1、咩係集成電路？

集成電路，英文叫 Integrated Circuit，簡稱 IC；顧名思義，就係將一定數量嘅常用電子零件，例如電阻、電容、晶體管等等，同埋呢啲零件之間嘅連線，透過半導體工藝集合成一體，從而具備特定功能嘅電路。

2、集成電路嘅分類

功能同結構

集成電路（即 IC），按功能同結構嘅唔同，可以分做模擬集成電路、數碼集成電路，同埋數/模混合集成電路三大類。

模擬集成電路又叫做線性電路，用嚟產生、放大同處理各種模擬信號（即係幅度會隨住時間改變嘅信號，例如半導體收音機嘅音頻信號、錄放音機嘅磁帶信號等等），佢嘅輸入信號同輸出信號係成比例嘅。

而數碼集成電路就係用嚟產生、放大同處理各種數碼信號（即係喺時間同幅度上都係離散數值嘅信號，例如 3G 手機、數碼相機、電腦 CPU、數碼電視嘅邏輯控制，同埋重播嘅音視頻信號）。

製作工藝

集成電路按製作工藝可以分為半導體集成電路同膜集成電路。

膜集成電路又可以再細分做厚膜集成電路同薄膜集成電路。

集成度高低

集成電路按集成度嘅高低，可以分做：

SSIC 小規模集成電路（Small Scale Integrated circuits）

MSIC 中規模集成電路（Medium Scale Integrated circuits）

LSIC 大規模集成電路（Large Scale Integrated circuits）

VLSIC 超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated circuits）

ULSIC 特大規模集成電路（Ultra Large Scale Integrated circuits）

GSIC 巨大規模集成電路（又叫做極大規模或者超特大規模集成電路）。（Giga Scale Integration）

導電類型

集成電路按導電類型可以分做雙極型集成電路同單極型集成電路，呢兩款都屬於數碼集成電路。

雙極型集成電路嘅製作工藝比較複雜，功耗都大啲，代表有 TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL 等類型。單極型集成電路嘅製作工藝就相對簡單，功耗較低，好容易就做到大規模集成，代表有 CMOS、NMOS、PMOS 等類型。

按用途

集成電路按用途可以分做：電視用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄影機用集成電路、電腦（微型電腦）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、警報器用集成電路，以及各種專用集成電路。

按應用領域

集成電路按應用領域可以分做標準通用集成電路同專用集成電路。

按外觀形狀

集成電路按外觀形狀可以分做圓形（金屬外殼晶體管封裝型，一般適合大功率用）、扁平型（穩定性好，體積細）同雙列直插型。

3、集成電路嘅結構同組成

集成電路係一種微型電子器件或者部件。採用特定工藝，將一個電路入面需要嘅晶體管、電阻、電容同電感等零件同埋佈線連埋一齊，整落一小塊或者幾小塊半導體晶片或者介質基片上面，然後封裝喺一個管殼入面，變成一個具備所需電路功能嘅微型結構；入面所有零件喺結構上已經連成一個整體，令電子零件邁向微型化、低功耗、智能化同高可靠性嘅方向行前咗一大步。

一般嚟講，我哋會用由上而下嘅層級嚟認識集成電路，咁樣會易明啲，都有條理啲。

系統級

以手機為例，成部手機本身就係一個好複雜嘅電路系統，可以打電話、玩遊戲、聽歌等等。佢係由好多塊芯片，加上電阻、電感、電容互相連接而成，呢個層級叫做系統級。（當然，隨住科技發展，將成個系統做落同一塊芯片上面嘅技術都已經出現咗好多年 —— 就係 SoC 技術）。

模塊級

成個系統入面會分做好多功能模塊，各司其職。有啲負責管理電源，有啲負責通訊，有啲負責顯示，有啲負責發聲，有啲就負責統籌全局嘅運算等等。呢個我哋叫做模塊級。入面每一個模塊都係一個宏大嘅領域，凝聚咗無數人類智慧嘅結晶，都養活咗好多間公司。

寄存器傳輸級（RTL）

咁每個模塊係由咩組成嘅呢？以佔成個系統較大比例嘅數碼電路模塊為例（佢專門負責邏輯運算，處理嘅電信號都係離散嘅 0 同 1），佢係由寄存器同組合邏輯電路組成嘅。所謂寄存器，就係一個可以暫時儲存邏輯值嘅電路結構，佢需要一個時鐘信號嚟控制儲存邏輯值嘅時間長短。

現實中我哋需要時鐘嚟衡量時間，電路入面都需要時鐘信號嚟统筹安排。時鐘信號係一個周期穩定嘅矩形波。現實入面秒針郁一下係我哋嘅基本時間尺度，電路入面矩形波震盪一個周期就係佢哋世界嘅時間尺度。電路零件就根據呢個時間尺度嚟做出相應嘅動作，履行職責。

至於組合邏輯呢，就係由好多「與（AND）、或（OR）、非（NOT）」邏輯閘組合而成。例如兩個串連嘅燈膽，各自帶一個開關，一定要兩個開關都打開，盞燈先會著，呢個就叫做「與」邏輯。

一個複雜嘅功能模塊，正正就係由呢一個又一個嘅寄存器同組合邏輯組成嘅。我哋將呢個層級叫做寄存器傳輸級。

圖中三角形加個圈圈係一個「非」閘，隔離嗰個器件就係寄存器，D 係輸入，Q 係輸出，clk 端就係輸入時鐘信號。

閘級

寄存器傳輸級入面嘅寄存器，其實亦都係由與、或、非邏輯構成嘅，將佢再細分做與、或、非邏輯，就到達咗閘級（佢哋就好似一扇扇門咁，阻擋或者允許電信號進出，所以叫閘級）。

晶體管級

無論係數碼電路定係模擬電路，去到最底層都係晶體管級。所有邏輯閘（與、或、非、與非、或非、異或、同或等等）都係由一個個晶體管構成嘅。所以集成電路由宏觀去到微觀，去到最底層，滿眼望落去其實全部都係晶體管，以及連接住佢哋嘅導線。

早期雙極性晶體管（BJT）用得比較多，俗稱三極管。佢駁上電阻、電源、電容，本身就有放大信號嘅作用。好似砌積木咁，可以用佢砌出各式各樣嘅電路，例如開關、電壓/電流源電路、上面講過嘅邏輯閘電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。用 BJT 砌出嚟嘅電路我哋叫 TTL 電路。BJT 嘅電路符號係長呢個樣嘅：

後來金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）出現，以優良嘅電學特性、超低功耗橫掃 IC 界。除咗模擬電路入面 BJT 仲有少少身影之外，基本上而家嘅集成電路都係由 MOS 管組成嘅。同樣地，用佢都可以砌到成千上萬種電路。而且佢本身透過適當嘅接線，都可以用嚟做電阻、電容等基本電路零件。MOSFET 嘅電路符號如下：

如上所述，喺實際工業生產入面，整芯片，其實就係整千千萬萬個晶體管嘅過程。現實中整芯片嘅層級順序就剛好相反，要由最底層嘅晶體管開始，一層層咁向上砌。基本上，跟住「晶體管 -> 芯片 -> 電路板」嘅順序，我哋最終就可以得到電子產品嘅核心部件 —— 電路板。

4、集成電路嘅製造

4.1 首先要知道，光刻大概嘅流程係咁嘅：喺一塊晶圓（wafer，通常直徑係 300mm）上面搽一層光刻膠，然後光線經過一塊已經刻有電路圖案嘅掩膜版，照射到晶圓上面，晶圓上面嘅光刻膸部分會感光（對應有圖案嘅部分），跟住做後續溶解光刻膠、蝕刻晶圓等工序。然後再搽一層光刻膠，重複以上步驟幾十次，去到達到要求為止。

4.2 簡化嘅結構請睇下圖。掩膜版同晶圓各自安裝喺一個運動平台上面。光刻嘅時候，兩個平台移動到指定位置，光源就會打開。光線穿過掩膜版之後，經過透鏡，呢個透鏡可以將電路圖案縮細到原來嘅四分之一，然後投射到晶圓上面，令光刻膸感光。

4.3 一塊晶圓上面有好多粒 die，每粒 die 都刻有一樣嘅電路圖案，即係一塊晶圓可以出產好多塊芯片。一粒 die 典型嘅尺寸係 26×32mm。

光刻機主要有兩種，一種叫 stepper，即係掩膜版同晶圓上面某一粒 die 對好位之後，光源開、閂，完成一次光刻，然後晶圓移動令下一粒 die 對好位，再做一次光刻，如此類推。

而另一種光刻機叫 scanner，即係將光線限制喺一條縫嘅區域內，光刻嗰陣，掩膜版同晶圓同時移動，令光線以掃描嘅方式掃過一粒 die 嘅區域，從而將電路圖案刻喺晶圓上面（見下圖 b）。

scanner 比 stepper 嘅優勢在於，可以提供更大嘅 die 尺寸。原因在於，對於一個固定尺寸嘅圓形透鏡，例如直徑 32mm 嘅圓（指投射後嘅區域大小），佢容許透過嘅光線區域尺寸係受限制嘅。

如果用 stepper 嘅 step-and-expose 方式做光刻，一粒 die 嘅區域必須要塞得入直徑 32mm 嘅圓入面，所以能得到嘅最大 die 尺寸只有 22×22mm；如果用 scanner 嘅 step-and-scan 方式，透鏡可以提供嘅矩形區域長度可以去到 26mm（26×8mm）甚至更長，將光縫設定做呢個尺寸，用掃描嘅方式就可以得到 26×Lmm 嘅區域（L 係掃描長度）。區域示意請睇下圖 a。同樣嘅透鏡喺 scanner 下可以做到更大區域嘅意義在於，當你需要生產尺寸較大嘅芯片嗰陣，換一塊更大嘅透鏡嘅費用係好昂貴嘅。

4.4 Scanner 嘅 step-and-scan 過程示意圖如下：

4.5 為咗唔好令每層電路互相干擾，需要對上下平台做精密嘅運動控制。掃描嗰陣上下平台應該要處於勻速運動狀態。而家最細嘅層叠誤差已經細過 2nm（單部機入面）或者 3nm（唔同機器之間）。

4.6 光源嘅波長一般為 365、248、193、157 甚至 13.5nm（EUV，極紫外光）。因為光刻過程會受到衍射限制，光源波長越細，能夠做到嘅芯片尺寸就越細。

4.7 喺透鏡同晶圓之間加入折射率大過 1 嘅液體（例如水），可以減小光線波長，從而提高 NA（數值孔徑）同分辨率。呢種光刻機叫做浸潤式光刻機。

4.8 世上做高端光刻機嘅廠家主要係 ASML、Nikon 同 Canon。不過佳能大概已經唔得喇。Nikon 每年都會開個會叫做 LithoVision。

5、集成電路嘅封裝形式

SOP 小外型封裝

SOP，又可以叫 SOL 同 DFP，係一種好常見嘅零件形式。同時亦都係表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側引出，形狀好似海鷗翼（L 字形）。封裝材料分塑膠同陶瓷兩種。由 70 年代末期開始出現。

SOP 封裝嘅應用範圍好廣，除咗用喺記憶體 LSI 之外，喺輸入輸出端子唔超過 10 到 40 個嘅領域入面，SOP 都係最普及嘅表面貼裝封裝。後來，為咗適應生產需要，亦都慢慢衍生出 SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC 等一啲小外型封裝。

PGA 插針網格陣列封裝

PGA 芯片封裝形式常見於微處理器嘅封裝，一般係將集成電路包裝喺瓷片入面，瓷片底部係排列成方形嘅插針，呢啲插針可以插入或者焊死喺電路板對應嘅插座入面，非常適合需要頻繁插拔嘅應用場合。對於同樣管腳數目嘅芯片，PGA 封裝通常會比以前常見嘅雙列直插封裝佔用面積細啲。

PGA 封裝具有插拔操作方便、可靠性高，同埋可以適應更高頻率嘅特點，早期嘅奔騰芯片、Intel 系列 CPU 入面嘅 80486 同 Pentium、Pentium Pro 都係採用呢種封裝形式。

BGA 球柵陣列封裝

BGA 封裝係由 PGA 插針網格陣列改良而成，係一種將某個表面以格狀排列嘅方式鋪滿引腳嘅封裝法，運作嗰陣可以將電子信號從集成電路傳導去佢所在嘅印刷電路板。喺 BGA 封裝底下，引腳係被錫球取代嘅，呢啲錫球可以手動或者透過自動化機器擺放，並且透過助焊劑將佢哋定位。

BGA 封裝可以提供比其他例如雙列直插封裝或者四側引腳扁平封裝更多嘅接腳，成個裝置嘅底面都可以作為接腳使用，比起周圍受限嘅封裝類型，平均導線長度更短，從而具備更高嘅高速效能。

DIP 雙列直插式封裝

所謂 DIP 雙列直插式封裝，即係指採用雙列直插形式封裝嘅集成電路芯片，絕大部分中小規模集成電路 IC 都採用呢種封裝形式，引腳數目一般唔超過 100 個。採用 DIP 封裝嘅 CPU 芯片有兩排引腳，需要插入具有 DIP 結構嘅芯片插座入面。DIP 封裝嘅芯片喺插座上面插拔嗰陣要特別小心，以免整爛條引腳。