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集成电路芯片类型和技术介绍 [复制链接]

本帖最后由 漫的瞳孔 于 2022-3-31 09:42 编辑

       电子产品的发展始于真空管和相关电子电路的发明。这种被称为真空管电子的活动,随后固态器件的演变和随之而来的集成电路芯片的发展负责通信,计算和仪器仪表的现状。

由于其尺寸小,成本低,可靠性非常高,即使是普通人也熟悉其应用,如智能手机和笔记本电脑。

由于其高可靠性和紧凑的尺寸,该IC还适用于军事应用,最先进的通信系统和工业应用。

如今,具有指甲大小的IC由嵌入其中的一百多万个晶体管和其他分立元件组成。

因此,集成电路也可以称为微芯片,基本上是由硅等半导体材料制成的小芯片上的一些分立电路的集合

集成电路

它是一种电路,其中所有分立元件(如无源元件和有源元件)都在单晶芯片上制造

  • 第一个半导体芯片各装有两个晶体管。
  • 第一个集成电路只有少数几个器件,可能多达十个二极管,晶体管,电阻器和电容器,使得在单个器件上制造一个或多个逻辑门成为可能。

至于增加每个集成电路的组件(或晶体管)数量,该技术的发展如下:

小规模集成

该技术是通过在单个芯片上集成1-100个晶体管数量而开发的。

例如:栅极,触发器,运算放大器。

中型集成

该技术是通过在单个芯片上集成100-1000个晶体管数量而开发的。

例如:计数器,MUX,加法器,4位微处理器。

大规模集成

该技术是通过在单个芯片上集成1000-10000个晶体管数量而开发的。

例如:8位微处理器,ROM,RAM。

超大规模集成

该技术是通过在单个芯片上集成10000-1百万个晶体管数量而开发的。

例如:16-32位微处理器,外设,免费高MOS。

超大规模集成

该技术是通过在单个芯片上集成100万至1000万个晶体管数量而开发的。

例如:专用处理器。

巨型集成

该技术是通过在单个芯片上集成超过1000万个晶体管而开发的。

例如:嵌入式系统,片上系统。

集成电路的优点

与分立电路相比,集成电路具有以下优点:

  • 由于连接数量减少,提高了可靠性。
  • 由于在半导体材料的单芯片中制造了各种电路元件,因此尺寸极小。
  • 由于电路小型化,重量和空间要求更小。
  • 低功耗要求。
  • 在极端温度值下运行的能力更强。
  • 成本低,因为在一个小型半导体晶圆上同时生产数百个类似的电路。
  • 电路布局大大简化,因为集成电路被限制为使用最少数量的外部连接。

集成电路的缺点

  • 如果IC中的任何组件出现故障,则必须用新IC替换整个IC。
  • 在IC中,制造超过30pF的电容既不方便也不经济。因此,为了获得高电容值,将分立元件连接到IC芯片外部。
  • 不可能在半导体芯片的表面上制造电感器和变压器。因此,这些组件在外部连接到半导体芯片。
  • 无法产生大于10W的高功率IC。
  • IC缺乏灵活性,即通常无法修改集成电路的工作参数。

封装TO71

封装FlatPack

封装DI PDual Inline Package

封装PSDIP

 

金属罐IC陶瓷扁平封装IC14引脚双列直插式封装(DIP)8引脚双列直插式封装(DIP)塑料

在应用的基础上,IC有两种类型,即:线性集成电路数字集成电路

线性IC用于电路输入和输出之间的关系是线性的。线性IC的一个重要应用是运算放大器,通常称为运算放大器。

当电路处于导通状态或关状态并且不在两者之间时,该电路称为数字电路。用于此类电路的IC称为数字IC。它们在计算机和逻辑电路中得到了广泛的应用。

以下是基于所用制造技术的集成电路的一些进一步分类。

单晶硅胶
薄膜
厚膜
混合

1. 单片芯片

"monolithic"这个词来自希腊语"monos"和"lithos",意思是"single"和"stone"。顾名思义,单片IC是指单个石头或单个晶体。

单晶是指以硅片为半导体材料,其上所需的所有有源和无源元件相互连接。

这是制造IC的最佳模式,因为它们可以完全相同,并产生高可靠性。

成本因素也很低,可以在非常短的时间内批量制造。

它们已被发现适用于AM接收器,电视电路,计算机电路,稳压器,放大器等的C。

单片IC

图例.1 单片IC

单片IC也有一些局限性。

1. 单片IC具有低额定功率。它们不能用于低功耗应用,因为它们的额定功率不能超过1瓦。

2.IC内部元件之间的隔离性差。

3. 电感器等元件不能制造到IC上。

4.IC内部制造的无源元件如果值小,对于更高的值,它们必须从外部连接到IC引脚。

5.很难使电路灵活地适应任何类型的变化;需要一套新的口罩。

2. 薄膜和厚膜集成电路

厚膜和薄膜IC比单片IC大,比分立电路小。

它们可用于高功率应用。

虽然它的尺寸有点大,但这些IC不能与晶体管和二极管集成。

此类设备必须从外部连接到其相应的引脚。可以集成电阻器和电容器等无源元件。

下面详细介绍了厚膜和薄膜IC。

虽然两种IC具有相似的外观,性质和一般特性,但它们之间的主要区别在于薄膜沉积到IC上的方式。

薄膜集成电路

该IC是通过将导电材料薄膜沉积在玻璃或陶瓷基体的表面上来制造的。

电阻器是通过控制薄膜的宽度和厚度以及使用为其电阻率选择的不同材料来制造的。

对于电容器,绝缘氧化物薄膜夹在两个导电薄膜之间。

螺旋形式的薄膜沉积到IC上以产生电感器。

主要使用两种方法来生产薄膜。

一种称为真空蒸发的方法用于将汽化材料沉积在真空中包含的基板上。

另一种方法称为阴极溅射,其中来自由所需薄膜材料制成的阴极的原子沉积在位于阴极和阳极之间的基板上。

厚膜集成电路

它们通常也被称为印刷薄膜电路。

通过使用称为丝网印刷技术的制造工艺在陶瓷物质上获得所需的电路图案。

用于印刷的油墨通常是具有电阻,导电或介电特性的材料。它们由制造商相应地选择。

筛网实际上是由细不锈钢丝网制成的。薄膜在印刷后通过将其置于高温炉中将其熔化到基材上。

用于薄膜无源元件的制造技术也用于厚膜。

与薄膜电路一样,有源元件作为单独的器件添加。下图给出了厚膜电路的一部分。

厚膜IC

图例.2 厚膜IC

与单片IC相比,厚膜和薄膜IC确实具有一些优势。

它们具有更好的容差,更好的元件间隔离以及更大的电路设计灵活性,进一步有助于提供高频性能。

但是,这些是应用此类IC必须考虑的唯一因素,因为它们的制造成本高,并且比单片IC具有更高的尺寸。

它们也不能用于制造进一步增加尺寸的活性成分。

3. 混合或多芯片集成电路

顾名思义,该电路是通过互连许多单独的芯片来制造的。

混合IC主要用于从5瓦到50瓦以上的高功率音频放大器应用。

有源元件是漫射晶体管或二极管。

无源元件可以是单芯片上的一组扩散电阻器或电容器,也可以是薄膜元件。

各个芯片之间的互连是通过布线工艺或金属化图案实现的。

混合IC

图例.3 混合IC

混合IC提供比单片IC更好的性能。

虽然该工艺对于大规模生产来说过于昂贵,但多芯片技术对于小批量生产来说非常经济,并且更常用作单片IC的原型。

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