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晶片的原理應用與分類

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  晶片介紹

  指內含積體電路的矽片,體積很小,常常是計算機或其他電子裝置的一部分。晶片(chip)或稱微電路(microcircuit)、微晶片(microchip)、積體電路(英語:integrated circuit, IC),在電子學中是一種把電路(主要包括半導體裝置,也包括被動元件等)小型化的方式,並通常製造在半導體晶圓表面上。前述將電路製造在半導體晶片表面上的積體電路又稱薄膜(thin-film)積體電路。另有一種厚膜(thick-film)混成積體電路(hybrid integrated circuit)是由獨立半導體裝置和被動元件,整合到襯底或線路板所構成的小型化電路。

(圖片來源:凱利訊半導體)

  什麼是晶片,晶片有什麼作用

  晶片

  如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心臟,那麼主機板上的晶片組就是整個身體的軀幹。對於主機板而言,晶片組幾乎決定了這塊主機板的功能,進而影響到整個電腦系統效能的發揮,晶片組是主機板的靈魂。

  晶片組(Chipset)是主機板的核心組成部分,按照在主機板上的排列位置的不同,通常分為北橋晶片和南橋晶片。北橋晶片提供對CPU的型別和主頻、記憶體的型別和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支援。南橋晶片則提供對KBC(鍵盤控制器)、RTC(實時時鐘控制器)、USB(通用序列匯流排)、Ultra DMA/33(66)EIDE資料傳輸方式和ACPI(高階能源管理)等的支援。其中北橋晶片起著主導性的作用,也稱為主橋(Host Bridge)。

  晶片組的識別也非常容易,以Intel 440BX晶片組為例,它的北橋晶片是Intel 82443BX晶片,通常在主機板上靠近CPU插槽的位置,由於晶片的發熱量較高,在這塊晶片上裝有散熱片。南橋晶片在靠近ISA和PCI槽的位置,晶片的名稱為Intel 82371EB。其他晶片組的排列位置基本相同。對於不同的晶片組,在效能上的表現也存在差距。

(圖片來源:凱利訊半導體)

  除了最通用的南北橋結構外,目前晶片組正向更高階的加速集線架構發展,Intel的8xx系列晶片組就是這類晶片組的代表,它將一些子系統如IDE介面、音效、MODEM和USB直接接入主晶片,能夠提供比PCI匯流排寬一倍的頻寬,達到了266MB/s;此外,矽統科技的SiS635/SiS735也是這類晶片組的新軍。除支援最新的DDR266,DDR200和PC133 SDRAM等規格外,還支援四倍速AGP顯示卡介面及Fast Write功能、IDE ATA33/66/100,並內建了3D立體音效、高速資料傳輸功能包含56K資料通訊(Modem)、高速乙太網絡傳輸(Fast Ethernet)、1M/10M家庭網路(Home PNA)等。

  晶片的應用

  與PCR技術一樣,晶片技術已經開展和將要開展的應用領域非常的廣泛。生物晶片的第一個應用領域是檢測基因表達。但是將生物分子有序地放在晶片上檢測生化標本的策略是具有廣泛的應用領域,除了基因表達分析外,雜交為基礎的分析已用於基因突變的檢測、多型性分析、基因作圖、進化研究和其它方面的應用,微陣列分析還可用於檢測蛋白質與核酸、小分子物質及與其它蛋白質的結合,但這些領域的應用仍待發展。對基因組DNA進行雜交分析可以檢測DNA編碼區和非編碼區單個鹼基改變、確失和插入,DNA雜交分析還可用於對DNA進行定量,這對檢測基因拷貝數和染色體的倍性是很重要的。

  用於DNA分析的樣品可從總基因組DNA或克隆片段中獲得,通過酶的催化摻入帶熒光的核苷酸,也可通過與熒游標記的引物配對進行PCR擴增獲得熒游標記DNA樣品,從DNA轉錄的RNA可用於檢測克隆的DNA片段,RNA探針常從克隆的DNA中獲得,利用RNA聚合酶摻入帶熒光的核苷酸。

  對RNA進行雜交分析可以檢測樣品中的基因是否表達,表達水平如何。在基因表達檢測應用中,熒游標記的探針常常是通過反轉錄酶催化cDNA合成RNA,在這一過程中摻入熒游標記的核苷酸。用於檢測基因表達的RNA探針還可通過RNA聚合酶線性擴增克隆的cDNA獲得。在cDNA晶片的雜交實驗中,雜交溫度足以除DNA中的二級結構,完整的單鏈分子(300-3000nt)的混合物可以提供很強的雜交訊號。對寡核苷酸晶片,雜交溫度通常較低,強烈的雜交通常需要探針混合物中的分子降為較短的片段(50-100nt),用化學和酶學的方法可以改變核苷酸的大小。


  不同於DNA和RNA分析,利用生物晶片進行蛋白質功能的研究仍有許多困難需要克服,其中一個難點就是由於許多蛋白質間的相互作用是發生在摺疊的具有三維結構的多肽表面,不像核酸雜交反應只發生線上性序列間。晶片分析中對摺疊蛋白質的需要仍難達到,有以下幾個原因:第一,晶片製備中所用的方法必需仍能保持蛋白質靈敏的摺疊性質,而晶片製備中所有的化學試劑、熱處理、乾燥等均將影響到晶片上蛋白質的性質;第二,摺疊蛋白質間的相互作用對序列的依賴性更理強,序列依賴性使得反應動力學和分析定量複雜化;第三,高質量的熒游標記蛋白質探針的製備仍待進一步研究。這些原因加上其它的問題減慢了蛋白質晶片檢測技術的研究。

  人腦晶片

  幾十年來,科學家一直“訓練”電腦,使其能夠像人腦一樣思考。這種挑戰考驗著科學的極限。IBM公司的研究人員18日表示,在將電腦與人腦結合在一起的研究道路上,他們取得了一項重大進展。

  這家美國科技公司研製出兩個晶片原型,與此前的PC和超級計算機採用的晶片相比,這些晶片處理資料的方式與人腦處理資訊的方式更為接近。這兩個晶片是一項為期6年的專案取得的一項具有里程碑意義的重大成就。共有100名研究人員參與這一專案,美國政府的國防高階研究計劃局(DARPA)提供了4100萬美元資金。IBM的投資數額並未對外公佈。

  兩個晶片原型提供了進一步證據,證明“平行處理”日益提高的重要性。平行處理具體是指電腦同時處理多個任務。多工處理對渲染圖片和處理大量資料非常重要。迄今為止,這兩個晶片僅用於處理一些非常簡單的任務,例如操控一輛模擬車穿過迷宮或者玩《Pong》。它們最終走出實驗室並應用於實際產品可能需要10年或者更長時間。

  日前,由瑞士、德國和美國的科學家組成的研究小組首次成功研發出一種新奇的微晶片,能夠實時模擬人類大腦處理資訊的過程。這項新成果將有助於科學家們製造出能同周圍環境實時互動的認知系統,為神經網路計算機和高智慧機器人的研製提供強有力的技術支撐。

  以前的類似研究都侷限於在傳統計算機上研製神經網路模型或在超級計算機上模擬複雜的神經網路,而新研究的思路是:研發在大小、處理速度和能耗方面都可與真實大腦相媲美的電路。研究小組成員基爾克莫·因迪韋裡表示:“我們的目標是直接在微晶片上模擬生物神經元和突觸的屬性。”

  做到這一點面臨的主要挑戰,是配置由人造神經元組成的網路,讓其能執行特定的任務。研究小組現在已經成功地攻克了這一“碉堡”,他們研發出一種被稱為“神經形態晶片”(neuromorphic chips)的裝置,能夠實時執行復雜的感覺運動任務,並藉助這一裝置,演示了一個需要短期記憶力和依賴語境的決策能力的任務,這是認知測試所必需的典型特徵。

(圖片來源:凱利訊半導體)

  研究小組把神經形態神經元與利用神經處理模組——相當於所謂“有限自動機”的網路相結合。有限自動機是一個用來描述邏輯過程和計算機程式的數學概念。行為可以表示為有限自動機,由此以自動化的方式轉給神經形態硬體。因迪韋裡說:“網路連線模式非常類似於在大腦中發現的結構。”

  由於神經形態晶片可以實時處理輸入的資訊並作出迴應,有關專家認為這項技術將有望走向實用化,從而允許機器人在複雜環境中,在不受人類遠端遙控的情況下實現自動作業。

  這項技術的採用還將有望在未來讓計算機能夠在有部件損壞的情況下繼續運作,就像人類的大腦那樣,每天損失數以百萬計的腦細胞,但是其整體的思維能力卻仍然繼續正常運轉。

  歐盟、美國和瑞士目前正在緊鑼密鼓地研製模擬大腦處理資訊的神經網路計算機,希望通過模擬生物神經元複製人工智慧系統。這種新型計算機的“大腦晶片”迥異於傳統計算機的“大腦晶片”。它能運用類似人腦的神經計演算法,低能耗和容錯性強是其最大優點,較之傳統數字計算機,它的智慧性會更強,在認知學習、自動組織、對模糊資訊的綜合處理等方面也將前進一大步。

  不過也有人表示了擔憂:裝上這種晶片的機器人將來是否會在智慧上超越人類,甚至會對人類造成威脅?

  不少科學家認為,這類擔心是完全沒有必要的。就智慧而言,目前機器人的智商相當於4歲兒童的智商,而機器人的“常識”比起正常成年人就差得更遠了。美國科學家羅伯特·斯隆日前說:“我們距離能夠以8歲兒童的能力回答複雜問題的、具有常識的人工智慧程式仍然很遙遠。”日本科學家廣瀨茂男也認為:即使機器人將來具有常識並能進行自我複製,也不可能對人類造成威脅。值得一提的是,中國科學家周海中在1990年發表的《論機器人》一文中指出:機器人並非無所不能;它在工作強度、運算速度和記憶功能方面可以超越人類,但在意識、推理等方面不可能超越人類。另外,機器人會越來越“聰明”,但只能按照制定的原則綱領行動,服務人類、造福人類。


  與IC的關係

  晶片,英文為Chip;晶片組為Chipset。晶片一般是指積體電路的載體,也是積體電路經過設計、製造、封裝、測試後的結果,通常是一個可以立即使用的獨立的整體。“晶片”和“積體電路”這兩個詞經常混著使用,比如在大家平常討論話題中,積體電路設計和晶片設計說的是一個意思,晶片行業、積體電路行業、IC行業往往也是一個意思。實際上,這兩個詞有聯絡,也有區別。積體電路實體往往要以晶片的形式存在,因為狹義的積體電路,是強調電路本身,比如簡單到只有五個元件連線在一起形成的相移振盪器,當它還在圖紙上呈現的時候,我們也可以叫它積體電路,當我們要拿這個小積體電路來應用的時候,那它必須以獨立的一塊實物,或者嵌入到更大的積體電路中,依託晶片來發揮他的作用;積體電路更著重電路的設計和佈局佈線,晶片更強調電路的整合、生產和封裝。而廣義的積體電路,當涉及到行業(區別於其他行業)時,也可以包含晶片相關的各種含義。

  晶片也有它獨特的地方,廣義上,只要是使用微細加工手段製造出來的半導體片子,都可以叫做晶片,裡面並不一定有電路。比如半導體光源晶片;比如機械晶片,如MEMS陀螺儀;或者生物晶片如DNA晶片。在通訊與資訊科技中,當把範圍侷限到矽積體電路時,晶片和積體電路的交集就是在“矽晶片上的電路”上。晶片組,則是一系列相互關聯的晶片組合,它們相互依賴,組合在一起能發揮更大的作用,比如計算機裡面的處理器和南北橋晶片組,手機裡面的射頻、基帶和電源管理晶片組。

                                                                        (圖片來源:凱利訊半導體)

  電腦晶片

  如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心臟,那麼主機板上的晶片組就是整個身體的軀幹。對於主機板而言,晶片組幾乎決定了這塊主機板的功能,進而影響到整個電腦系統效能的發揮,晶片組是主機板的靈魂。

  晶片組(Chipset)是主機板的核心組成部分,按照在主機板上的排列位置的不同,通常分為北橋晶片和南橋晶片。北橋晶片提供對CPU的型別和主頻、記憶體的型別和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支援。南橋晶片則提供對KBC(鍵盤控制器)、RTC(實時時鐘控制器)、USB(通用序列匯流排)、Ultra DMA/33(66)EIDE資料傳輸

  方式和ACPI(高階能源管理)等的支援。其中北橋晶片起著主導性的作用,也稱為主橋(Host Bridge)。

  晶片組的識別也非常容易,以Intel440BX晶片組為例,它的北橋晶片是Intel 82443BX晶片,通常在主機板上靠近CPU插槽的位置,由於晶片的發熱量較高,在這塊晶片上裝有散熱片。南橋晶片在靠近ISA和PCI槽的位置,晶片的名稱為Intel 82371EB。其他晶片組的排列位置基本相同。對於不同的晶片組,在效能上的表現也存在差距。

  晶片組

  除了最通用的南北橋結構外,晶片組正向更高階的加速集線架構發展,Intel的8xx系列晶片組就是這類晶片組的代表,它將一些子系統如IDE介面、音效、MODEM和USB直接接入主晶片,能夠提供比PCI匯流排寬一倍的頻寬,達到了266MB/s;此外,矽統科技的SiS635/SiS735也是這類晶片組的新軍。除支援最新的DDR266,DDR200和PC133 SDRAM等規格外,還支援四倍速AGP顯示卡介面及Fast Write功能、IDE ATA33/66/100,並內建了3D立體音效、高速資料傳輸功能包含56K資料通訊(Modem)、高速乙太網絡傳輸(Fast Ethernet)、1M/10M家庭網路(Home PNA)等。


  應用

  計算機晶片

  如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心臟,那麼主機板上的晶片組就是整個身體的軀幹。對於主機板而言,晶片組幾乎決定了這塊主機板的功能,進而影響到整個電腦系統效能的發揮,晶片組是主機板的靈魂。

  晶片組(Chipset)是主機板的核心組成部分,按照在主機板上的排列位置的不同,通常分為北橋晶片和南橋晶片。北橋晶片提供對CPU的型別和主頻、記憶體的型別和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支援。南橋晶片則提供對KBC(鍵盤控制器)、RTC(實時時鐘控制器)、USB(通用序列匯流排)、Ultra DMA/33(66)EIDE資料傳輸方式和ACPI(高階能源管理)等的支援。其中北橋晶片起著主導性的作用,也稱為主橋(Host Bridge)。

  生物晶片

  與PCR技術一樣,晶片技術已經開展和將要開展的應用領域非常的廣泛。生物晶片的第一個應用領域是檢測基因表達。但是將生物分子有序地放在晶片上檢測生化標本的策略是具有廣泛的應用領域,除了基因表達分析外,雜交為基礎的分析已用於基因突變的檢測、多型性分析、基因作圖、進化研究和其它方面的應用,微陣列分析還可用於檢測蛋白質與核酸、小分子物質及與其它蛋白質的結合,但這些領域的應用仍待發展。對基因組DNA進行雜交分析可以檢測DNA編碼區和非編碼區單個鹼基改變、確失和插入,DNA雜交分析還可用於對DNA進行定量,這對檢測基因拷貝數和染色體的倍性是很重要的。

  人腦晶片

  幾十年來,科學家一直“訓練”電腦,使其能夠像人腦一樣思考。這種挑戰考驗著科學的極限。IBM公司的研究人員18日表示,在將電腦與人腦結合在一起的研究道路上,他們取得了一項重大進展。

  這家美國科技公司研製出兩個晶片原型,與此前的PC和超級計算機採用的晶片相比,這些晶片處理資料的方式與人腦處理資訊的方式更為接近。這兩個晶片是一項為期6年的專案取得的一項具有里程碑意義的重大成就。共有100名研究人員參與這一專案,美國政府的國防高階研究計劃局(DARPA)提供了4100萬美元資金。IBM的投資數額並未對外公佈。

  兩個晶片原型提供了進一步證據,證明“平行處理”日益提高的重要性。平行處理具體是指電腦同時處理多個任務。多工處理對渲染圖片和處理大量資料非常重要。迄今為止,這兩個晶片僅用於處理一些非常簡單的任務,例如操控一輛模擬車穿過迷宮或者玩《Pong》。它們最終走出實驗室並應用於實際產品可能需要10年或者更長時間。

  日前,由瑞士、德國和美國的科學家組成的研究小組首次成功研發出一種新奇的微晶片,能夠實時模擬人類大腦處理資訊的過程。這項新成果將有助於科學家們製造出能同周圍環境實時互動的認知系統,為神經網路計算機和高智慧機器人的研製提供強有力的技術支撐。

  以前的類似研究都侷限於在傳統計算機上研製神經網路模型或在超級計算機上模擬複雜的神經網路,而新研究的思路是:研發在大小、處理速度和能耗方面都可與真實大腦相媲美的電路。研究小組成員基爾克莫·因迪韋裡表示:“我們的目標是直接在微晶片上模擬生物神經元和突觸的屬性。”

(圖片來源:凱利訊半導體)

  研究小組把神經形態神經元與利用神經處理模組——相當於所謂“有限自動機”的網路相結合。有限自動機是一個用來描述邏輯過程和計算機程式的數學概念。行為可以表示為有限自動機,由此以自動化的方式轉給神經形態硬體。因迪韋裡說:“網路連線模式非常類似於在大腦中發現的結構。”

  由於神經形態晶片可以實時處理輸入的資訊並作出迴應,有關專家認為這項技術將有望走向實用化,從而允許機器人在複雜環境中,在不受人類遠端遙控的情況下實現自動作業。

  這項技術的採用還將有望在未來讓計算機能夠在有部件損壞的情況下繼續運作,就像人類的大腦那樣,每天損失數以百萬計的腦細胞,但是其整體的思維能力卻仍然繼續正常運轉。

  歐盟、美國和瑞士目前正在緊鑼密鼓地研製模擬大腦處理資訊的神經網路計算機,希望通過模擬生物神經元複製人工智慧系統。這種新型計算機的“大腦晶片”迥異於傳統計算機的“大腦晶片”。它能運用類似人腦的神經計演算法,低能耗和容錯性強是其最大優點,較之傳統數字計算機,它的智慧性會更強,在認知學習、自動組織、對模糊資訊的綜合處理等方面也將前進一大步。

  不過也有人表示了擔憂:裝上這種晶片的機器人將來是否會在智慧上超越人類,甚至會對人類造成威脅?


  不少科學家認為,這類擔心是完全沒有必要的。就智慧而言,目前機器人的智商相當於4歲兒童的智商,而機器人的“常識”比起正常成年人就差得更遠了。美國科學家羅伯特·斯隆日前說:“我們距離能夠以8歲兒童的能力回答複雜問題的、具有常識的人工智慧程式仍然很遙遠。”日本科學家廣瀨茂男也認為:即使機器人將來具有常識並能進行自我複製,也不可能對人類造成威脅。值得一提的是,中國科學家周海中在1990年發表的《論機器人》一文中指出:機器人並非無所不能;它在工作強度、運算速度和記憶功能方面可以超越人類,但在意識、推理等方面不可能超越人類。另外,機器人會越來越“聰明”,但只能按照制定的原則綱領行動,服務人類、造福人類。

  其他晶片

  調製與偵測器技術突破,矽光子晶片互連應用指日可待。

  高速光通訊在過去30幾年來的發展下,已經成為有線高速資訊傳輸的標準。在2000年受到美國經濟泡沫化及網路市場對頻寬需求不如預期的影響下,光通訊產業與客戶端的拓展曾經沉寂一段時間。過去除政府單位或具大型網路建置的企業外,一般終端使用者直接享受高位元率傳輸的機會並不高。雖然目前高速光通訊應用的領域仍以遠距離的骨幹網路服務為主,但根據目前主流產學論壇的評估,個人客戶端傳輸位元率將在2015年與2023年分別提升至1Gbit/s與10Gbit/s。

  晶片工作原理

  BIOS程式是由晶片工廠使用特殊的方法燒錄進去的,以前的BIOS晶片中的內容只能讀不能改,一且燒錄進去,使用者只能驗證寫入的資料是否正確,不能再作任何修改。後來,晶片慢慢從PROM(Programmable ROM,可程式設計ROM)、EPROM(Erasable Programmable ROM,可擦除可程式設計ROM)、EEPROM(Electrically-Eiasable Programmable Read-Only Memory,電可擦除可程式設計只讀記憶體),一路升級到系統之家如今的FLASHROM(快擦寫儲存晶片),我們已經可以通過很多種方法針對FLASHROM進行資料的修改,甚至很多主機板廠商還提供了BIOS升級的程式和網站。

(圖片來源:凱利訊半導體)

  1.而猖獗一時的CIH病毒就是利用了FLASHROM晶片這一特徵,輕鬆實現對BIOS晶片內的資料進行破壞,進而導致了主機板不能使用的故障。2000年左右的主機板維修中,經常需要使用程式設計器對CIH病毒破壞的BIOS晶片進行資料重寫,現在這種病毒已經基本上絕跡了。

  FLASHROM晶片的封裝形式一般有DIP、PLCC,TSOP等,但僅僅只是封裝不同而已,對於同一種型號的晶片,不論是什麼封裝形式,其管腳的功能都是一一對應的,如圖所示是29c0101MFlashRom系列BIOS晶片的32個引腳的定義。

  2.不同的BIOS晶片引腳的定義也是不同的,但是所有的引腳的功能定義都會分為如下幾個部分:

  *A0〜A17:地址線*CE#:片選訊號*DQ0〜DQ7:資料線*NC:空腳

  * OE#:資料允許xp輸出訊號端(低電平有效)

  * VDD:晶片供電電壓(3.3〜5V)

  * VPP:程式設計電壓(3.3V、5V、12V)

  * VSS(GND):接地線

  * WE擇讀寫訊號控制端,由南橋發出(高電平允許讀)。

  BIOS晶片有4種匯流排,即:ISA、Intel HUB、LPC、SPI,如圖所示是BIOS晶片在Intel HUB匯流排下的工作電路圖(適用於815等Intel主機板)。

  3.BIOS晶片使用3.3V的電壓,它通過一個電感傳輸到晶片的第一腳。FWH0~FWH3引腳為匯流排的資料和地址線,FWH4腳為週期控制引腳,此引腳由系統下載南橋直接控制。當CPU發出定址指令時,南橋會要求BIOS晶片進行初始化操作(由INIT#引腳負責),當INIT#引腳由3V電壓訊號轉為低電平訊號後,BIOS晶片便開始自檢等操作。

  分類

  電晶體發明並大量生產之後,各式固態半導體元件如二極體、電晶體等大量使用,取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世紀中後期半導體制造技術進步,使得積體電路成為可能。相對於手工組裝電路使用個別的分立電子元件,積體電路可以把很大數量的微電晶體整合到一個小晶片,是一個巨大的進步。積體電路的規模生產能力,可靠性,電路設計的模組化方法確保了快速採用標準化IC 代替了設計使用離散電晶體。


  IC

  對於離散電晶體有兩個主要優勢:成本和效能。成本低是由於晶片把所有的元件通過照相平版技術,作為一個單位印刷,而不是在一個時間只製作一個電晶體。效能高是由於元件快速開關,消耗更低能量,因為元件很小且彼此靠近。2006年,芯片面積從幾平方毫米到350 mm²,每mm²可以達到一百萬個電晶體。

  第一個積體電路雛形是由傑克·基爾比於1958年完成的,其中包括一個雙極性電晶體,三個電阻和一個電容器。

  根據一個晶片上整合的微電子器件的數量,積體電路可以分為以下幾類:

  小規模積體電路

  SSI 英文全名為 Small Scale Integration, 邏輯閘10個以下 或 電晶體 100個以下。

  中規模積體電路

  MSI 英文全名為 Medium Scale Integration, 邏輯閘11~100個 或 電晶體 101~1k個。

  大規模積體電路

  LSI 英文全名為 Large Scale Integration, 邏輯閘101~1k個 或 電晶體 1,001~10k個。

  超大規模積體電路

  VLSI 英文全名為 Very large scale integration, 邏輯閘1,001~10k個 或 電晶體 10,001~100k個。

  甚大規模積體電路

  ULSI 英文全名為 Ultra Large Scale Integration, 邏輯閘10,001~1M個 或 電晶體 100,001~10M個。

  GLSI 英文全名為 Giga Scale Integration, 邏輯閘1,000,001個以上 或 電晶體10,000,001個以上。

  而根據處理訊號的不同,可以分為模擬積體電路、數字積體電路、和兼具模擬與數字的混合訊號積體電路。


  製造

  晶片製作完整過程包括晶片設計、晶片製作、封裝製作、成本測試等幾個環節,其中晶片製作過程尤為的複雜。

  精密的晶片其製造過程非常的複雜 首先是晶片設計,根據設計的需求,生成的“圖樣”

  1、 晶片的原料晶圓

  晶圓的成分是矽,矽是由石英沙所精練出來的,晶圓便是矽元素加以純化(99.999%),接著是將這些純矽製成矽晶棒,成為製造積體電路的石英半導體的材料,將其切片就是晶片製作具體所需要的晶圓。晶圓越薄,生產的成本越低,但對工藝就要求的越高。

  2、晶圓塗膜

  晶圓塗膜能抵抗氧化以及耐溫能力,其材料為光阻的一種。

  3、晶圓光刻顯影、蝕刻

  該過程使用了對紫外光敏感的化學物質,即遇紫外光則變軟。通過控制遮光物的位置可以得到晶片的外形。在矽晶片塗上光致抗蝕劑,使得其遇紫外光就會溶解。這時可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了,而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化矽層。


  4、摻加雜質

  將晶圓中植入離子,生成相應的P、N類半導體。

  具體工藝是是從矽片上暴露的區域開始,放入化學離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區的導電方式,使每個電晶體可以通、斷、或攜帶資料。簡單的晶片可以只用一層,但複雜的晶片通常有很多層,這時候將這一流程不斷的重複,不同層可通過開啟視窗聯接起來。這一點類似多層PCB板的製作原理。 更為複雜的晶片可能需要多個二氧化矽層,這時候通過重複光刻以及上面流程來實現,形成一個立體的結構。

  5、晶圓測試

  經過上面的幾道工藝之後,晶圓上就形成了一個個格狀的晶粒。通過針測的方式對每個晶粒進行電氣特性檢測。一般每個晶片的擁有的晶粒數量是龐大的,組織一次針測試模式是非常複雜的過程,這要求了在生產的時候儘量是同等晶片規格構造的型號的大批量的生產。數量越大相對成本就會越低,這也是為什麼主流晶片器件造價低的一個因素。

  6、封裝

  將製造完成晶圓固定,繫結引腳,按照需求去製作成各種不同的封裝形式,這就是同種晶片核心可以有不同的封裝形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN等等。這裡主要是由使用者的應用習慣、應用環境、市場形式等外圍因素來決定的。

  7、測試、包裝

  經過上述工藝流程以後,晶片製作就已經全部完成了,這一步驟是將晶片進行測試、剔除不良品,以及包裝。