第1章 绪论.docx

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第1章绪论

第1章绪论

模块概要：

一、学习目标

1、了解集成电路的发展历程、技术发展趋势及其应用前景。

2、熟悉集成电路的设计流程、设计方法及其制造途径。

3、认识集成电路的设计工具，学会集成电路应具备的知识。

二、学习指南

通过网络、图书馆、书店等，收集、查找资料，了解集成电路设计专业的有关情况，从而掌握本行业的相关背景知识。

三、知识内容

集成电路诞生和发展

认识集成电路及其产品、集成电路诞生、集成电路发展及特点、集成电路技术发展趋势。

集成电路设计制造途径

无生产线设计与代工模式、芯片工程与多项目晶圆计划。

集成电路分类

按基片材料分类、按器件类型分类、按电路功能分类、按电路规模（集成度）分类、按实现

方法分类、按应用领域分类。

集成电路设计流程与设计方法

集成电路设计流程：

模拟集成电路设计流程、数字集成电路设计流程

集成电路设计方法：

自底向上设计和自顶向下设计、正向设计和逆向设计

集成电路CAD/EDA设计工具

IC制造的TCAD工具、IC设计的EDA工具

集成电路的知识范围

系统知识、电路知识、工具知识、工艺知识

四、练习

1．按规模划分，集成电路的发展经历了哪几代？

它的发展遵循了业界哪条著名的定律？

请

答案：

晶体管-分立元件-SSI-MSI-LSI-VLSI-ULSI-GSI-SOC。

摩尔定律

2.集成电路发展的特点是特征尺寸越来越、晶圆尺寸越来越、单片上的晶体管数越来越、时钟速度越来越、电源电压越来越、布线层数越来越、I/O引线越来越。

答案：

小、大、多、快、低、多、多

3.什么是无生产线集成电路设计？

列出无生产线集成电路设计的特点和环境。

答案：

拥有设计人才和技术，但不拥有生产线。

特点：

电路设计、工艺制造和封装分立运行。

环境：

IC产业生产能力剩余，人们需要更多的功能芯片设计。

4．简述F&F模式的设计流程。

答案：

（1）代工单位将一套工艺设计文件（PDK）交付给设计单位；

（2）设计单位完成设计后，将版图文件交付给代工单位；

（3）代工单位根据版图文件，加工生产出芯片，交付给设计单位；

（4）设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。

若达到技术要求，投入系统应用；若达不到技术要求，修改设计，重新加工。

5．集成电路设计的知识范围有哪四个方面？

答案：

系统，电路，工具，工艺方面的知识。

五、实践

六、作业

上网查资料：

IC产业现状

七、案例

八、测验（以下删除，已插入各知识点中）

1.世界上第一块集成电路是美国科学家和共同发明的。

答案：

基尔比和诺伊斯

2.“摩尔定律”是指。

答案：

芯片的集成度，每18-24个月翻两番，且呈指数增长

3.集成电路按实现方法可分为、和。

答案：

全定制、半定制、可编程逻辑器件

4.集成电路的设计方法有、以及、。

答案：

自底向上、自顶向下；正向设计、逆向设计

5.目前世界三大CAD/EDA供应商是、、公司。

答案：

Cadence、Synopsys、MentorGraphics公司

九、常见问题

对本专业认识模糊，定位不准确，不了解行业状况；由于本专业涉及的知识面广，专业性强，学习难度大，就业面窄，导致学生产生悲观畏难情绪。

应该引导学生正确认识本专业情况，了解本行业的重要性和人才的短缺性，教导学生努力学习才能达到目标。

一十、知识结构

十一、参考资料目录

1.林丰成，竺红卫，李立编著.数字集成电路设计与技术.北京：

科学出版社，2008.10.

2.何乐年，王忆编著.模拟集成电路设计与仿真.北京：

科学出版社，2008.8.

3.孙肖子主编,孙肖子，张健康，张犁等编著.CMOS集成电路设计基础（第二版）.北京：

高等教育出版社，2008.12.

4.韩雁，韩晓霞，丁扣宝编著.集成电路设计CAD/EDA工具实用教程.北京：

机械出版社，2010.9.

知识点1：

一、内容

1、认识集成电路及其产品

各种封装的集成电路芯片图：

双列直插式、BGA、管壳式封装等。

芯片内部的集成电路：

集成电路显微照片，包括芯片键合、芯片内部的集成电路版图。

集成电路的应用产品：

电脑、智能手机、平板电脑、U盘、CD卡、移动硬盘、MP5、液晶电视、数码照/录像机、GPS等等

2、集成电路诞生

爱迪生效应

1883年，美国科学家爱迪生（ThomasAlvaEdlson）在寻找电灯泡最佳灯丝材料时，发现了“热电子发射现象”。

爱迪生没有重视这个现象，只是申报了一个未找到任何用途的专利，称为“爱迪生效应”。

然而，它具有十分重要的实际应用价值。

电子管的发明

英国物理学家、电气工程师弗莱明（J.Fleming）利用爱迪生效应，发明了真空二极管，它是世界上第一只电子管，标志着人类进入了电子时代。

1906年，美国科学家李·德·福雷斯特（LeedeForest），在真空二极管的基础上发明了真空三极管，使电子管成为能广泛应用的电子器件。

电子管主要用在无线电装置里，它为通讯、广播、电视等技术发展铺平了道路。

同时，电子管也受到计算机研究者的青睐，促使计算机跨进了电子时代。

晶体管的发明

1947年，美国贝尔实验室（BellLab）肖克莱（WilliamShockley）、布拉顿（WalterBrattain）、巴丁（JohnBardeen）等人的半导体研究小组，制造了“点接触型锗晶体管”，世界上最早的实用半导体器件终于问世。

1950年，第一只“PN结型晶体管”问世，直至今天，晶体管大部分仍是这种PN结型。

晶体管出现后，人们就能用一个小巧、功耗低的晶体管来代替体积大、功耗大的电子管了。

1956年，肖克莱、布拉顿、巴丁三人，因发明晶体管荣获诺贝尔物理学奖。

晶体管被认为是“20世纪最重要的发明”，是微电子学的一个里程碑，为集成电路的出现吹响了号角。

集成电路的发明

1958年，美国物理学家基尔比（JackS.Kilby），在德克萨斯仪器公司（TexasInstrumentInc）研究设备的微型化时，在半导体锗片上制作了“相移振荡器”，即第一块集成电路，1960年制造出第一个商用集成电路。

2000年，77岁的基尔比获得诺贝尔物理学奖，这个奖距离他的发明已经42年。

美国物理学家诺伊斯（RobertNortonNoyce）成立了仙童公司（FairchildSemiconductor），1958年，在诺伊斯的主持下，使用一种平面工艺，在半导体硅片上把同样的晶体管重复排列，彼此相连，制造出集成电路。

集成电路是美国物理学家基尔比和诺伊斯两人各自独立发明的，先后仅隔数月，都拥有发明专利权，两人成为微电子学创始人，获得美国“巴伦坦奖章”。

第一块集成电路的诞生，给电子产业带来了一场革命，第三代电子器件从此登上舞台，标志着世界进入集成电路时代。

它为无数发明铺平了道路，催生了更多方便快捷的电子产品，使微处理器出现成为可能，促进了微型计算机的产生。

3、集成电路发展及特点

摩尔定律

戈登·摩尔（GordonMoore）英特尔公司（Intel）的创始人之一。

“摩尔定律”是指芯片上晶体管数目每隔18个月翻一番或每两三年翻两番。

自1965年，摩尔定律所阐述的这个趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确。

摩尔定律归纳了信息技术进步的速度，40多年中，半导体芯片的集成化趋势正如摩尔的预测，推动了整个信息产业技术的发展，产生了深刻影响。

信息技术专家们认为，在以后摩尔定律”可能还会适用，但随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头。

集成电路发展

集成电路（IntergratedCircuit，IC）：

通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓等）或陶瓷等基片上，作为一个整体封装在一起，以执行特定功能的电路组件。

集成电路发展简史：

1947年，美国贝尔实验室肖克莱等发明点接触晶体管，标志着微电子技术发展的第一个里程碑。

1950年，成功研制出结型晶体管。

1951年，发明场效应晶体管。

1952年，英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路”的设想。

1958年，德州仪器公司基尔比与仙童公司诺伊斯发明集成电路，开创了微电子学历史。

1960年，成功制造第一块MOS集成电路。

1963年，F.M.Wanlass和C.T.Sah提出CMOS技术，如今95%集成电路芯片是基于CMOS工艺。

1966年，美国RCA公司研制出CMOS集成电路并研制出第一块门阵列（50门）。

集成电路从1961年开始，经历了：

小规模（SSI）→中规模（MSI）→大规模（LSI）→超大规模（VLSI）→甚大规模（ULSI）→极大规模（GLSI）→片上系统（SoC）。

集成电路发展的特点：

•特征尺寸越来越小（0.1μｍ）

•晶圆尺寸越来越大（8～12英寸）

•单片上的晶体管数越来越多（>2000K）

•时钟速度越来越快（>500MHZ）

•电源电压越来越低（1V）

•布线层数越来越多（9层）

•I/O引线越来越多（>1200）

4、集成电路技术发展趋势

特征尺寸向深亚微米发展

微米→亚微米→深亚微米，目前主流工艺是0.35/0.25/0.18µm，0.15/0.13µm走向规模化生产，90nm/65nm工艺正在推出（最先进），45nm未完全成熟。

晶圆尺寸增加

晶圆尺寸有2～12英寸，当前主流晶圆尺寸为8英寸，正在向12英寸晶圆迈进。

电路规模、复杂度和集成度不断提高

CPU（P4）已超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。

SSI→SoC，片上系统（SoC）成为开发目标。

MEMS技术（片上机电一体化）和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术。

电路速度不断提高

采用0.13µmCMOS工艺实现的CPU主时钟频率已超过2GHz；超高速数字电路速率已超过10Gbit/s；射频电路的最高工作频率已超过6GHz。

电路设计能力落后于工艺制造能力

集成电路器件制造能力每年增长58%，而电路设计能力每年只增长21%，电路设计能力明显落后于器件制造能力，且其鸿沟呈现越来越宽的趋势。

工艺线投资费用越来越高

目前一条8英寸0.35µm工艺线的投资约20亿美元，而在几年内一条12英寸0.09µm工艺线的投资将超过100亿美元。

如此巨额的投资已非单独一个公司，甚至一个发展中国家所能单独负担的。

IC设计和制造分立运行，走向无生产线设计与代工制造（F&F）模式

工艺线投资的高成本和设计能力的普遍落后，导致多数工艺线走向代工（带客户加工，Foundry）的经营道路。

电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线（Fabless）和无芯片（Chipless）集成电路设计提供了条件，走向了无生产线设计（Fabless）与代工制造（Foundry）的F&F模式，为微电子领域发展提供了条件。

二、教学录像

三、学习指导

一般了解集成电路的诞生和发展，掌握有关名词的定义和解释，重点掌握集成电路的定义、发展特点、技术发展趋势。

四、练习

1.名词解释：

集成电路

集成度

摩尔定律

答案：

集成电路——通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓等）或陶瓷等基片上，作为一个整体封装在一起，以执行特定功能的电路组件。

集成度——指一个芯片上拥有的晶体管等元器件数目。

摩尔定律——是指芯片上晶体管数目每隔18个月翻一番或每两三年翻两番。

2.集成电路发展有哪些特点？

答案：

特征尺寸越来越小、晶圆尺寸越来越大、单片上的晶体管数越来越多、时钟速度越来越快、电源电压越来越低、布线层数越来越多、I/O引线越来越多。

3.集成电路的技术发展趋势是什么？

答案：

特征尺寸向深亚微米发展；晶圆尺寸增加；电路规模、速度、复杂度和集成度不断提高；电路设计能力落后于工艺制造能力；工艺线投资费用越来越高；IC设计和制造分立运行，走向无生产线设计与代工制造（F&F）模式。

五、测验

1.世界上第一块集成电路是美国科学家和共同发明的。

答案：

基尔比和诺伊斯

1.英国物理学家、电气工程师弗莱明利用“效应”，发明了真空二极管，它是世界上第一只电子管，标志着人类进入了时代。

答案：

爱迪生、电子

2.美国科学家李·德·福雷斯特，在真空二极管的基础上发明了，使电子管成为能够广泛应用的器件。

答案：

真空三极管、电子

3.美国贝尔实验室的肖克莱、布拉顿、巴丁三人，研制了“”，世界上最早的实用半导体器件终于问世。

答案：

点接触型锗晶体管

4.美国物理学家基尔比，在半导体片上制作了“相移振荡器”，即第一块集成电路；而美国物理学家诺伊斯，在半导体片上把同样的晶体管重复排列，彼此相连，也制造出集成电路。

两人先后仅隔数月，都研制出了集成电路，因此，两人都成为微电子学的创始人，

答案：

锗、硅

5.“定律”是英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）发现的。

答案：

摩尔

2.“摩尔定律”是指。

答案：

芯片的集成度，每18-24个月翻两番，且呈指数增长

6.集成电路技术的特征尺寸正在向微米发展。

答案：

深亚

六、案例

七、资源列表

八、扩展学习

应用产品：

智能手机简介

知识点2：

一、内容

1、无生产线设计与代工模式

现代集成电路产业特点—设计与加工分离

早期集成电路发展中，设计、制造和封装都集中在半导体生产厂家内，称为一体化制造（IDM，IntegratedDeviceManufacture），是有生产线芯片设计的集成电路实现模式。

现代集成电路产业特点是设计与加工分离，即设计单位拥有设计技术和人才，但无生产线（Fabless），而无生产线设计公司可以独立生存与发展；芯片制造单位则专心致力于工艺实现，成为代工（Foundry）。

两者分工明确，独立运作，但又相互联系，互相促进，称为无生产线设计与代工制造的F&F（FablessandFoundry）模式。

F&F模式的设计流程

（1）代工单位将一套工艺设计文件（PDK,ProcessDesignKits）交付給设计单位。

PDK包括：

工艺电路模拟用的器件SPICE参数；

版图设计用的层次定义、设计规则；

基本单元和结构的版图，包括：

元器件、通孔和焊盘等版图；

与设计工具关联的文件，包括：

设计规则检查（DRC,DesignRuleCheck）、参数提取（EXTraction）、版图与电路图对照（LVS,LayoutVschematic）等。

（2）设计单位完成设计后，将GDS-Ⅱ格式的版图文件交付給代工单位。

设计内容包括：

根据项目指标要求设计系统与电路，利用PDK文件的工艺数据和CAD/EDA工具进行仿真和优化，并将电路图转化为版图（包括设计规则检查（DRC）、参数提取（EXT）、版图与电路图对照（LVS）等）最终生成以GDS-Ⅱ格式保存的版图文件。

（3）代工单位根据GDS-Ⅱ格式的版图文件，加工生产出芯片，交付給设计单位。

代工单位根据GDS-Ⅱ格式的版图文件，进行一系列极为复杂的工艺加工流程（流片），制造出芯片。

（4）设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。

若达到技术要求，则芯片制造成功，投入系统使用；

若达不到技术要求，则查找原因，修改设计，重新加工。

2、芯片工程与多项目晶圆计划

无生产线设计与代工制造的F&F模式，体现着分工合作的现代大生产潮流，但这种模式仍需要投入巨大的人力、物力和财力，为了降低IC设计与制造的成本和费用，开展了无生产线设计的芯片工程与多项目晶圆MPW（Multi-ProjectWafer）计划。

所谓多项目晶圆MPW计划，就是将几种甚至几十种工艺兼容的芯片拼装到一个宏芯片上，然后以步行的方式排列到一个到多个晶圆上，从而使昂贵的制版和硅片加工费由几十种芯片分担，即不同的单位分担，这样大大地降低了芯片研制成本。

MPW技术服务更重要的意义在于在无生产线设计与代工制造之间建立了信息流和物流的多种公共渠道，将众多的无生产线设计单位（学校、研究所、中小企业等）代工制造单位联系起来，以最低的成本，最高的效率，促进微电子设计和制造产业的发展。

二、教学录像

三、学习指导

收集IC设计方面的资料，结合IC设计现状，掌握F&F模式的设计流程，理解芯片工程与多项目晶圆计划。

四、练习

1.名词解释：

代工（Foundry）

无生产线（Fabless）设计

F&F模式

多项目晶圆（MPW）

答案：

代工（Foundry）——指芯片制造单位根据芯片设计单位的要求，加工制造出芯片，成为带客户加工，简称代工。

无生产线（Fabless）设计——指芯片设计单位拥有设计技术和人才，但无生产线，而无生产线的设计公司可以独立生存和发展；

F&F模式——指芯片设计单位和芯片制造单位，两者分工明确，独立运作，但又相互联系，互相促进，称为无生产线设计与代工制造的F&F（FablessandFoundry）模式。

多项目晶圆（MPW）——将几种甚至几十种工艺兼容的芯片拼装到一个宏芯片上，然后以步行的方式排列到一个到多个晶圆上，从而使昂贵的制版和硅片加工费由几十种芯片分担，这样大大地降低了芯片研制成本。

2.多项目晶圆（MPW）技术的特点是什么？

对发展集成电路设计有什么意义？

答案：

MPW：

把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上，然后以步行的方式排列到一个到多个晶圆上。

意义：

降低成本。

五、测验

1.PDK包括：

工艺电路模拟用的器件参数；版图设计用的定义、规则；

单元和结构的版图；与设计工具关联的文件，包括：

设计规则检查（DRC）、参数提取、版图与电路图对照（LVS）等。

答案：

SPICE、层次、设计、基本

2.芯片设计单位的设计内容包括：

根据项目指标要求设计系统与电路，利用文件提供的工艺数据和工具进行仿真和优化，并将电路图转化为版图，最终生成以格式保存的版图文件，交付芯片制作单位。

答案：

PDK、CAD/EDA、GDS-Ⅱ

六、案例

七、资源列表

八、扩展学习

知识点3：

一、内容

1、按基片材料分类

半导体集成电路

主要指单片集成电路，是当前主流集成电路。

它指电路中所有元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路。

常用的半导体材料是硅，此外还有GaAs等。

膜集成电路（二次集成）

分为薄膜集成电路（厚度<1µm）和厚膜集成电路（厚度>1µm）。

膜集成电路：

是指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形成技术和光刻技术形成多层金属和金属氧化物膜构成电路中的连线和电阻，并与贴装上去的器件芯片一起互联而实现某种电路功能的集成电路。

主要用在特殊用途。

2、按器件类型分类

双极集成电路

主要由双极晶体管构成，分为NPN型、PNP型集成电路。

双极型集成电路具有速度高、驱动能力强等优点，但其功耗大，集成度相对低。

MOS集成电路

主要由MOS晶体管构成，分为NMOS、PMOS、CMOS三种集成电路。

MOS集成电路优点：

输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成，特别是COMS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于相同数量级等，因而COMS集成电路成为集成电路的主流之一。

双极-MOS集成电路（BiMOS）

由双极晶体管和MOS晶体管组成的集成电路，称为BiMOS集成电路。

综合了双极和MOS器件两者优点，但制作工艺复杂，成本较高。

3、按电路功能分类

数字集成电路

指处理数字信号的集成电路。

如各种逻辑门、触发器、存储器等。

模拟集成电路

指处理模拟信号的集成电路，分为线性集成电路和非线性集成电路。

线性集成电路：

如运算放大器、电压比较器、跟随器等。

非线性集成电路：

如振荡器、定时器等。

数模混合集成电路

在同一个芯片上兼有数字和模拟集成电路。

如数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）等。

4、按电路规模（集成度）分类

5、按实现方法分类

全定制集成电路

指按照用户要求，从晶体管级开始设计，直至整个版图完成，力求做到芯片面积小、功耗低、速度快，各方面都要周密安排，性价比最优的实现方法。

适用于对质量要求极严格的芯片。

如：

产量极大的通用集成电路（CPU、存储器等）、大量应用的通信专用芯片、一些标准逻辑单元的底层电路、模拟电路等。

缺点：

设计成本高、周期长，但由于产量大，其成本低的优势反而又突显出来。

半定制集成电路

指设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成最终设计。

一般是在通用母片基础上追加某些互连线或某些专用电路的互连线掩膜。

适用于成本低、周期短、批量小的芯片。

包括：

门阵列—有通道门阵列

门海—无通道门阵列

标准单元法

积木块法

可编程器件（PLD）

指一种已完成全部工艺制造的产品，购来时不具有任何逻辑功能，但一经编程就可在器件上实现设计者所要求的逻辑功能。

如FPGA、CPLD等。

6、按应用领域分类

通用集成电路

指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品，这类产品往往集成度不高，但社会需求量大，通用性强。

专用集成电路（ASIC）

指面向特定用户或特定用途而设计的集成电路。

其特点是集成度较高，功能较多，功耗较小，封装形式多样。

二、教学录像

三、学习指导

了解集成电路的各种分类及其含义，重点掌握全定制、半定制、MOS集成电路的含义和分类。

四、练习

1.什么是膜集成电路的二次集成？

它主要用在什么场合？

答案：

膜集成电路的二次集成，是指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形成技术和光刻技术，形成多层金属和金属氧化物膜构成的电路连线和电阻（第一次集成），再与贴装上去的器件芯片一起互联（第二次集成），从而实现某种电路功能的集成电路。

它主要用在特殊用途。

2.集成电路按器件类型分类分为哪几种？

哪种是当前的设计主流？

答案：

双极集成电路、MOS集成电路、双极-MOS集成电路（BiMOS）；MOS集成电路中的CMOS集成电路

五、测验

3.集成电路按实现方法可分为、和。

答案：

全定制、半定制、可编程逻辑器件

1.双极集成电路、MOS集成电路、双极-MOS集成电路（BiMOS）各有什么特点？

答案：

双极型集成电路具有速度高、驱动能力强等优点，但其功耗大，集成度相对低。

MOS集成电路优点：

输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成，特别是COMS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于相同数量级等，因而COMS集成电路成为集成电路的主流之一。

双极-MOS集成电路（BiMOS）综合了双极和MOS器件两者优点，但制作工艺复杂，成本较高。

2.通用集成电路和专用集成电路（ASIC）各有什么特点？

答案：

通用集成电路是用量极大的标准系列产品，这类产品往往集成度不高，但社会需求量大，通用性强。

专用集成电路（ASIC）的特点是集成度较高，功能较多，功耗较小，封装形式多样。

六、案例

七、资源列表

八、扩展学习

知识点4：

一、内容

1、集成电路设计流程

模拟集成电路设计流程

数字集成电路设计流程

2、集成电路设计方法

自底向上设计和自顶向下设计

自底向上设计（Bottom-up）

自底向上设计是传统设计方法，它考虑到了分工合作问题，是早期使用的设计方法，适用于设计规模不大（集成度在一万门以内）的场合。

缺点是效率低，周期长，一次设计成功率低。

使用的辅助软件仅有两个：

电路原理图软件（sche