什么是集成电路（IC）？

在现代社会中，几乎一切都与电子产品密不可分。从微波到卫星，当今的电子设备已经完全融入到我们的日常生活的每时每刻，甚至在我们睡觉时也可能会涉及数字声学、触觉和分析相关的电子产品。但是，虽然为我们的生活提供照明、互联和移动功能的系统千差万别，但几乎所有电子设备都包含一个或多个相同的基本组成部分——即非常小型而且非常复杂的集成电路。

什么是集成电路？

集成电路（IC）通常称为芯片，是由一种叫做硅的半导体材料制成，其中，在硅片内有许多叫做晶体管的小型电子组件，然后它们通过层叠在硅表面的互连线连接在一起。

IC有什么作用？

您可能对您喜爱的设备内部整齐排列的黑盒子并不陌生。由于尺寸小巧并且特征不明显，这些黑盒子很难让人相信它们实际上是大多数现代电子产品的关键所在。但是，如果没有集成芯片，大多数技术就不可能实现，而对于我们这个高度依赖技术的社会而言，我们将变得束手无策。

集成电路是由电阻器、晶体管和电容器等相互连接的组件组成的紧凑型电子芯片。基于单片半导体材料（如硅）而构建，集成电路可包含数百到数十亿个组件的集合——所有这些组件协同工作，才让这个世界得以正常运转。

集成电路的用途非常广泛：儿童玩具、汽车、计算机、手机、宇宙飞船、地铁列车、飞机、电子游戏、牙刷等。基本上，只要有电源开关，该产品的电子使用寿命很可能要取决于集成电路。集成电路可以在每个设备中充当微处理器、放大器或存储器。 

集成电路是使用光刻技术创建而成，这种工艺利用紫外光将组件同时印刷到一块基板上，就像用一张底片打印多张照片一样。相比于使用分立组件而言，将IC的所有组件打印在一起的高效率意味着IC的生产成本更低、性能更可靠。IC的其它优势包括：

• 尺寸极小，因此设备可以相当紧凑
• 高可靠性
• 高速性能
• 满足低功耗要求

IC制造的发展历程

近75年来，IC让越来越复杂的设备成为可能。但IC是如何诞生的呢？将多个组件集成到一个芯片上的想法最初产生于二十世纪五十年代，当时不同的科学家几乎在同一时间独立开发了类似的设计。

自诞生以来，集成电路经历了多次的演变发展，从而使我们的设备变得更小巧、更快速、更便宜。虽然第一代IC在单个芯片上仅包含了几个组件，但此后的每一代IC都在功率和经济性方面实现了指数级的飞跃发展。

• 二十世纪五十年代：单个芯片上只有几个晶体管和二极管的集成电路问世。
• 二十世纪六十年代：双极结型晶体管和中小规模集成技术的引入，使得在单个芯片上能够连接数千个晶体管。
• 二十世纪七十年代：大规模集成和超大规模集成技术（VLSI）使芯片能够包含数万乃至数百万个组件，从而推动了个人计算机和高级计算系统的发展。
• 二十一世纪：在本世纪初，特大规模集成技术（ULSI）允许在一个基板上集成数十亿个组件。
• 下一步：目前正在开发的2.5D和3D集成电路（3D-IC）技术将带来难以想象的灵活性，推动电子技术实现又一次飞跃发展。

最早的IC制造商是垂直整合的企业，他们自己完成所有的设计和制造步骤。对于英特尔、三星和存储器芯片制造商等部分企业来说，情况仍然如此。但自二十世纪八十年代以来，“无晶圆厂”业务模式已成为半导体行业中的常态。

无晶圆厂的IC企业通常不制造他们自己设计的芯片。相反，他们将这项业务外包给专门的制造企业，而这些制造企业运营着许多设计公司共用的制造设施（晶圆厂）。无晶圆厂IC设计公司的示例包括苹果、AMD和NVIDIA等行业领先企业。目前领先的IC制造商包括台积电、三星和GlobalFoundries。

集成电路的类型

IC可根据其复杂性和用途分为不同类型。部分常见的IC类型包括：

• 数字IC：它们可用于计算机和微处理器等设备。数字IC可用于存储器，存储数据或逻辑。它们经济实惠、易于设计低频应用。
• 模拟IC：模拟IC被设计来处理从零到满电压等不同信号幅度的连续信号。这些IC可用于处理诸如声音或光等模拟信号。与数字IC相比，模拟IC的晶体管数量更少，但设计难度却更大。模拟IC可用于各种应用，包括放大器、滤波器、振荡器、稳压器和电源管理电路。它们常见于音频设备、射频（RF）收发器、通信、传感器和医疗仪器等电子设备中。
• 混合信号IC：混合信号IC结合了数字电路和模拟电路，可用于需要这两种处理类型的领域，如手机、汽车和便携式电子设备中的屏幕、传感器和通信应用。
• 存储器IC：这些IC可用于临时或永久存储数据。存储器IC的示例包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。就晶体管数量而言，存储器IC是最大的IC之一，因此需要极高容量和快速的仿真工具。
• 专用集成电路（ASIC）：ASIC旨在高效地执行特定任务。它并非可以被部署在大多数应用中的通用IC，而是为执行特定功能而定制的片上系统（SoC）。

IC封装类型

在设计和制造芯片后，第三步即最后一步是对芯片进行测试和封装。这是半导体行业中一个更加高度专业化的子领域。

实际的硅芯片太小、太复杂，无法直接操作，因此通过IC封装提供了更实质性的操作对象。保护外壳——通常是由塑料或陶瓷制成的、带有集成引线或凸点的外壳，使我们能够将微型芯片连接到电路板上。根据预期应用，IC封装的尺寸和形状各不相同。

什么是2.5D和3D-IC？

随着一切数字化产品的消费不断对设备的速度、智能化和尺寸等方面提出挑战，业界对IC更高效处理更多信息的需求也将永无止境。在最新一代的技术中，两种非常有前景的新选择包括：2.5D和3D-IC。

在2.5D-IC中，将两个或两个以上的芯片相邻放置在同一表面平面上，这种技术被称为Interposer技术。这种在共享基座上并排相邻的布局提高了IC的互连密度。

现在将这种逻辑再提升一个级别，就有了3D-IC。这种逻辑对逻辑（logic-on-logic）夹层是通过将芯片或晶片相互堆叠在一起而形成的。除了进一步提高互联外，3D-IC还能以更小的尺寸提供更强的处理能力，并能高度灵活地使用不同的技术节点。      

这些多芯片封装技术带来的一大新挑战是散热问题。考虑到高性能计算（HPC）芯片的功耗可以轻松超过200瓦，那么当您将多个这样的芯片紧密堆叠在一起时，过热和热管理显然会成为主要的限制因素。

通过提高IC的连接效率，2.5D和3D技术正帮助工程师应对自二十世纪五十年代以来一直面临的扩展挑战：“我们如何事半功倍？”

改进IC设计

通过使工程师预测IC的性能，并准确的签核验证，对于优化几乎所有电子设备的设计流程至关重要。通过仿真，设计人员可以根据多项要求（包括功耗、热和参数良率）对IC进行评估。此外，Ansys RedHawk-SC具有独特的功能，可提供综合全面的多物理场分析，揭示不同物理场如何相互作用，从而影响IC的性能和使用寿命。

如欲了解有关集成电路的更多信息，欢迎报名参加我们的网络研讨会“硅中介层设计的热完整性挑战和解决方案”。