电路级验证工具完成。注意,此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。
5.布局和布线
布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上,规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。注意,各模块之间的连线通常比较长,因此,产生的延迟会严重影响 SOC 的性能,尤其在 0.25 微米制程以上,这种现象更为显著。
软件协同设计包括:
1. 电路设计 依据电路功能完成电路的设计。
2. 前仿真 电路功能的仿真,包括功耗,电流,电压,温度,压摆幅,输入输出特性等参数的仿真。
3. 版图设计(Layout) 依据所设计的电路画版图。一般使用 Cadence 软件。
4. 后仿真 对所画的版图进行仿真,并与前仿真比较,若达不到要求需修改或重新设计版图。
5. 后续处理 将版图文件生成 GDSII 文件交予 Foundry 流片。

 

集成电路设计流程