集成电路

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编辑次数: 6 次  更新时间: 2015-07-21 15:35:17
参考资料:
中国集成电路行业市场需求预测与投资战略规划分析报告

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。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

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。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺,把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上,然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术,主要体现在加工设备,加工工艺,封装测试,批量生产及设计创新的能力上。

综述

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。

集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用,是现代信息社会的基石。集成电路的含义,已经远远超过了其刚诞生时的定义范围,但其最核心的部分,仍然没有改变,那就是“集成”,其所衍生出来的各种学科,大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流,就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上,所形成的整体被称作集成电路。对于“集成”,想象一下我们住过的房子可能比较容易理解:很多人小时候都住过农村的房子,那时房屋的主体也许就是三两间平房,发挥着卧室的功能,门口的小院子摆上一副桌椅,就充当客厅,旁边还有个炊烟袅袅的小矮屋,那是厨房,而具有独特功能的厕所,需要有一定的隔离,有可能在房屋的背后,要走上十几米……后来,到了城市里,或者乡村城镇化,大家都住进了楼房或者套房,一套房里面,有客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台,也许只有几十平方米,却具有了原来占地几百平方米的农村房屋的各种功能,这就是集成。

当然现如今的集成电路,其集成度远非一套房能比拟的,或许用一幢摩登大楼可以更好地类比:地面上有商铺、办公、食堂、酒店式公寓,地下有几层是停车场,停车场下面还有地基——这是集成电路的布局,模拟电路和数字电路分开,处理小信号的敏感电路与翻转频繁的控制逻辑分开,电源单独放在一角。每层楼的房间布局不一样,走廊也不一样,有回字形的、工字形的、几字形的——这是集成电路器件设计,低噪声电路中可以用折叠形状或“叉指”结构的晶体管来减小结面积和栅电阻。各楼层直接有高速电梯可达,为了效率和功能隔离,还可能有多部电梯,每部电梯能到的楼层不同——这是集成电路的布线,电源线、地线单独走线,负载大的线也宽;时钟与信号分开;每层之间布线垂直避免干扰;CPU与存储之间的高速总线,相当于电梯,各层之间的通孔相当于电梯间……

特点

集成电路或称微电路(microcircuit)、 微芯片(microchip)、芯片(chip)在电子学中是一种把电路(主要包括半导体装置,也包括被动元件等)小型化的方式,并通常制造在半导体晶圆表面上。

前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动元件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

集成电路具有体积小,重量轻,引出线和焊接点少,寿命长,可靠性高,性能好等优点,同时成本低,便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用,同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备,其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍,设备的稳定工作时间也可大大提高。

分类

功能结构

集成电路,又称为IC,按其功能、结构的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号(指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等),其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号)。

制作工艺

集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。

膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。

集成度高低

集成电路按集成度高低的不同可分为:

SSIC 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)

MSIC 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits)

LSIC 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits)

VLSIC 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)

ULSIC特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)

GSIC 巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integration)。

导电类型不同

集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路,他们都是数字集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂,功耗较大,代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单,功耗也较低,易于制成大规模集成电路,代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。

按用途

集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑(微机)用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

1.电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器(CPU)集成电路、存储器集成电路等。

2.音响用集成电路包括AM/FM高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕声处理集成电路、电平驱动集成电路,电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。

3.影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。

4.录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。

5.计算机集成电路,包括中央控制单元(CPU)、内存储器、外存储器、I/O控制电路等。

6.通信集成电路

7.专业控制集成电路

按应用领域分

集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

按外形分

集成电路按外形可分为圆形(金属外壳晶体管封装型,一般适合用于大功率)、扁平型(稳定性好,体积小)和双列直插型。

简史

我国集成电路发展历史

我国集成电路产业诞生于六十年代,共经历了三个发展阶段:

1965年-1978年:以计算机和军工配套为目标,以开发逻辑电路为主要产 品,初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件

1978年-1990年:主要引进美国二手设备,改善集成电路装备水平,在“治散治乱”的同时,以消费类整机作为配套重点,较好地解决了彩电集成电路的国产化

1990年-2000年:以908工程、909工程为重点,以CAD为突破口,抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设,为信息产业服务,集成电路行业取得了新的发展。

集成电路产业是对集成电路产业链各环节市场销售额的总体描述,它不仅仅包含集成电路市场,也包括IP核市场、EDA市场、芯片代工市场、封测市场,甚至延伸至设备、材料市场。

集成电路产业不再依赖CPU、存储器等单一器件发展,移动互联、三网融合、多屏互动、智能终端带来了多重市场空间,商业模式不断创新为市场注入新活力。目前我国集成电路产业已具备一定基础,多年来我国集成电路产业所聚集的技术创新活力、市场拓展能力、资源整合动力以及广阔的市场潜力,为产业在未来5年~10年实现快速发展、迈上新的台阶奠定了基础。

检测常识

1、检测前要了解集成电路及其相关电路的工作原理

检查和修理集成电路前首先要熟悉所用集成电路的功能、内部电路、主要电气参数、各引脚的作用以及引脚的正常电压、波形与外围元件组成电路的工作原理。

2、测试避免造成引脚间短路

电压测量或用示波器探头测试波形时,避免造成引脚间短路,最好在与引脚直接连通的外围印刷电路上进行测量。任何瞬间的短路都容易损坏集成电路,尤其在测试扁平型封装的CMOS集成电路时更要加倍小心。

3、严禁在无隔离变压器的情况下,用已接地的测试设备去接触底板带电的电视、音响、录像等设备

严禁用外壳已接地的仪器设备直接测试无电源隔离变压器的电视、音响、录像等设备。虽然一般的收录机都具有电源变压器,当接触到较特殊的尤其是输出功率较大或对采用的电源性质不太了解的电视或音响设备时,首先要弄清该机底盘是否带电,否则极易与底板带电的电视、音响等设备造成电源短路,波及集成电路,造成故障的进一步扩大。

4、要注意电烙铁的绝缘性能

不允许带电使用烙铁焊接,要确认烙铁不带电,最好把烙铁的外壳接地,对MOS电路更应小心,能采用6~8V的低压电烙铁就更安全。

5、要保证焊接质量

焊接时确实焊牢,焊锡的堆积、气孔容易造成虚焊。焊接时间一般不超过3秒钟,烙铁的功率应用内热式25W左右。已焊接好的集成电路要仔细查看,最好用欧姆表测量各引脚间有否短路,确认无焊锡粘连现象再接通电源。

6、不要轻易断定集成电路的损坏

不要轻易地判断集成电路已损坏。因为集成电路绝大多数为直接耦合,一旦某一电路不正常,可能会导致多处电压变化,而这些变化不一定是集成电路损坏引起的,另外在有些情况下测得各引脚电压与正常值相符或接近时,也不一定都能说明集成电路就是好的。因为有些软故障不会引起直流电压的变化。

7、测试仪表内阻要大

测量集成电路引脚直流电压时,应选用表头内阻大于20KΩ/V的万用表,否则对某些引脚电压会有较大的测量误差。

8、要注意功率集成电路的散热

功率集成电路应散热良好,不允许不带散热器而处于大功率的状态下工作。

9、引线要合理

如需要加接外围元件代替集成电路内部已损坏部分,应选用小型元器件,且接线要合理以免造成不必要的寄生耦合,尤其是要处理好音频功放集成电路和前置放大电路之间的接地端。

发展趋势

2001年到2010年这10年间,我国集成电路产量的年均增长率超过25%,集成电路销售额的年均增长率则达到23%。2010年国内集成电路产量达到640亿块,销售额超过1430亿元,分别是2001年的10倍和8倍。中国集成电路产业规模已经由2001年不足世界集成电路产业总规模的2%提高到2010年的近9%。中国成为过去10年世界集成电路产业发展最快的地区之一。

国内集成电路市场规模也由2001年的1140亿元扩大到2010年的7350亿元,扩大了6.5倍。国内集成电路产业规模与市场规模之比始终未超过20%。如扣除集成电路产业中接受境外委托代工的销售额,则中国集成电路市场的实际国内自给率还不足10%,国内市场所需的集成电路产品主要依靠进口。近几年国内集成电路进口规模迅速扩大,2010年已经达到创纪录的1570亿美元,集成电路已连续两年超过原油成为国内最大宗的进口商品。与巨大且快速增长的国内市场相比,中国集成电路产业虽发展迅速但仍难以满足内需要求。

当前以移动互联网、三网融合、物联网、云计算、智能电网、新能源汽车为代表的战略性新兴产业快速发展,将成为继计算机、网络通信、消费电子之后,推动集成电路产业发展的新动力。工信部预计,国内集成电路市场规模到2015年将达到12000亿元。

我国集成电路产业发展的生态环境亟待优化,设计、制造、封装测试以及专用设备、仪器、材料等产业链上下游协同性不足,芯片、软件、整机、系统、应用等各环节互动不紧密。“十二五”期间,中国将积极探索集成电路产业链上下游虚拟一体化模式,充分发挥市场机制作用,强化产业链上下游的合作与协同,共建价值链。培育和完善生态环境,加强集成电路产品设计与软件、整机、系统及服务的有机连接,实现各环节企业的群体跃升,增强电子信息大产业链的整体竞争优势。

发展对策建议

1.创新性效率超越传统的成本性静态效率

从理论上讲,商务成本属于成本性的静态效率范畴,在产业发展的初级阶段作用显著。外部商务成本的上升实际上是产业升级、创新驱动的外部动力。作为高新技术产业的上海集成电路产业,需要积极利用产业链完备、内部结网度较高、与全球生产网络有机衔接等集群优势,实现企业之间的互动共生的高科技产业机体的生态关系,有效保障并促进产业创业、创新的步伐。事实表明,20世纪80年代,虽然硅谷的土地成本要远高于128公路地区,但在硅谷建立的半导体公司比美国其他地方的公司开发新产品的速度快60%,交运产品的速度快40%。具体而言,就是硅谷地区的硬件和软件制造商结成了紧密的联盟,能最大限度地降低从创意到制造出产品等相关过程的成本,即通过技术密集关联为基本的动态创业联盟,降低了创业成本,从而弥补了静态的商务成本劣势。

2.准确的产品与市场定位

许多归国创业的设计人才认为,中国的消费者是世界上最好的衣食父母,与欧美发达国家相比,我们的消费者对新产品充满好奇,一般不退货,基本无赔偿。这些特点为设计企业的创业、创新与发展提供了良好的市场机遇。企业要善于去发现产品应用,寻找市场 。

设计公司扩张主要是受限于人才与产品定位。由于在人才团队、市场和产品定义方面的不足,初创公司不可能做大项目,不适合于做集聚型大项目。现有的大多数设计企业还是适合于分散型市场,主动去支持系统厂商,提供大量的服务。人力密集型业务项目不适合欧美公司,更适合我们。例如,在国内市场上,如果一个产品能出货300万颗,那么公司就会去做,国外企业则不可能去做它。

3.打造国际精英人才的“新故乡”,充分发挥海归人才优势

海归人才在国外做了很多超前的技术开发研究,并且在全球一些顶尖公司内有产业经验,回国后从事很有需求的产品开发应用,容易成功。集成电路产业的研发就怕方向性错误与低水平重复,海归人才知道如何去做才能够成功 。

“归国人才团队+海外工作经验+优惠政策扶持+风险投资”式上海集成电路产业发展的典型模式,这在张江高科技园区尤为明显。然而,由于国际社区建设滞后、户籍政策限制、个人所得税政策缺乏国际竞争力等多方面原因综合作用,张江仍然没有成为海外高级人才的安家落户、长期扎根的开放性、国际性高科技园区。留学生短期打算、“做做看”的“候鸟”观望气氛浓厚,不利于全球高级人才的集聚。要充分发挥张江所处的区位优势以及浦东综合

配套改革试点的政策优势,将单纯吸引留学生变为吸引留学生、国外精英等高层次人才。通过科学城建设以及个人所得税率的国际化调整、落户政策的优化,发挥上海“海派文化”传统,将张江建设成为世界各国人才汇集、安居乐业的新故乡,大幅提升张江在高层次人才争夺中的国际竞争力 。

4.重在积累,克服急功近利

设计业的复杂度很高,需要强大的稳定的团队、深厚的积累。积累是一个不可逾越的发展过程。中国集成电路产业的发展如同下围棋,不能只争一时之短长,要比谁的气长,而不是谁的空多。

集成电力产业人才尤其是设计人才供给问题长期以来是舆论界关注的热点,许多高校在专业与设置、人才培养方面急功近利,片面追随所谓社会热点和学业对口,导致学生的基本综合素质和人文科学方面的素养不够高,知识面过窄。事实上,众多设计企业普遍反映,他们招聘人才的标准并非是单纯的所谓专业对口,而是更注重基础知识和综合素质,他们普遍反映高校的教育太急功近利了。

5.促进企业间合作,促进产业链合作

国内企业之间的横向联系少,外包刚刚起步,基本上每个设计企业都有自己的芯片,都在进行全面发展。这些因素都限制了企业的快速发展。要充分运用华南一些企业为国外做的解决方案,这样终端客户就可以直接将公司产品运用到原有解决方案上去。此外,设计企业要与方案商、通路商、系统厂商形成紧密的战略合作伙伴关系。

6.摒弃理想化的产学研模式

产学研一体化一直被各界视为促进高新技术产业发展的良方,但实地调研结果暴露出人们在此方面存在着不切实际的幻想。笔者所调研的众多设计企业对高校帮助做产品不抱任何指望。公司项目要求的进度快,存在合作的时间问题;高校一般不具备可以使工厂能更有效利用厂房空间,也适用于研发中心的使用。新开发的空冷系统减少了对外部设施的依赖,可在任意位置安装设置,同时继续支持符合STC标准的各种T2000模块,满足各种测试的需要。

其他信息

晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化IC 代替了设计使用离散晶体管。

IC 对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm2,每mm2可以达到一百万个晶体管。

第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。

根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:

1.小规模集成电路

SSI 英文全名为 Small Scale Integration, 逻辑门10个以下 或 晶体管 100个以下。

2.中规模集成电路

MSI 英文全名为 Medium Scale Integration, 逻辑门11~100个 或 晶体管 101~1k个。

3.大规模集成电路

LSI 英文全名为 Large Scale Integration, 逻辑门101~1k个 或 晶体管 1,001~10k个。

4.超大规模集成电路

VLSI 英文全名为 Very large scale integration, 逻辑门1,001~10k个 或 晶体管 10,001~100k个。

5.甚大规模集成电路

ULSI 英文全名为 Ultra Large Scale Integration, 逻辑门10,001~1M个 或 晶体管 100,001~10M个。

GLSI 英文全名为 Giga Scale Integration, 逻辑门1,000,001个以上 或 晶体管10,000,001个以上。

而根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路、和兼具模拟与数字的混合信号集成电路。

集成电路发展

最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的"核心(cores)",可以控制电脑到手机到数字微波炉的一切。存储器和ASIC是其他集成电路家族的例子,对于现代信息社会非常重要。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个IC的成本最小化。IC的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。

这些年来,IC 持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能-见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每两年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了-单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC不是没有问题,主要是泄漏电流(leakage current)。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图(ITRS)中有很好的描述。

越来越多的电路以集成芯片的方式出现在设计师手里,使电子电路的开发趋向于小型化、高速化。越来越多的应用已经由复杂的模拟电路转化为简单的数字逻辑集成电路。

IC的普及

仅仅在其开发后半个世纪,集成电路变得无处不在,电脑,手机和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分。这是因为,现代计算,交流,制造和交通系统,包括互联网,全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。

IC的分类

集成电路的分类方法很多,依照电路属模拟或数字,可以分为:模拟集成电路、数字集成电路和混合信号集成电路(模拟和数字在一个芯片上)。

数字集成电路可以包含任何东西,在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门,触发器,多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比,有更高速度,更低功耗并降低了制造成本。这些数字IC, 以微处理器,数字信号处理器(DSP)和单片机为代表,工作中使用二进制,处理1和0信号。

模拟集成电路有,例如传感器,电源控制电路和运放,处理模拟信号。完成放大,滤波,解调,混频的功能等。通过使用专家所设计、具有良好特性的模拟集成电路,减轻了电路设计师的重担,不需凡事再由基础的一个个晶体管处设计起。

IC可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上,以做出如模拟数字转换器(A/D converter)和数字模拟转换器(D/A converter)等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本,但是对于信号冲突必须小心。

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