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集成电路的发展概述

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 369次


广东工业大学 林继灿

摘要:集成电路作为信息技术的核心,已经成为影响国家经济成长与工业发展的关键因素,加强对集成电路技术现状和发展的研究,具有重要的社会意义。集成电路是世界微电子技术发展的重点,本文通过对集成电路发展规律的分析,从集成电路的技术、新产品研发和发展过程面临问题等方面,探讨集成电路的发展趋势。

关键词: 集成电路; 微电子技术; 摩尔定律; 发展趋势

 

An overview of the development of integrated circuits

Guangdong University of Technology Lin Ji Can

 

Abstract: integrated circuit as the core of information technology has become the key factors affect the country's economic growth and industrial development, strengthen the research of integrated circuit technology status and development, has important social significance. Integrated circuit is the focus of the development of microelectronic technology in the world. In this paper, the law of development of the integrated circuit analysis, from the integrated circuit technology, new product research and development process of facing problems, to explore the development trend of integrated circuit.

Key words: integrated circuit; Microelectronics; Moore; development trend

 

1 引言

由于物理学的重大突破,电子技术在20世纪取得惊人的进步,特别是近50年来,微电子技术和其他高技术的飞速发展,致使工业、农业、科技和国防等领域发生了突破性的变革。集成电路作为微电子技术的核心,是最能体现电子技术水平的产业之一,是整个信息产业和信息社会最根本的技术基础。目前,以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。随着集成电路技术的发展,集成电路不仅成为现代工农业,国防和科学技术的基础,而且将得到前所未有的发展前景。

 

2 集成电路简介

  微电子学即微型电子学,它是脱胎于电子学和固体物理学的一门交叉性的技术学科,其主要任务是研究在固体材料上构成微小型化电子电路、子系统及系统的学科。以微电子学为基础发展起来的集成电路技术包括半导体材料及器件物理,集成电路及系统的设计原理和技术,芯片加工工艺、功能和特性的测试技术等重要组成部分。所谓的集成电路就是将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件,按照一定电路“集成”在一起,完成特定的电路或功能的系统。根据处理信号的特征,集成电路基本上分为两大类:数字集成电路和模拟集成电路。数字模拟混合信号电路传统上归为模拟集成电路。简单说来,数字集成电路是处理离散信号的电路,其主要种类有微处理器、存储器、门电路、计数器、触发器、编码译码器、数字信号处理器(DSP)等。模拟集成电路是处理连续信号的电路,主要的电路种类包括放大器、数据转换器、模拟开关、滤波器、电源、模拟信号调节器等。

  集成电路技术是在应用需求的推动下,依靠一系列的创新与实践,包括与其他科学相结合的创新和生活应用创新等建立发展起来的。近几十年来,集成电路技术一直是按照摩尔定律的指数增长规律发展的。摩尔定律是Intel公司的创始人之一的Gordon E. Moore博士于1964年在总结集成电路发展趋势的基础上,对未来集成电路的发展趋势而做的预测。其基本内容是,在集成电路的单个芯片上集成的元件数,即集成电路的集成度,每18个月增加一倍,即集成度每三年翻两番,特征尺寸缩小

济的各个领域,人们在日常生活中无处不体会到信息技术带来的冲击。信息社会的进步取决于人们对信息的掌握和利用程度,而集成电路恰恰是将信息的获取、传递、处理、存储、交换等功能集成在一个小小的芯片上,而这种芯片又可以低成本、高可靠性、大批量地生产出来,且功耗低、体积小,从而可随身携带,完成各种功能,成为现代工农业、国防和科学技术的技术基础,成为影响国家经济成长与工业发展的关键因素,加强对集成电路技术现状和发展的研究,具有重要的社会意义。

   

3 集成电路的技术概述

    3.1 设计技术

        在晶体管诞生以后,集成电路技术在一系列创新工作的推动下,进入了迅速发展的阶段。这些创新在应用与实践的驱动下,不断的完善和进步。在电路设计中,会更重视系统设计、IP的开发与复用、软硬件协同设计、先进设计语言的推广等。要在一块芯片上构成完整的系统,需要各种兼容技术的支持。包括常规CMOS数字电路与存储器的兼容技术、CMOS与双极的兼容技术、高频与低频兼容技术等。设计技术的发展关系到整个集成电路的发展,比较主流的设计技术包括IP核技术和适应计算设计技术,也是目前比较有发展前途的技术。

        IP核技术是目前主流的集成电路设计技术,著名的ARM公司是全球领先的16/ 32位嵌入式RISC芯片技术方案供应商,其芯片体系已成为全球标准,超过100家著名IT企业正在使用ARM的技术,几乎所有的手机制造商都采用ARM嵌入式技术。

        适应计算设计技术使软件能有效地刷新芯片的实线电路。相对现在固定不变的常用芯片,不仅能使单个芯片实现通常需要几个芯片才能实现的功能,而且还能提高芯片速度,节约成本和提高能效。

3.2制造技术

   随着集成电路集成度的不断提高,其工艺特征尺寸越来越小,为了适应其发展速度,在芯片制造过程中不断有新技术出现。光刻、掺杂工艺、刻蚀技术等是现阶段集成电路制造技术的核心。

   芯片内部元器件的互连技术也在发展,目前已经采用铜互连技术取代原有的铝互连技术,而且铜互连技术已经成为主流技术。

   离子注入法以及传统扩散法是最为主要的掺杂技术。光刻技术已成为集成电路加工的关键工艺,在不断的发展中,光刻过程中不断改进曝光源的波长以适应更小的光刻尺寸。

3.3封装技术

   随着功能的增强和集成度的变大,单个芯片的管脚数量越来越多,要将这些不同引脚数的集成电路芯片,特别是引脚数高达数百乃至数千个I/0的集成电路芯片封装成各种用途的电子产品,并使其发挥应有的功能,就要采用各种不同的封装形式。封装技术一方面起到安装、固定、保护芯片的作用、一方面是连接芯片与外部电路的纽带。同类集成电路产品若选择不同封装技术,其性能会存在较大区别。封装技术是集成电路工艺的最后环节,也是非常重要的环节。微电子封装技术一直在不断地发展着。目前比较有发展前途的封装技术主要有DCA技术和三维封装技术。

 DCA是基板上芯片直接安装技术,由于DCA封装技术是封装家族中最小的封装,不受I/0管脚间距的束缚,其可靠性更高,而且DCA封装后可以直接在背面加装散热片,提高散热性能。

 三维封装技术可使电子产品的尺寸和重量缩小10倍,由于采用垂直互连技术,总的连线长度减小,对应的寄生效应也大为减小,能量损耗也相应减小。

 

4 集成电路的发展趋势

    4.1 器件特征尺寸不断缩小

       在新技术的推动下,集成电路自发明以来的四十年间,集成电路芯片按照Gordon E. Moore博士总结的规律发展,他总结的规律为以后集成电路的发展趋势提供了理论依据。

   集成电路的发展一直遵循摩尔定律,随着技术的发展逐渐突破原有的物理极限,出现微米到亚微米甚至超微米等情况出现。特征尺寸的减少,必将随着芯片的增大而增加集成电路的集成度,从而保证了集成电路的效率提高。

4.2 新材料、新器件和新结构不断涌现

   根据发展与需求,新材料、新结构的出现并成为集成电路的基本材料是集成电路发展的趋势。目前集成电路制造技术在有效的条件下,己在深亚微米层次上向加工细微化,硅片生产自动化、柔性化等方面进行发展。集成电路以Si/CMOS为主流科技技术应用发展的同时,新型的材料与器件不断涌现。如绝缘体上硅(SOI) ,由于SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点:可以实现集成电路中元器件的介质隔离,彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应,具有寄生电容小、集成密度高及特别适用于低压低功耗电路等优势,因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。

   在集成电路新兴器件中,采用大量的纳米技术,用一些特殊的形态纳米管代替硅在元素器件中的应用已经成为发展过程的方向。相信随着集成电路的不断发展,为满足各种发展的需求,新材料、新结构仍是发展的方向。

 

5 集成电路发展面临的问题

随着集成电路的快速发展与日益递增的竞争,很多技术很快就遭到工艺需求的淘汰,这就意味着新产品的产生必须要有技术的革新。但是,在集成电路的革新中,想更进一步的缩小特征尺寸,我们面临着很多技术方面的限制。

5.1器件物理极限的问题

  为提高性价比,在相同面积下,集成的器件数增大,特征尺寸减小。器件的最小尺寸小到一定的程度,器件的热噪声、RC延迟等达到极限,使器件不能按正常参数工作的几率增大,导致器件不稳定。

  因此,计算机或集成电路,无论采用何种器件结构和工作原理,其处理信息的过程都是一个物理过程,需要满足基本物理规律的限制。这些限制包括在电磁学、量子力学测不准关系、热力学等方面的限制,它们对信号的传输速度、器件开关转换的器件功率、器件开关引起的能量变化、集成系统能量耗散和热量产生等形成限制。这些基本的物理限制是不可逾

越的,可以说是集成电路技术的物理极限。

5.2光刻工艺的方面

   微电子器件能够达到微米亚微米的线度,全靠光刻技术的精细。集成电路的制造必须通过光刻,来将设计好的图形转移到硅片上。根据特征尺寸的减小,光刻尺寸也要不断减小。虽然,只要把光源波长的不断缩小就可以使我们得到更小的尺寸,但要实现刻蚀同样面临这困难,像离子束刻蚀,要实现刻蚀必须要将带电粒子在避免离子之间相互干扰情况下,通过掩膜板照射到涂有光刻胶的硅片表面,并且要在真空中进行。

5.3互连线延时

   随着超大规模集成电路工艺的迅速发展,人们已经能够制造越来越复杂的芯片,芯片通过千百万条互连线把晶体管连接在一起,芯片内部的互连线占整个集成电路芯片面积越来越大,导致寄生的电容、电阻电感对电路的影响变得越来越严重,由此引起的信号传播延时和串扰已成为设计极高速超大规模集成电路的一个主要考虑因素。

   K介质和铜互连技术的应用,可使问题得到一定的缓解,但问题的真正解决,还需要采用新的互连模式,如采用光互连模式。但在集成电路中实现光互连,尚有许多基础的物理和技术问题需要解决。同时,随着集成度的提高,集成在芯片上的晶体管数越来越多,电路系统的散热问题变得日益严重。系统的总功率限制很有可能成为限制芯片集成度的另一个主要因素。

 

6 结论   

 集成电路在今后的发展仍会遵循摩尔定律,特征尺寸将继续缩小,不断提高产品的性能价格比。同时,集成电路与其它技术结合,形成新的方向、新的学科或专业,不断改变着传统专业分工的格局。但对于集成电路技术的研究,仍然要面临像刻蚀技术、硅片制造技术、互连线布线等方面的困难。制造、设计,集成电路还有很长的路要走。

   

 

 

 

 

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