第三節(jié)   常用IC

一般意義上講，集成塊就是指集成電路，集成塊是集成電路的實體，也是集成電路的通俗叫法。從字面意思來講，集成電路是一種電路形式，而集成塊則是集成電路的實物反映。

1948年，貝爾實驗室的威廉·肖克利(William Shockley)和兩位同事發(fā)明了晶體管，它可以代替真空管放大電子信號，使電子設備向輕變化、高效化發(fā)展。肖克利因此被譽為“晶體管之父”，并因此獲得了1956年度的諾貝爾物理學獎。這是電子技術的一次重大革新。杰克·基爾比當時24歲，剛剛獲得伊利諾斯大學的電子工程學士學位。他在自述中說：“在大學里，我的大部分課程都是有關電力方面的，但因為我童年時對于電子技術的興趣，我也選修了一些電子管技術方面的課程。我畢業(yè)于1947年，正好是貝爾實驗室宣布發(fā)明了晶體管的前一年，這意味著我的電子管技術課程將要全部作廢?！?/p>

然而問題還沒有完全解決，應用晶體管組裝的電子設備還是太笨重了。顯然，個人擁有計算機，仍然是一個遙不可及的夢想。

科技總是在一個個夢想的驅(qū)動下前進。1952年，英國雷達研究所的G·W·A·達默首先提出了集成電路的構想：把電子線路所需要的晶體三極管、晶體二極管和其它元件全部制作在一塊半導體晶片上。雖然從對杰克·基爾比的自述中我們看不出這一構想對他是否有影響，但我們也能感受到，微電子技術的概念即將從工程師們的思維里噴薄而出。

世界上第一塊集成電路誕生。

1947年，伊利諾斯大學畢業(yè)生杰克·基爾比懷著對電子技術的濃厚興趣，在威斯康星州的密爾瓦基找了份工作，為一個電子器件供應商制造收音機、電視機和助聽器的部件。工余時間，他在威斯康星大學上電子工程學碩士班夜校。當然，工作和上課的雙重壓力對基爾比來說可算是一個挑戰(zhàn)，但他說：“這件事能夠做到，且它的確值得去努力?！?/p>

取得碩士學位后，基爾比與妻子遷往德克薩斯州的達拉斯市，供職于德州儀器公司，因為它是惟一允許他差不多把全部時間用于研究電子器件微型化的公司，給他提供了大量的時間和不錯的實驗條件。基爾比生性溫和，寡言少語，加上6英尺6英寸的身高，被助手和朋友稱作“溫和的巨人”。正是這個不善于表達的巨人醞釀出了一個巨人式的構思。

當時的德州儀器公司有個傳統(tǒng)，炎熱的8月里員工可以享受雙周長假。但是，初來乍到的基爾比卻無緣長假，只能待在冷清的車間里獨自研究。在這期間，他漸漸形成一個天才的想法：電阻器和電容器（無源元件）可以用與晶體管（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塊材料制造，那么這些部件可以先在同一塊材料上就地制造，再相互連接，最終形成完整的電路。他選用了半導體硅。

“我坐在桌子前，待的時間好像比平常晚一點。”他在1980年接受采訪時回憶說，“整個構想其實在當天就已大致成形，接著我將所有想法整理出來，并在筆記本上畫出了一些設計圖。等到主管回來后，我就將這些設計圖拿給他看。當時雖然有些人略有懷疑，但他們基本上都了解這項設計的重要性?！?/p>

于是，我們回到文章開頭的那一幕，那一天，公司的主管來到實驗室，和這個巨人一起接通了測試線路。試驗成功了。德州儀器公司很快宣布他們發(fā)明了集成電路，基爾比為此申請了專利。

集成電路發(fā)明的意義：

開創(chuàng)了硅時代

當時，他也許并沒有真正意識到這項發(fā)明的價值。在獲得諾貝爾獎后，他說：“我知道我發(fā)明的集成電路對于電子產(chǎn)業(yè)非常重要，但我從來沒有想到它的應用會像今天這樣廣泛?！?/p>

集成電路取代了晶體管，為開發(fā)電子產(chǎn)品的各種功能鋪平了道路，并且大幅度降低了成本，第三代電子器件從此登上舞臺。它的誕生，使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，也使計算機變成普通人可以親近的日常工具。集成技術的應用，催生了更多方便快捷的電子產(chǎn)品，比如常見的手持電子計算器，就是基爾比繼集成電路之后的一個新發(fā)明。直到今天，硅材料仍然是我們電子器件的主要材料。所以，2000年，集成電路問世42年以后，人們終于了解到他和他的發(fā)明的價值，他被授予了諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎評審委員會曾經(jīng)這樣評價基爾比：“為現(xiàn)代信息技術奠定了基礎”。

1959年，仙童半導體公司的羅伯特·羅伊斯申請了更為復雜的硅集成電路，并馬上投入了商業(yè)領域。但基爾比首先申請了專利，因此，羅伊斯被認為是集成電路的共同發(fā)明人。羅伊斯于1990年去世，與諾貝爾獎擦肩而過。

杰克·基爾比相當謙遜，他一生擁有六十多項專利，但在獲獎發(fā)言中，他說：“我的工作可能引入了看待電路部件的一種新角度，并開創(chuàng)了一個新領域，自此以后的多數(shù)成果和我的工作并無直接聯(lián)系。”

集成電路得歷史變革：

1958年9月12日，基爾比研制出世界上第一塊集成電路，成功地實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構想，并通過了德州儀器公司高層管理人員的檢查。請記住這一天，集成電路取代了晶體管，為開發(fā)電子產(chǎn)品的各種功能鋪平了道路，并且大幅度降低了成本，使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，開創(chuàng)了電子技術歷史的新紀元，讓我們現(xiàn)在習以為常一切電子產(chǎn)品的出現(xiàn)成為可能。

回顧集成電路的發(fā)展歷程，我們可以看到，自發(fā)明集成電路至今40多年以來，'從電路集成到系統(tǒng)集成'這句話是對IC產(chǎn)品從小規(guī)模集成電路（SSI）到今天特大規(guī)模集成電路（ULSI）發(fā)展過程的最好總結(jié)，即整個集成電路產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的板上系統(tǒng)（System-on-board）到片上系統(tǒng)（System-on-a-chip）的過程。在這歷史過程中，世界IC產(chǎn)業(yè)為適應技術的發(fā)展和市場的需求，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構經(jīng)歷了三次變革。

第一次變革：以加工制造為主導的IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級階段。

70年代，集成電路的主流產(chǎn)品是微處理器、存儲器以及標準通用邏輯電路。這一時期IC制造商（IDM）在IC市場中充當主要角色，IC設計只作為附屬部門而存在。這時的IC設計和半導體工藝密切相關。IC設計主要以人工為主，CAD系統(tǒng)僅作為數(shù)據(jù)處理和圖形編程之用。IC產(chǎn)業(yè)僅處在以生產(chǎn)為導向的初級階段。

第二次變革：Foundry公司與IC設計公司的崛起。80年代，集成電路的主流產(chǎn)品為微處理器（MPU）、微控制器（MCU）及專用IC（ASIC）。這時，無生產(chǎn)線的IC設計公司（Fabless）與標準工藝加工線（Foundry）相結(jié)合的方式開始成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新模式。

隨著微處理器和PC機的廣泛應用和普及（特別是在通信、工業(yè)控制、消費電子等領域），IC產(chǎn)業(yè)已開始進入以客戶為導向的階段。一方面標準化功能的IC已難以滿足整機客戶對系統(tǒng)成本、可靠性等要求，同時整機客戶則要求不斷增加IC的集成度，提高保密性，減小芯片面積使系統(tǒng)的體積縮小，降低成本，提高產(chǎn)品的性能價格比，從而增強產(chǎn)品的競爭力，得到更多的市場份額和更豐厚的利潤；另一方面，由于IC微細加工技術的進步，軟件的硬件化已成為可能，為了改善系統(tǒng)的速度和簡化程序，故各種硬件結(jié)構的ASIC如門陣列、可編程邏輯器件（包括FPGA）、標準單元、全定制電路等應運而生，其比例在整個IC銷售額中1982年已占12%；其三是隨著EDA工具（電子設計自動化工具）的發(fā)展，PCB設計方法引入IC設計之中，如庫的概念、工藝模擬參數(shù)及其仿真概念等，設計開始進入抽象化階段，使設計過程可以獨立于生產(chǎn)工藝而存在。有遠見的整機廠商和創(chuàng)業(yè)者包括風險投資基金（VC）看到ASIC的市場和發(fā)展前景，紛紛開始成立專業(yè)設計公司和IC設計部門，一種無生產(chǎn)線的集成電路設計公司（Fabless）或設計部門紛紛建立起來并得到迅速的發(fā)展。同時也帶動了標準工藝加工線（Foundry）的崛起。全球第一個Foundry工廠是1987年成立的臺灣積體電路公司，它的創(chuàng)始人張忠謀也被譽為'晶芯片加工之父'。

第三次變革：'四業(yè)分離'的IC產(chǎn)業(yè)90年代，隨著INTERNET的興起，IC產(chǎn)業(yè)跨入以競爭為導向的高級階段，國際競爭由原來的資源競爭、價格競爭轉(zhuǎn)向人才知識競爭、密集資本競爭。以DRAM為中心來擴大設備投資的競爭方式已成為過去。如1990年，美國以Intel為代表，為抗爭日本躍居世界半導體榜首之威脅，主動放棄DRAM市場，大搞CPU，對半導體工業(yè)作了重大結(jié)構調(diào)整，又重新奪回了世界半導體霸主地位。這使人們認識到，越來越龐大的集成電路產(chǎn)業(yè)體系并不有利于整個IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展，'分'才能精，'整合'才成優(yōu)勢。于是，IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構向高度專業(yè)化轉(zhuǎn)化成為一種趨勢，開始形成了設計業(yè)、制造業(yè)、封裝業(yè)、測試業(yè)獨立成行的局面（如下圖所示），近年來，全球IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越顯示出這種結(jié)構的優(yōu)勢。如臺灣IC業(yè)正是由于以中小企業(yè)為主，比較好地形成了高度分工的產(chǎn)業(yè)結(jié)構，故自1996年，受亞洲經(jīng)濟危機的波及，全球半導體產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)生產(chǎn)過剩、效益下滑，而IC設計業(yè)卻獲得持續(xù)的增長。

特別是96、97、98年持續(xù)三年的DRAM的跌價、MPU的下滑，世界半導體工業(yè)的增長速度已遠達不到從前17%的增長值，若再依靠高投入提升技術，追求大尺寸硅片、追求微細加工，從大生產(chǎn)中來降低成本，推動其增長，將難以為繼。而IC設計企業(yè)更接近市場和了解市場，通過創(chuàng)新開發(fā)出高附加值的產(chǎn)品，直接推動著電子系統(tǒng)的更新?lián)Q代；同時，在創(chuàng)新中獲取利潤，在快速、協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎上積累資本，帶動半導體設備的更新和新的投入；IC設計業(yè)作為集成電路產(chǎn)業(yè)的'龍頭'，為整個集成電路產(chǎn)業(yè)的增長注入了新的動力和活力.

IC封裝:

我們經(jīng)常聽說某某芯片采用什么什么的封裝方式，在我們的電腦中，存在著各種各樣不同處理芯片，那么，它們又是是采用何種封裝形式呢？并且這些封裝形式又有什么樣的技術特點以及優(yōu)越性呢？那么就請看看下面的這篇文章，將為你介紹個中芯片封裝形式的特點和優(yōu)點。

一、DIP雙列直插式封裝

DIP(DualIn－line Package)是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構的芯片插座上。當然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特別小心，以免損壞引腳。

DIP封裝具有以下特點：

1.適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便。

2.芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。

Intel系列CPU中8088就采用這種封裝形式，緩存(Cache)和早期的內(nèi)存芯片也是這種封裝形式。

二、QFP塑料方型扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝

QFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設備技術）將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點，即可實現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。

PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區(qū)別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長方形。

QFP/PFP封裝具有以下特點：

1.適用于SMD表面安裝技術在PCB電路板上安裝布線。

2.適合高頻使用。

3.操作方便，可靠性高。

4.芯片面積與封裝面積之間的比值較小。

Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用這種封裝形式。

三、PGA插針網(wǎng)格陣列封裝

PGA(Pin Grid Array Package)芯片封裝形式在芯片的內(nèi)外有多個方陣形的插針，每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據(jù)引腳數(shù)目的多少，可以圍成2-5圈。安裝時，將芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸，從486芯片開始，出現(xiàn)一種名為ZIF的CPU插座，專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。

ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起，CPU就可很容易、輕松地插入插座中。然后將扳手壓回原處，利用插座本身的特殊結(jié)構生成的擠壓力，將CPU的引腳與插座牢牢地接觸，絕對不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU芯片只需將插座的扳手輕輕抬起，則壓力解除，CPU芯片即可輕松取出。

PGA封裝具有以下特點：

1.插拔操作更方便，可靠性高。

2.可適應更高的頻率。

Intel系列CPU中，80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。

四、BGA球柵陣列封裝

隨著集成電路技術的發(fā)展，對集成電路的封裝要求更加嚴格。這是因為封裝技術關系到產(chǎn)品的功能性，當IC的頻率超過100MHz時，傳統(tǒng)封裝方式可能會產(chǎn)生所謂的“CrossTalk”現(xiàn)象，而且當IC的管腳數(shù)大于208 Pin時，傳統(tǒng)的封裝方式有其困難度。因此，除使用QFP封裝方式外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片（如圖形芯片與芯片組等）皆轉(zhuǎn)而使用BGA(Ball Grid Array Package)封裝技術。BGA一出現(xiàn)便成為CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。

BGA封裝技術又可詳分為五大類：

1.PBGA（Plasric BGA）基板：一般為2-4層有機材料構成的多層板。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV處理器均采用這種封裝形式。

2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡稱FC）的安裝方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式。

3.FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬質(zhì)多層基板。

4.TBGA（TapeBGA）基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板。

5.CDPBGA（Carity Down PBGA）基板：指封裝中央有方型低陷的芯片區(qū)（又稱空腔區(qū)）。

BGA封裝具有以下特點：

1.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳之間的距離遠大于QFP封裝方式，提高了成品率。

2.雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善電熱性能。

3.信號傳輸延遲小，適應頻率大大提高。

4.組裝可用共面焊接，可靠性大大提高。

BGA封裝方式經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)進入實用化階段。1987年，日本西鐵城（Citizen）公司開始著手研制塑封球柵面陣列封裝的芯片（即BGA）。而后，摩托羅拉、康柏等公司也隨即加入到開發(fā)BGA的行列。1993年，摩托羅拉率先將BGA應用于移動電話。同年，康柏公司也在工作站、PC電腦上加以應用。直到五六年前，Intel公司在電腦CPU中（即奔騰II、奔騰III、奔騰IV等），以及芯片組（如i850）中開始使用BGA，這對BGA應用領域擴展發(fā)揮了推波助瀾的作用。目前，BGA已成為極其熱門的IC封裝技術，其全球市場規(guī)模在2000年為12億塊，預計2005年市場需求將比2000年有70%以上幅度的增長。

五、CSP芯片尺寸封裝

隨著全球電子產(chǎn)品個性化、輕巧化的需求蔚為風潮，封裝技術已進步到CSP(Chip Size Package)。它減小了芯片封裝外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封裝尺寸就有多大。即封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍，IC面積只比晶粒（Die）大不超過1.4倍。

CSP封裝又可分為四類：

1.Lead Frame Type(傳統(tǒng)導線架形式)，代表廠商有富士通、日立、Rohm、高士達（Goldstar）等等。

2.Rigid Interposer Type(硬質(zhì)內(nèi)插板型)，代表廠商有摩托羅拉、索尼、東芝、松下等等。

3.Flexible Interposer Type(軟質(zhì)內(nèi)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。其他代表廠商包括通用電氣（GE）和NEC。

4.Wafer Level Package(晶圓尺寸封裝)：有別于傳統(tǒng)的單一芯片封裝方式，WLCSP是將整片晶圓切割為一顆顆的單一芯片，它號稱是封裝技術的未來主流，已投入研發(fā)的廠商包括FCT、Aptos、卡西歐、EPIC、富士通、三菱電子等。

CSP封裝具有以下特點：

1.滿足了芯片I/O引腳不斷增加的需要。

2.芯片面積與封裝面積之間的比值很小。

3.極大地縮短延遲時間。

CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品。未來則將大量應用在信息家電（IA）、數(shù)字電視（DTV）、電子書（E-Book）、無線網(wǎng)絡WLAN/GigabitEthemet、ADSL/手機芯片、藍芽（Bluetooth）等新興產(chǎn)品中。

六、MCM多芯片模塊

為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術組成多種多樣的電子模塊系統(tǒng)，從而出現(xiàn)MCM(Multi Chip Model)多芯片模塊系統(tǒng)。

MCM具有以下特點：

1.封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)模塊高速化。

2.縮小整機/模塊的封裝尺寸和重量。

3.系統(tǒng)可靠性大大提高。

杰克·基爾比生平

教育背景：

1947年，電子工程學士，伊利諾斯大學

1950年，電子工程碩士，威斯康星大學，德克薩斯州

職業(yè)經(jīng)歷：

1947年～1958年 中央實驗室，威斯康星州，密爾瓦基

1958年～1970年 德州儀器公司，德克薩斯州，達拉斯

1970年11月 自德州儀器公司離職，但繼續(xù)為其擔任兼職顧問

1978年～1984年 德克薩斯農(nóng)工大學，電機工程學特聘教授