集成电路工艺与设计范文
时间：2023-10-30 17:24:10
集成电路工艺与设计篇1
【关键词】集成电路版图；CD4011B；CMOS工艺
1.引言
集成电路产业是最能体现知识经济特征的高技术产业[1]。以集成电路为主要技术的微电子产业的高度发展促进了现代社会的电子化、信息化、自动化，并引起了人们社会生活的巨大变革。集成电路布图设计（以下简称版图设计）在集成电路设计中占有十分重要的作用。版图设计是指集成电路中至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或者全部互连线路的三维配置，或者为制造集成电路而准备的上述三维配置[2]。集成电路芯片流片成本高，必须保证较高的成品率，版图设计人员应具有扎实理论基础和丰富的实践经验。典型芯片是经过实践检验性能优越，所以，通过研究已有的典型芯片版图是提高设计能力的有效途径。
版图设计是在一定的工艺条件基础上根据芯片的功能要求而设计的。目前，集成电路的主要工艺有三种，分别是双极工艺、CMOS工艺和BICMOS工艺[3][4]。其中CMOS工艺芯片由于功耗低、集成度高等特点而应用最广泛，所以，研究CMOS工艺芯片版图具有更重要的意义。
本文对CD4011B芯片进行了逆向解析，通过研究掌握了该芯片的设计思想和单元器件结构，对于提高CMOS集成电路设计水平是十分有益的。
2.芯片分层拍照
3.单元结构
4.电路图和仿真
5.结论
本文采用化学方法对CD4011B芯片进行了分层拍照，提取了电路图，仿真验证正确。从芯片的版图分析，该芯片采用NMOS场效应晶体管、PMOS场效应晶体管、PN结二极管和基区电阻等器件单元，四个与非门版图一致且对称布局。该芯片采用典型的CMOS工艺，为了节省面积采用叉指场效应晶体管，输入和输出端采用防静电保护结构。电路为典型的CMOS与非门电路。该芯片的版图布局体现了设计的合理性和科学性。
参考文献
[1]雷瑾亮，张剑，马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛，2013，7：34-39.
[2]汪娣娣，丁辉文.浅析我国集成电路布图设计的知识产权保护——我国集成电路企业应注意的相关问题[J].半导体技术，2003，28：14-17.
[3]朱正涌，张海洋，等.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社，2009.
[4]曾庆贵.集成电路版图设计[M].北京：机械工业出版社，2008.
[5]王健，樊立萍.CD4002B芯片解析在版图教学中的应用[J].中国电力教育，2012，31：50-51.
[6]Hastings，A.模拟电路版图的艺术[M].北京：电子工业出版社，2008.
作者简介：
王健（1965—），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳化工大学信息工程学院副教授，研究方向：微机电系统设计。
张大为（1983—），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳航空职业技术学院讲师，研究方向：电路设计。
集成电路工艺与设计篇2
关键词：微电子技术专业；集成电路；实验室建设；
作者：陈伟元
0引言
以集成电路为主的微电子产业是现代信息产业的基础和核心[1]，它对经济建设、社会发展和国家安全具有至关重要的战略地位和不可替代的核心关键作用，其重要性在迅速提高，产业规模在逐步扩大。目前，我国集成电路产业的发展，已经形成了以设计业、芯片制造业及封装测试业为主的微电子产业链，并相对独立发展的产业结构特点。微电子产业的快速发展带动了社会对各层次微电子技术人才的大量需求。为顺应微电子产业的快速发展，为地方经济建设服务，各地高职院校纷纷开设了微电子技术专业，并大力加强微电子技术专业的建设[2-4]。但微电子技术是一门应用性非常强的学科[5]，不仅需要较好的理论基础，更需要有较强的生产工艺实际操作能力，这都需要较好的实验环境和实验条件来支撑。微电子实验实训设备要求高，资金投入大，很多高职院校(包括本科院校)没有足够资金购买昂贵的实训设备，学生只能通过老师解说、观看录像等了解相关工艺过程[6-7]，没有机会亲自动手[8]，造成我国微电子制造业人才总量严重不足，且人才质量基础较差、人才层次结构不合理[9]。
基于工作岗位和人才培养目标的分析，苏州市职业大学结合省实训基地和省光伏发电工程技术开发中心的建设，优化建设方案，用非常有限的资金投入，建立微电子技术专业实验室，为培养符合企业需求的高技能、高素质人才进行了有益探索。
1微电子技术专业培养目标分析
目前，中国集成电路产业已初步形成以长三角、环渤海，珠三角三大核心区域聚集发展的产业空间格局。以2010年为例[10]：我国集成电路产业销售收入1440.2亿元，三大区域集成电路产业销售收入占全国整体产业规模的近95%。其中，环渤海地区占国内集成电路产业整体规模的18.8%，珠三角地区占全国集成电路产业的8.4%，涵盖上海、江苏和浙江的长江三角洲地区已初步形成了包括研究开发、设计、芯片制造、封装测试及支撑业在内的较为完整的集成电路产业链，占全国集成电路产业的67.9%。目前国内55%的集成电路制造企业、80%的封装测试企业以及近50%的集成电路设计企业集中在长三角地区。
可见，长三角地区是中国重要的微电子产业基地，而苏州、无锡等苏南地区在集成电路制造、封装测试领域又具有明显的区位优势。现代工业的发展，集成电路后端(版图)设计服务的需求会持续增加。
高等职业技术教育微电子技术专业的就业核心岗位的确定，既要反映出当地微电子产业的市场需要，又要考虑到适合高职学生能做、并乐于做的岗位。如现场操作为主的“半导体技术工人”岗位，不适合作为本校微电子专业的核心岗位，也体现不出与中职学生在岗位上的竞争力[11]。经调研和分析，确定“集成电路版图设计”、“微电子工艺及管理”、“设备维护”作为本专业学生培养的核心工作岗位。
微电子专业的培养目标为：培养德、智、体、美全面发展，能适应现代化建设和经济发展需要，具有良好职业道德和创新精神，熟悉微电子器件及工艺的基本原理，具备集成电路版图设计、晶圆制造及封装测试中的设备操作与维护、工艺管理、产品测试、品质管理能力，面向生产服务一线的高素质应用型技术人才。
2微电子技术专业实验室建设目标
高职教育以培养高素质应用型人才为主，培养的学生不仅具有较好的理论基础，更应具有较好的基本技能。根据以上培养目标，高职微电子技术专业重点培养学生微电子材料工艺及IC领域如下方向的基本技能：
(1)微电子材料器件工艺与检测。了解微电子材料与器件的常规工艺制备过程，并了解其主要参数的表征及测试方法；
(2)IC设计技术。了解IC设计的流程，掌握IC设计的基本原理和方法，重点熟练掌握IC版图设计工具软件的使用方法；
(3)IC制造与封装测试技术。了解IC制造的基本过程和工艺，掌握基本的IC封装及测试原理和方法，并学会基本测试仪器的使用方法。
为实现以上目标，在微电子技术专业实验室的建设上，至少应围绕如下几个方向来进行：①集成电路设计，特别是集成电路版图设计方向；②微电子材料和集成电路工艺方向；③集成电路封装及测试方向。目前国内各高职院校的微电子技术专业根据自身的实际情况，基本上也是围绕这几个发展分支来建设专业实验室[12]。
微电子实验设备非常昂贵，若要建设完善的微电子技术专业实验室，其建设资金的投入是非常庞大的，大部分学校也没有这样的建设能力。为此，在有限的建设资金上，实验室建设采取实用化原则，以国家投入或学校自筹资金方式建立微电子基础性实验室、IC版图设计实验室、微电子材料及器件工艺实验室，而对于投资较大的IC封装及测试实验室，主要采取与企业共建的方式进行建设。
3微电子技术专业实验室建设方案
根据以上微电子技术专业实验室建设目标，苏州市职业大学结合省实训基地和省光伏发电工程技术开发中心的建设，建立了IC版图设计实验室、微电子材料及器件工艺实验室和IC封装测试实验室。
3.1IC版图设计实验室
IC设计包括IC系统设计、IC线路设计、IP核设计和IC版图设计。其中IC版图设计工作的任务量大、所需人员多，是一种高技能、应用型技术，是最适合高职微电子技术专业学生就业的工作岗位。
IC版图设计实验室的建设，以服务器和计算机终端组成，再配置IC设计软件。其中，终端一般要配置40套以上，以便课堂上每位学生均能单独练习。
IC版图设计实验室的建设投入大，特别是IC设计软件价格昂贵，可争取大学计划、实验室共建等多种方式，获得EDA软件商的支持。苏州市职业大学与SprigSoftInc.合作，引进其先进的IC版图设计软件平台Laker，并与IC设计公共服务平台提供商苏州中科集成电路设计公司进行深度合作，发挥各自优势，共同进行IC版图设计高技能人才的培养与培训。
3.2微电子材料及器件工艺实验室
微电子材料、器件涉及的工艺广泛，实验设备价格昂贵，只能用有限的资金投入，解决一些微电子最常用的工艺实验设备。为让学生对微电子工艺有感性认识和实践机会，经调研，认为净化、扩散退火、薄膜工艺、光刻工艺、霍尔效应测试等是微电子行业应用较多的公共技术。微电子材料器件工艺与检测实验室，建设为千级的净化实验室，以扩散退火炉、真空镀膜设备为基础，并配以相关的光刻机、光学显微镜、霍尔效应测试仪等，从而满足从微电子材料的制备工艺到微电子材料与器件的性能测试等实验需求。
该实验室也结合了省光伏发电工程技术开发中心的建设，兼以实现太阳能光伏电池的制备实验，为微电子技术专业的“半导体器件物理”、“集成电路工艺”、“太阳能光伏电池”等课程提供实验支撑。
3.3IC封装测试实验室
近几年来，国内IC产业有较大的发展，尤其是IC制造及IC封装测试业发展很快，在我国集成电路产业链中有着举足轻重的地位，占据了我国微电子产业的半壁江山[13]。IC封装及测试行业也是微电子技术专业学生重要的就业岗位。
建设IC封装测试实验室是培养高素质IC应用型人才的必要要求。
IC封装及测试实验设备价格非常昂贵，高校往往没有能力独立承建。可采用与企业共建的方式进行建设。本实验室与华润矽科微电子有限公司合作共建，建有集成电路自动测试系统、引线键合、电子显微镜、晶体管特性测试及电子测试设备等。
该实验室的建成，为微电子技术专业的“半导体器件物理”、“微电子封装技术”、“集成电路工艺”、“集成电路测试”等课程提供实验支撑。
4结语
集成电路工艺与设计篇3
关键词:专用集成电路设计;创新;教学;探讨
中图分类号:G424文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)04-0920-02
Discussing about How to Teach the "Design of Application-Specific Integrated Circuit" Course
WU Yu-hua
(Beijing Electronic Science and Technology Institute, Beijing 100070, China)
Abstract: "Design of Application-Specific Integrated Circuit" is an important specialty course. In this paper, we will discuss the teaching technique about this course of non-micro-electronics specialty. Combining the teaching practice, several teaching experiences about "Design of Application-Specific Integrated Circuit" course are summarized.
Key words: design of application-specific integrated circuit; innovate; teaching; discuss
《专用集成电路设计》是电气信息类专业开设的一门比较重要的专业课。为了培养宽口径、基础扎实的集成电路设计人才,满足IC行业对人才的大量需求,无论是在微电子专业,还是在相关的其他电气信息类专业,不少重点高等院校都已经开设了本门课程。在学生已经掌握了模拟电子技术、数字电子技术和一定的晶体管原理知识的基础上,通过学习《专用集成电路设计》课,进行ASIC设计理论的学习和实践的强化,进一步掌握集成电路和电路系统的设计知识,提高集成电路设计能力,增长集成电路设计经验;通过理论教学和实践教学,来加强电气信息类专业学生的电路设计基础、版图设计基础以及集成电路设计各环节的验证知识等,培养学生在集成电路设计方面的研究兴趣,为后续课程的学习和进一步的深造打好基础。
由于专业建设和人才培养的需要,北京电子科技学院同样开设了《专用集成电路设计》的专业选修课,授课对象是电子信息工程专业的本科生,由于非微电子的专业背景原因,他们并不具备足够的半导体物理、晶体管原理等知识,因此在本课程的教学过程中,必然要针对具体对象,调整教学内容,创新教学思路,加强教学研究,找到一种适合于非微电子专业本科生的教学思想和教学方法。通过教学实践,学生对于课程组在这一课程中的创新、探索和具体的教学方法比较认可。这里把我们在《专用集成电路设计》课教学实践中的初步探索做一些总结,希望与大家分享。
1 结合实际合理设置授课内容,以学生能够接受为目标
电子信息工程专业的学生在学习《专用集成电路设计》课程之前,已经系统地学习了《电路分析》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《EDA技术》等有关电子技术和电路系统的课程,对于电路系统的设计已经有了一定的理解,并进行过比较系统的动手实践训练,为进一步学习《专用集成电路设计》课程打下了比较坚实的知识基础和实践基础。但是由于专业背景的原因,该专业不太可能只是为了《专用集成电路设计》课而专门开设《半导体物理》、《晶体管原理》等这些在微电子专业才有的课程,因此,与微电子专业相比,电子信息工程专业的本科生欠缺有关晶体管原理和半导体工艺等方面的必要知识。在设置授课内容时,必然要考虑到这一点,总的原则应当是以学生能够接受、但又不应该过于轻松接受为目标,而且要尽量避免与《EDA技术》等课程的知识重复。
根据我们的课程内容设置原则,将《专用集成电路设计》课的讲授内容分为以下几章:第一章:ASIC设计概述;第二章:CMOS逻辑;第三章:ASIC库设计;第四章:ASIC的前端设计;第五章:ASIC的后端设计;第六章:可测性设计技术;第七章:SOC设计技术简介。在各章的讲授中,占用课时较多的分别是第二章、第三章和第五章。在讲授时强调培养学生的系统设计能力,使学生对专用集成电路的设计、制造、测试等一整套流程有一般性、整体性的了解,建立专用集成电路的基本概念和方法,了解IC领域的最新发展趋势,激发学生潜在的对集成电路前、后端设计的兴趣。为了配合理论教学,提升教学效果,还设置了合适的实验教学内容。
2 注重实验教学效果,以培养动手实践能力为目标
集成电路设计类课程除了理论教学以外,实验教学尤为重要,因为这类课程对学生的训练重点正是在于动手实验,提前接触到未来在进一步的研究和工作中可能会应用到的一些软件工具、设计流程以及设计技巧等,这样才能促进学生理论与实践相结合,真正帮助学生掌握ASIC设计技术。因此本课程要更加注重实验教学效果,着力培养学生的动手实践能力,进而使学生能够更加准确、具体和形象地掌握在课堂上学到的理论知识。根据这一原则,经过试用修订,我们专门编印了《专用集成电路设计实验指导书》,根据大纲的变化,使用工具版本的提高,目前已经编印了2007版和2009版的实验指导书,共设计了五个实验,具体是:实验一:IC设计工具的使用;实验二:单元电路的前端设计;实验三:标准单元的版图绘制与验证;实验四:四位加法器和减法器ASIC的设计;实验五:计数器ASIC的设计。每个实验3学时,其中实验二、实验四和实验五为综合性、设计性实验。
选用一种合适的集成电路设计工具是顺利进行实践教学的关键。我们选用了美国Tanner Research公司开发的一种优秀集成电路设计工具――Tanner Tools Pro,它虽然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具强大,但它的最大优点是成本低,可以在PC机上使用,而且图形处理速度快,编辑功能强,便于学习,使用方便,特别适用于高校进行相关的教学和科研工作。Tanner Pro工具在美国和台湾的很多大学中早已被广泛应用,台湾不少IC设计企业也在使用Tanner Pro工具。该工具较新版本为Tanner Tools Pro 13.0,主要包含了S-EDIT(原理图编辑)、L-EDIT(版图编辑)、T-SPICE(电路仿真)、W-EDIT(波形观察)和LVS(版图与原理图比对)等几个功能不同的子工具,满足了集成电路设计从前端到后端、设计验证的一系列过程的需要,完全可以适用于《专用集成电路设计》课程的实践教学。通过我们在课程实验、毕业设计等实践教学环节的使用,发现学生对这个工具上手快、掌握熟,对于以后使用其他的IC设计工具也有一定的帮助,而且培养了他们将来涉足IC设计领域的兴趣和信心。图1是学生在实践教学中得到的一个版图设计结果。
3 适当讲授最新技术进展,以让学生跟上行业发展脚步为目标
我们都知道,集成电路设计技术、制造工艺等的发展速度飞快,遵循着集成电路最小特征尺寸以每三年减小70%的速度下降、集成度每年翻一番和价格每两年下降一半的著名的摩尔定律,集成电路的设计和制造技术发展日新月异。因此,在《专用集成电路设计》的教学过程中,必须要根据教学大纲的要求,在系统讲授已经设置好的教学内容的前提下,结合具体授课内容,适当讲授最新技术进展,以期让学生跟上集成电路设计行业发展的脚步,并不断将这些新技术、新进展、新方法、新工具、新工艺融入到授课内容中,做到授课内容常讲常新。其实这除了让学生可以接受到最新的知识和了解到该领域最新进展之外,同时也是一个教学相长的过程,对于教师的教学和相关科研也是一种无形的促进,可以督促教师不断地跟踪与IC设计、制造相关的最新研究成果,并进行精心的组织,将这些成果有机融入到课程教学中,做到授课内容的不断更新,而且这样也才能够避免一份讲稿多年重复使用,保证教师在教学中的激情,增强教学效果。
在这里仅仅举一个具体例子。在一次讲授到集成电路工艺的内容时,作者为同学们讲授了不断发展的集成电路工艺水平,以及所遇到的工艺发展瓶颈对于摩尔定律的挑战,还具体讲到了Intel公司新推出的0.45nm工艺的CPU,它采用了大大不同于以往的工艺方法,这次工艺变革可以称得上是“拯救摩尔定律”的一大技术进展。本次课后,不少同学纷纷通过互联网等来查阅这一最新工艺的具体情形,表现出了浓厚的学习兴趣。
4 创新课程考查方式,以激发学生进一步的研究兴趣为目标
一门课程的考查方式如何,对于这门课程能不能按照教师的预想,达到既定的最终教学目的,有着比较重要的作用。传统的一张试卷去“考”出学生学习效果的方式虽然比较简单省事,但却过于单调,虽然从某种程度上能够考查出学生对这门课程知识的掌握程度,但是对于激发学生在学完这门课程之后,对本学科、本领域进行进一步研究的兴趣却作用不大。由于自从接受学校教育以来经历了无数次的考试,不少学生厌烦考试的情绪比较严重,恨不得考完后把教材、作业、笔记等都马上丢弃,这是现实存在的、我们必须得承认的事实。从某种意义上说,通过考试来考查学生的学习,有时对最终教学目标的实现会起到一定的反作用。而且单纯考试的方式也很难发现学生对于这门课、这个领域、这个行业的独特想法和创新思路。
作者在《专用集成电路设计》教学过程中,结合课程的专业特点,积极探索并实践了采用提交论文和现场答辩相结合的课程考查方式,即在课程讲授到二分之一左右时,布置给学生论文题目,对于论文的范围、参考文献的篇数、论文的格式和字数等做出明确而具体的规范,要求学生在最后一次课之前提交自己的论文,做好答辩ppt,并利用专门的时间集中进行答辩,每位学生对自己准备的论文,进行5分钟左右的讲解,并接受教师和其他学生的提问。通过创新课程考查方式,提交论文和现场答辩相结合,让学生在准备论文和答辩材料的过程中对专用集成电路设计的有关内容和工艺、方法等有了更加深刻的理解,并有了一个系统的知识梳理过程,现场答辩的方式也更能够展现学生对于集成电路设计的一些独特的思路和创新性的理解,学生在经历这一过程时,也促使自己积极思考,主动研究,努力去探索和集成电路、微电子学有关的一些研究方法和最新进展,激发自己在完成本门课程的学习后、甚至是大学毕业后进行进一步研究的兴趣和信心;另外还在这个过程中提升了学生的论文写作能力、科学研究能力。
5 结束语
《专用集成电路设计》课(或者其他名称的类似课程)在不少设有微电子学专业的重点大学中开设较为普遍,但在没有微电子学专业的高校特别是非重点高校中开设并不多,对于该课程教学实践中的一些具体的方法研究和探讨需要更加深入。作者在教学实践中,紧密围绕本校、本专业的培养目标,以授课对象为主体,遵循课程的教学规律和科学研究规律,选择合适的授课内容和教学方法,并且不断地对此进行探索和研究,收到了初步的教学效果。当然,教学创新永无止境,教学方法的研究和探讨不能止步,作为一名年轻教师,在今后的教学实践中,作者将在加强学习以及与同行交流的前提下,进一步拓宽和创新教学思路,探索和完善教学模式,研究和更新教学内容,学习和探讨教学技巧,敢于创新,善于创新,真正做到教好书,育好人。
参考文献:
[1] Michael John Sebastian Smith.专用集成电路[M].虞惠华,等,译.北京:电子工业出版社,2004.
[2] 路而红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3] 廖裕评,陆瑞强.集成电路设计与布局实战指导[M].北京:科学出版社,2004.
[4] 武玉华,路而红.非微电子专业“专用集成电路设计”课程建设研究[J].南京:电气电子教学学报,2005,27(6)
集成电路工艺与设计篇4
关键词：摩尔定律；晶体管；电子信息产业
中图分类号：TN-9 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）23-0170-02
一、引言
摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登・摩尔（Gordon Moore）在搜集1959年至1965年集成电路上晶体管数量的数据的基础上，于1965年4月提出的[1]。即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。戈登・摩尔提出摩尔定律后的几年内，世界多数半导体公司按照这个定律制定了产品更新策略。1969年，摩尔和朋友建立英特尔公司并制定电子信息产业标准。此后，英特尔公司生产的大量产品都验证了摩尔定律的准确性。直到目前，全球仍有多数知名半导体制造公司一直遵循摩尔定律进行产品生产，如英特尔、高通、AMD、ST等[2]。
摩尔定律核心是不断增加的晶体管的数目，以及更强大的性能和更高的集成度，这也会带来一系列问题，如设计者需要使用各种方法来解决高温问题[3]。但这却能促进制作工艺的提升和集成电路中晶体管数目的增加。一方面，更强大的性能来源于更多晶体管数目；另一方面，制作工艺的更新也促进性能的提升。很多制造集成电路的工艺被英特尔公司使用，比如180nm，90nm，65nm，45nm，32nm等，来也将有14nm和10nm[4]。其他半导体制造公司也有各自的制作工艺，如台积电公司等。
基于以上问题和相关介绍，从1965年起，几乎所有的半导体厂商都遵循了摩尔定律。每一次进步都使得集成电路上能容纳更多的晶体管，并且带来更低廉的价格。然而，在摩尔定律提出的40年以来，也出现了一些问题，一度让人们怀疑摩尔定律是否会被终结[5-6]。但是摩尔定律一直发展到了今天，在未来几年内也会一直有效。
二、摩尔定律与晶体管数目
1.晶体管数目增加的影响。摩尔定律的经典结论是，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，性能也提升一倍。不断增加的晶体管数量意味着更强大的性能，包括更多的功能和更快的运行速度。集成电路功能可以不断提升。例如，原来的8051单片机没有集成片上模数转换，而现在的单片机如集成Cortex-M3内核的STM32内部集成了模数转换模块。这些模块的增加给工程设计带来很多便利，在印刷电路板上不再需要额外的集成电路，并且可以提高传感器的精确度，在AMD的Tahiti XT中集成了4，312，711，873个三极管[7]。最近几年，提出了一个新的概念――片上系统（Soc）。片上系统的集成电路可以拥有更强大的系统功能、更低廉的价格以及更低的耗电量和更小的供电电压。同时，更多的晶体管意味着更快的运行速度。目前最大的个人CPU I7-3970X拥有22.7亿个晶体管[8]，而上一代最大的个人CPU I7-990X拥有10.17亿个晶体管[9]。目前最大个人电脑的核心部件如表1所示。
2.晶体管数目对温度的影响。工程设计人员希望通过增加单位面积里晶体管的数量来提高性能，并希望通过更先进的制造工艺来控制温度。所以新型集成电路的温度并不会比之前集成电路的低。如今，设计者也可以使用其他途径来解决温度问题。多数电脑使用风扇或者水冷，甚至液氮来冷却。为了更有效率地对集成电路进行冷却，冷却技术需要不断地进行改进和提高。现今集成电路冷却业是一个大产业并且不断发展，世界上有很多专注于此的公司。
三、摩尔定律与价格
当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。因为集成电路的价格主要来源于制作工艺提升的费用，更先进的制作设备需要更先进的生产技术和工厂来支持，而集成电路原料的价格可以忽略。英特尔公司在设计集成电路之外，也建立了先进的工厂来保证制造工艺。建造工厂需要花费大量的物理与财力，所以需要通过增加产品的数量并增加工厂的工作年限来减少生产集成电路的平均费用。台积电是一个非常著名的集成电路制造代工公司，它使用了另一种方法来减少生产集成电路的平均费用。NVDIA，AMD，Qualcomm以及一些其他的集成电路设计公司都是台积电的客户。通过帮助大量的集成电路设计公司生产集成电路，台积电可以生产出大量的产品来提供建设厂房所需要的花费。第一台计算机是为了计算炮弹弹道而生产的，所以拥有足够的军费支持。而工业中费用的问题不能忽视，所以集成电路变得越来越廉价，嵌入式系统也被运用在工业控制中。因为嵌入式系统低廉的价格，除了工业控制之外，其他很多领域也在使用单集成电路微处理器。例如智能家居、智能手机、无人飞机等等。在各个领域中广泛运用的电子设备是使我们的生活能变得更智能更现代的原因之一。在摩尔提出摩尔定律的1965年，这些智能化生活都是不可想象的。
四、摩尔定律未来发展趋势
1965年提出的摩尔定律对世界来说是一个重大事件。而现在，我们将怎样评价它48年来对世界的影响？不管怎样，摩尔定律巨大的影响是不可否认的。在摩尔的眼里，摩尔定律所揭示的速度是不可能永远持续下去的[3]。一些文章认为摩尔定律将会因为漏电流和高温被终结[5]。一些其他的观点则认为导致摩尔定律终结的原因是制造商不能收回研发和建造工厂的巨大成本[6]。一个半导体工业协会出版的名为“未来技术发展蓝图”的文件指出，10nm级的工艺是关键，因为以往的机械制作工艺将不能达到其制造的所需要求[6]。关于摩尔定律的继续发展和未来影响，我们有以下看法。
第一，首先是制造工艺上的一些问题。依照目前的发展趋势，有两个方面的问题越来越明显，就是关于漏电流和高温。这些问题需要通过制造工艺的进步来解决。摩尔曾经指出漏电流将会限制摩尔定律发展，当晶体管的尺寸不断减小，漏电流的影响将使得功耗增大。如果设计者不断减小晶体管的尺寸，电流将变得越来越大并烧毁晶体管。
得益于3D晶体管技术，这个由于漏电流产生的问题暂时得到了解决，集成电路还可以工作在更低的驱动电压下。关于温度，由于更先进的制造工艺，在保持同样晶体管数量和性能下，新型号的集成电路的温度总会低于旧型号的集成电路。在奔腾4时代，英特尔不能很好地解决高温的问题。但得益于多核技术，英特尔推出了名为酷睿的产品来解决这个问题。现在，很多移动平台集成电路供应商都使用多核技术来解决高温的问题。同时，为了控制功耗在100W以下，一个叫ARM的著名集成电路公司推出了一个名为big.little的新异构计算解决方案，这个架构将功耗高、性能强的处理器，与功耗低、性能弱的处理器封装在一起。并希望借此能提高处理器的效率，产生能达到高性能但功耗低的处理器。
各种新出现的技术问题将导致发展放缓。首先在于集成电路的制造方面，比如当集成电路达到10nm数量级时，光学加工手段将会取代机械加工手段。英特尔使用疝灯产生的远紫外线来雕刻集成电路，IBM使用X光，这将可能解决工艺尺寸的问题，比如制造14nm尺寸的芯片。如果新的制造手段将被发现，将继续提高集成电路性能。再看看其他方面的限制，比如耗电问题。目前芯片性能的进步很快，但同时也会增加耗电量。这些都可能是集成电路发展的一个不可逾越的瓶颈，导致摩尔定律不再适用，电子信息产业不再迅速发展。
而对于工艺的更新速度，可以参考英特尔的策略，根据英特尔提出的“Tick-Tock”战略，在接下来的一年，将会有7nm和5nm制作工艺的集成电路推出。当“Tick”年来到，集成电路的制程将会更新；而“Tock”年到来时，集成电路的微处理器架构将会更新[9]。
第二，财务因素是每个公司发展的决定性因素。一些专家认为公司无法负担起建设新厂房所需要的大量资金。新的集成电路所带来的利润不足以让公司支付这些费用并盈利，集成电路的更新速度将会放缓。目前，英特尔正在以色列建设10nm生产工艺的工厂。在电子信息产业发展早期，硬件能力的增长跟不上软件需求发展的速度（软件设计总是需要更高性能的硬件），所以对硬件的性能提升有很大的需求，每次硬件的增长都被快速地应用在软件上。而现在软件的复杂性增长已经趋于平缓，而不是继续高速复杂化。比如新一代的Windows 8操作系统对硬件的要求甚至低于老一代操作系统Windows 7[8]。一直致力于提高芯片性能的英特尔也推出了功耗更低和超低电压CPU，由英特尔极力推广的超极本逐渐成为了未来笔记本的发展方向。另一方面因为大多数用户并不需要如此强劲的性能，而更加看重用户体验，加上购买高性能处理器的花费太高，导致技术进步的速度受到限制。比如只有少部分中国人使用昂贵的I7处理器。如果不能有效地控制成本，并且没有大量的市场需求，集成电路性能提高的速度将大大放缓。
第三，全新的制造材料将改变集成电路的发展方向。在晶体管发明以前，没有人能预料到今天电子信息产业的繁荣。也许我们能使用新的材料或者技术来改变现状。我们可以考虑使用其他的半导体元素代替硅元素制作晶体管，比如元素周期表上第三和第五族的元素。利用它们不同的属性，提高芯片的性能。但这可能仅仅是权宜之计，因为它们可能也会遇到与硅元素相同的问题。石墨烯也是一个很有希望的晶体管材料。但是它也有很多问题，比如没有足够的带隙，人们对它的了解也不足够充分。这些材料和技术目前都处于探索之中，未来也许也会有新技术出现，并带来革命性的改变。如果将来的某个发明，改变了集成电路性能提升的方式，或者产生了新的计算机技术，取代了现有的集成电路工作原理，那么摩尔定律可能将不再适用。
五、结论
由本文的研究分析可以得出，目前集成电路的发展还会遵循摩尔定律，并伴随电子信息产业的飞速发展。而若干年以后，集成电路和电子信息产业的发展速度将会放缓。此外，集成电路性能提升的方式也可能会发生改变。
目前，电子信息产业发展飞速，如同大多数工业产业一样，由刚刚兴起时的发展困难到随后的一个高速发展时期，然后又逐渐趋向平稳。在电子信息产业中，这种现象可能出现在五年后，也可能在十年或者二十年以后。但这一天一定会到来，没有人可以打破这个基本的自然规律。在未来几年内，摩尔定律还将适用，电子信息产业仍将快速蓬勃发展。在未来的某天，摩尔定律将失去它的价值，电子信息产业也将会以其他的形式和方向继续发展。
参考文献：
[1]Nam Sung Kim，Leakage current：Moore’s Law Meets Static Power[J].the IEEE Computer Society. December 2003：68-75.
[2]陶然.守望摩尔定律[J].电子产品世界，2010，（6）：2-4.
[3]沈建苗.摩尔定律是否有未来[J].微电脑世界.2011，（9）：12-15.
[4]Desktop 3rd Generation Intel Core Processor Family，Desktop Intel Pentium Processor Family，and Desktop Intel Celeron Processor Family[EB].http：///content/dam/www/public/us/en/documents/datasheets/3rd-gen-core-desktop-vol-2-datasheet.pdf，January 2013.
[5]齐书阳.摩尔定律会终结吗[J].电脑爱好者，2013，（8）.
[6]赵佶.摩尔定律何时会失效[J].半导体信息，2012，（5）：4-8.
[7]Mike Mantor. White Paper|AMD GRAPHICS CORES NEXT （GCN） ARCHITECTURE[EB].http：///cn/Documents/GCN_Architecture_whitepaper.pdf，August，28，2012.
[8]Intel Core i7-900 Desktop Processor Extreme Edition Series and Intel Core i7-900 Desktop Processor Series on 32-nm Process[EB]. http：///content/dam/www/public/us/en/documents/datasheets/core-i7-900-ee-and-desktop-processor-series-datasheet-vol-1.pdf，February，2010.
[9]First the Tick，Now the Tock：Next Generation Intel Microarchitecture[EB].http：///content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/next-gen-microarchitecture-paper.pdf，March，2008.
集成电路工艺与设计篇5
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个部级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
[2]罗胜钦，王遵彤，万国春，张志峰.电子科学与技术专业培养方案初探[J].电气电子教学学报，2009，（31）：89.
集成电路工艺与设计篇6
关键词：大飞机；线缆检测；自动化；LRU
1 概述
在国外，随着计算机控制技术和集成检测技术的飞速发展，将飞机制造数字化装配、自动化检测推向了一个新的高度。空客、波音、洛克希德・马丁等领先的航空制造企业，在全机线缆检测方面已经没有采用人工方式完成的方法。高效、快捷、更为可靠的全机线缆自动化集成检测技术被广泛采用。军用飞机方面欧洲的A400M、美国的F-22、F-35飞机，民机方面波音的787飞机、空客的A-350、A-380等飞机在总装配检测站位都采用自动化手段完成全机机线缆的导通、绝缘检查。
在国内，线缆集成检测技术在ARJ21等型号上陆续开始使用，因这些机型都属于中、小型飞机，测试点数相对较少，采用的整机线缆检测是基于全部使用工艺转接电缆的方法，工作量和工作效率相对能够接受。
国内正在开展的大飞机研制因为检测点数多、分散等特点，如果采用传统的主要基于转接电缆的线缆集成检测方法，工作效率低下。通过对大飞机全机线缆自动化集成检测技术的研究，在总装配检测环节上实现适用于大飞机特点的数字化、自动化检测技术，能够极大地缩短飞机的总装配周期并提升产品质量。
2 线缆检测的工作原理
两线测试法原理：两线测试法是将电压表接到测试产品的两端，同时测试通过电压表的电流大小，通过欧姆定律计算出测试产品的电阻值。在使用三用表进行电缆导通时，即采用此原理，将三用表置于欧姆档，通过导通线直接测电缆的电阻值。目前国内几种机型采用的线缆集成检测技术均使用二线法进行测试。
四线测试法原理：四线测试法是将电流表和电压表分别接到测试产品的两端，这样得出来的电压值及电流值更接近产品本身的相对应的值，然后用测出的电压值与系统提供的电压进行比较从而得出产品的电阻值，相对于两线测试法来说，它的测试精度更高，测试结果更可靠。
线缆集成检测的工作原理：从接线图、电缆制造图中梳理出线缆检测的针脚关系（导通表）并输入系统检测数据库。使用工艺设备（工艺LRU、工艺转接电缆、电缆插头转接器）将全机线缆与检测设备连接起来，通过程序自动控制实现线缆导通、绝缘检查、耐压检查、总线检查并对故障智能定位。
3 目前国内各机型线缆集成检测的方法及问题
在国内和国外的中、小型飞机上，全机线缆测试点数相对较少（2万点以内），采用的全机线缆检测是基于全部使用工艺转接电缆的方法，工作量和工作效率相对能够接受。
例如，欧洲台风战斗机的全机线缆集成检测现场布置大量的工艺转接电缆（该型机的测试点数不超过10000点）。但对于大飞机来说，如果测试点数是台风战斗机的三倍，测试方案仍然采用传统的全部为工艺转接电缆连接各测试点的方案是不可取的，转接电缆的存取管理和设计制造成本以及准备阶段的工作量都非常巨大。据统计，3万点的转接电缆（拿取、上机、连接）至少需要三天时间，工作量和工作效率均无法接受。
我国正在研制的大飞机（如C919飞机）线缆检测工作的特点可概括如下：
（1）全机检测点数多，检测周期长：采用自动化检测可以对全机线缆的导通、断路、短路、串接进行集成检测，判断线缆网络连接的正确性和全机线缆故障，如短路、断路、错接、漏接、多接、不正确等信息，可以加快检测速度，提高检测可靠性，避免人为差错。
（2）整机检测点分布极为广且分散，检测难度大：全机检测点数分布范围遍布整个机身段和机翼，尾翼部位、发动机短舱也有覆盖。检测过程中距离较远，易造成检测错位，全部采用转接电缆连接测试点的方法费时费力。
（3）电子设备集中放置、可实现LRU检测模块代替转接电缆完成线缆检测：如果全部采用转接电缆造成会局部检测电缆数量非常大，极易造成电缆连接错误和电缆的损坏，同时给工艺转接电缆安装、分解造成困难。
4 大飞机全机线缆自动化集成检测技术的思路和核心技术
为了解决大飞机点数多、分布广、工作量大、检测难度大的问题，与国内普遍采用的全部基于工艺转接电缆的线缆集成检测方法不同，大飞机全机线缆自动化集成检测技术的设计思路是：通过工艺LRU转接，实现LRU线缆集成检测，最大程度做到工艺转接电缆的通用性，大大减少工艺转接电缆的数量和体积。通过电缆插头转接器的大量使用，大大减少工艺转接电缆的数量，提高工作效率和质量。
核心技术有如下几点：
4.1 在设备集中放置的区域采用工艺LRU进行转接进行测试
现在航空机载电子成品大多采用标准机箱（如ATR系列），使用与机载成品外形及接口相同的检测LRU单元安装在原有成品的位置，一端与机上真实电缆完成对接，一端与工艺转接电缆对接（可以实现工艺转接电缆标准化），完成线缆的导通和绝缘检查，从而实现工艺转接电缆的标准化和盲插功能并增加了检测设备的使用寿命。
4.2 在末端成品插头处采用工艺插头转接器
工艺插头转接器采用二极管、电阻为核心原件将相邻、相近的线束连通，在进行电缆自动化测试时，通过正反两次导通即可验证连通的两段线路的通断性能。
对机分散在末端的成品，如作动器、传感器、天线、活门等，可采用工艺插头转接器与相关电缆插头连接，达到大量节省工艺转接电缆、减轻工作强度、加快检测效率的目的。
4.3 采用分布式测试架构
对于某型机全机线缆测试点数多、分散的情况，将全机按部件、段位划分为八组测试单元，采用分布式测试架构。分别在驾驶舱左、驾驶舱右、货舱前、货舱后、左机翼下、右机翼下左右主起设备舱、尾翼下布置测试终端，就近与机上电缆对接。
4.4 工艺转接电缆的智能管理
对于工艺转接电缆的存放、拿取工作要采用智能化管理的方法（RFID）。每一束工艺转接电缆中均有唯一的身份识别芯片（电缆ID），通过电缆ID查找转接电缆存储位置，智能存取柜上的LED指示目标电缆存储位置，通过测试程序自动检索指示电缆存储位置。在与飞机上的工艺LRU对接时，同等规格的电缆可以实现盲插拔（可互换），通过电缆ID自动识别连接的工艺LRU，大大提高检测准备阶段的效率和工作质量。
5 结束语
通过对大飞机全机线缆自动化集成检测技术的研究，从系统原理分析、国内外机型检测方法的现状和存在的问题、大飞机线缆检测工作的特点、技术的核心四个方面进行分析并提出新的适用于大飞机的全机线缆自动化集成检测技术。对于加快我国大飞机生产效率、提高检测质量有深远的意义。
参考文献
[1]徐小龙，杨庆华.民用飞机全机电缆自动化测试系统研究[J].电子技术与软件工程，2014，No.3812：91-92.
[2]李春芳，史剑锋.民用飞机全机闪电间接效应试验方法浅析[J].科技创新导报，2014，v.11；No.29810：43-44.
集成电路工艺与设计篇7
关键词：半导体；制造技术；实践教学；集成电路
在目前我国强力推进自主集成电路芯片“中国芯”的研发与制造背景下，我国的微电子产业快速发展，对半导体行业的高水平专业人才的需求也随之大幅增加。但目前每年高校微电子专业的毕业生数量远远不能满足半导体制造技术业的需求，半导体制造技术行业高水平专业人才的匮乏已经成为制约其快速发展的主要瓶颈之一。为此，培养一批具备前沿半导体集成芯片的工程应用能力，掌握以半导体制造技术为载体的微电子系统研发、设计与生产能力的微电子专业人才是目前高校所面临的迫在眉睫的问题，因而加强半导体制造工艺人才的培养已成为大学教学的一个重点研究内容。
“半导体制造技术”是我院电子封装技术专业的必修课程，也是培养学生实践动手能力和创新开发能力的专业特色课程之一。该课程的目标是培养学生系统掌握微电子关键工艺及其原理，并具有一定工艺设计、分析及解决工艺问题的能力，因此，在这门课程中引入实践教学是至关重要的。
一、“半导体制造技术”课程内容的特点
“半导体制造技术”这门课程广泛涉及量子物理、电学、光学和化学等基础科学的理论概念，又涵盖半导体后端工艺的材料分析等与制造相关的高新生产技术。该课程的主要内容包括微电子集成电路制造工艺中的氧化、薄膜淀积、掺杂（离子注入和扩散）、外延、光刻和刻蚀等工艺，培养学生掌握集成电路制造工艺原理和设计、工艺流程及设备操作方法，使学生掌握集成电路制造的关键工艺及其原理。同时，该课程又是一门实践性和理论性均较强的课程，其涉及涵盖的知识面广且抽象。基于此，培养学生的实践动手、工艺分析、设计及解决问题的能力单纯依靠课堂上的讲和看是远远达不到的。如何利用多种可能的资源开展工艺实践教学，加强科学实验能力和实际工作能力的培养，是微电子专业教师的当务之急。
二、教学条件现状及实践教学的引入
1.教学条件现状
众所周知，半导体制造行业的设备如金属有机化合物化学气相沉淀、等离子增强化学气相沉积（PECVD）和磁控溅射等设备价格昂贵，且对环境条件要求苛刻。与企业相比，高等学校在半导体制造设备和场地方面的投入远远不够。为了达到该课程的教学目标，我们学校购置了一些如磁控溅射系统、PECVD、高温扩散炉和快速热处理炉等与半导体制造工艺相关的设备。
2.引入实践教学的重要性
教学和实践相辅相成，教学指导实践，实践反哺教学。为了加深学生对在课堂上所学的理论和工艺知识的理解，并培养学生的动手能力，我们在“半导体制造技术”这门课程中增添了利用PECVD技术淀积钝化层SiNx：H薄膜及快速热处理等实践课。对于薄膜淀积实践课，在实验前期，学生需要调研，确定薄膜淀积参数（如温度、时间、气流比等）；在薄膜淀积完成之后，需要通过一些手段表征薄膜的结构和性能，检查是否达到了预期的效果，如果和预期结果不相符，由老师组织学生共同探讨并解决。在学生全程参与的实践课程中，学生都感受到学习的乐趣，充分调动了学生的积极性，培养了学生提出问题、解决问题和分析问题的能力。
“半导体制造技术”课程的开展不仅要使学生掌握基本的理论知识，更重要的是通过课程传授、实践操作及企业案例等多种教学活动，激发学生的学习积极性和主动性，并提高学生的动手实践能力、分析问题和解决问题的能力。通过实践课的开展，将学生在课堂中学到的理论知识与企业的实际工作联系起来，加深了对半导体制造技术关键工艺的理解。这些教学活动有效地培养了学生的创新思维和实践能力，提高了整体的教学效果。理论和实践相结合的授课方式必将成为“半导体制造技术”课程创新型教学改革与持续发展的原动力。
参考文献：
[1]刘博，张雷鸣，王金婵，等.《半导体制造技术》双语教学的尝试和探索[J].科技创新导报，2015（2）：150-152.
[2]白晋军，李鸿强.《集成电路工艺原理》教学内容的改革探索[J].考试周刊，2013（30）：15-16.
[3]童筱钧.《集成电路工艺原理》课程教学实践环节的探索[J].常州工学院学报，2014（2）：85-88.
集成电路工艺与设计篇8
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
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