集成電路的基本常識

吳 運

安徽涇縣醫(yī)院醫(yī)療器械工程師

集成電路的基本常識

吳 運

安徽涇縣醫(yī)院醫(yī)療器械工程師

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路的應(yīng)用也越來越廣。在集成電路使用前，工程技術(shù)人員首先應(yīng)對該集成電路的類型、參數(shù)、結(jié)構(gòu)、外形及封裝等進行全面了解，才能充分發(fā)揮該集成電路的用途及功效。所以本文主要針對集成電路的基本常識做出相關(guān)的總結(jié)及分析。

集成電路（IC）是英文“IntegratedCircuits”的縮寫，集成電路是由多個電路集成在一起的電子元器件的總稱，世界上第一塊集成電路是1958年由德克薩斯儀器公司的科學(xué)家基爾比為首的研究小組研制的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使集成電路的應(yīng)用涉及醫(yī)療、軍事、通訊等各個領(lǐng)域。集成電路具有運算速度快、可靠性高、體積小、成本低廉、重量輕、專用性強、壽命長、選用方便、用途廣泛等優(yōu)點，而且具有技術(shù)升級快、衍生性、移動性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等特點。

集成電路的分類

1.集成電路按功能主要分為：模擬集成電路（Analog IC）和數(shù)字集成電路Digital IC）。模擬集成電路即用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號（指幅度時間邊疆變化的信號）。模擬集成電路可分為線性模擬集成電路（又叫放大集成電路，如運算放大器、電壓比較器、跟隨器等）和非線性集成電路（如振蕩器、定時器等電路）。數(shù)字集成電路即用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號），數(shù)字集成電路是采用二進制方式進行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路。數(shù)字集成電路產(chǎn)品的種類很多，若按電路結(jié)構(gòu)來分，可分成TTL和MOS 兩大系列。 TTL 數(shù)字集成電路是利用電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的，所以又叫做雙極性電路。MOS 數(shù)字集成電路是只用一種載流子導(dǎo)電的電路，其中用電子導(dǎo)電的稱為NMOS 電路；用空穴導(dǎo)電的稱為PMOS 電路：如果是用NMOS 及PMOS 復(fù)合起來組成的電路，則稱為CMOS 電路。 CMOS 數(shù)字集成電路與TTL 數(shù)字集成電路相比，有許多優(yōu)點，如工作電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗低，抗干擾能力強，輸入阻抗高，成本低，等等。因而， CMOS 數(shù)字集成電路得到了廣泛的應(yīng)用。目前電子電路的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的進步，而且數(shù)字集成電路是近年來應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的集成電路品種，但不等于數(shù)字電路可以取代模擬電路，也不能簡單地說哪一種集成電路應(yīng)用更實用、更有價值，因為數(shù)字電路畢竟只能處理高低電平，大約的電壓在0—5V，沒有模擬電路幾乎沒有任何電子設(shè)備能正常工作，如一臺計算機的供電系統(tǒng)全采用模擬電路外，它的聲卡及顯卡也都包含了模擬電路部分。

2.集成電路按制作工藝可分為：半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路，膜集成電路又分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。

3.按集成電路內(nèi)所含晶體管等電子組件的數(shù)量可分為：小型集成電路SSI（晶體管數(shù)10—100個或1—10邏輯門）、中型集成電路MSI（晶體管數(shù)100—1000個或10—100邏輯門）、大規(guī)模集成電路LSI（晶體管數(shù)1000—100000個或100—10000邏輯門）、超大規(guī)模集成電路VLSI（晶體管數(shù)100000以上或10000以上邏輯門）、特大規(guī)模集成電路VLSL（晶體管數(shù)10的7次方—10的9次方個）、巨大規(guī)模集成電路GSI（晶體管數(shù)10的9次方以上）。

4.集成電路按導(dǎo)電類型可分為：雙極型集成電路及單級型集成電路。雙極型集成電路制作工藝復(fù)雜、功耗較大，代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等。單級型集成電路工藝簡單、功耗較低、易于制作成大規(guī)模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。

5.按用途分類：可分為軍事用集成電路、通信用集成電路、醫(yī)療用集成電路、遙控用集成電路等等，涉及各個領(lǐng)域。

6.按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：標準通用集成電路和專用集成電路。標準通用集成電路是指那些用戶多、使用領(lǐng)域廣泛、標準型的電路，如存儲器（DRAM）、微處理器（MPU）及微控制器（MCU）等。專用集成電路（ASIC）是指特定的用戶、某種專門或特別的用途而設(shè)計的電路。

7.按外形可分為：圓型（金屬外殼晶體管封裝型、一般適用于大功率）、扁平型（穩(wěn)定性好、體積?。┖碗p列直插型（適合在印刷電路板上穿孔焊接、操作方便、易于布線）。

集成電路參數(shù)的專用術(shù)語

AC/DC ——交流轉(zhuǎn)直流C/DC——直流轉(zhuǎn)直流

STEP- UP/STEP- DOWN——開壓/降壓Vcc——供電電壓

Vin/Vout ——輸入/輸出電壓Iin/Iout ——輸入/輸出電流

Vmax/Vmin ——最大/最小電壓Iq ——靜態(tài)電流

Pout/Pin ——輸出/輸入功率Pmax ——最大功率

Accu ——精度Eff. ——效率

Fosc.Freq ——工作頻率PSRR ——電源紋波抑制比

ESD ——靜電防護EMI ——電磁干擾

OVP ——過壓保護OCP ——過流保護

OTP ——過溫保護GP/O ——通用輸入/輸出口

描述集成電路工藝技術(shù)水平的五個技術(shù)指標

1.集成度（Integration Level）是以一個集成電路所包含的晶體管或邏輯門的數(shù)量來衡量。隨著集成度的不斷提高，使集成電路的功能更加強大、運算速度更快、可靠性更高、功耗更低、體積更小、重量更輕、應(yīng)用領(lǐng)域更廣及產(chǎn)品成本更低，因此說集成度是集成電路技術(shù)進步的標志。

2.特征尺寸（Feature Size）/（Critical Dimension）特征尺寸定義為器件中最小線條寬度（對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度），也可定義為最小線條寬度與線條間距之和的一半。減小特征尺寸是提高集成度、改進器件性能的關(guān)鍵。特征尺寸的減小主要取決于光刻技術(shù)的改進。

3.晶片直徑（Wafer Diameter）為了提高集成度，可適當增大芯片面積。然而，芯片面積的增大導(dǎo)致每個圓片內(nèi)包含的芯片數(shù)減少，從而使生產(chǎn)效率降低，產(chǎn)品成本提高。采用更大直徑的晶片可解決這一問題（即增加晶圓的尺寸）。

4.芯片面積（Chip Area）隨著集成度的提高，每芯片所包含的晶體管數(shù)量不斷增多，平均芯片面積也隨之增大。芯片面積的增大也帶來一系列新的問題。如大芯片封裝技術(shù)、成品率以及由于每個大圓片所含芯片數(shù)減少而引起的生產(chǎn)效率降低等。但后一問題可通過增大晶片直徑來解決。

5.封裝（Package）集成電路的封裝最初采用插孔封裝THP（through-hole package）形式。為適應(yīng)電子設(shè)備高密度組裝的要求，表面安裝封裝（SMP）技術(shù)迅速發(fā)展起來。在電子設(shè)備中使用SMP的優(yōu)點是能節(jié)省空間、改進性能和降低成本，因SMP不僅體積小而且可安裝在印刷電路板的兩面，使電路板的費用降低60%，并使性能得到改進。

集成電路的組成及符號的意義

集成電路的型號組成一般由前綴、編號及后綴三大部分組成，前綴代表制造廠商，編號包括產(chǎn)品系列號、器件系列號，后綴一般表示溫度等級、封裝形式等。

例1：CT74LS160CJ數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義

CT（制造商CT：中國制造TTL集成電路）74（產(chǎn)品系列：民用74系列）LS（器件系列：低功耗肖特基74TTL電路系列）160（器件種類：十進制計數(shù)器）C（溫度等級：0℃～70℃）J（封裝形式：黑瓷雙列直插封裝）

例2：SN74S195J數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義

SN（制造商SN：美國德克薩斯公司制造）74（產(chǎn)品系列：民用74系列）S（器件系列：肖特基74TTL電路系列）195（器件種類：4位并行移位寄存器）J（封裝形式：黑瓷雙列直插封裝）

例3：CC14512MF數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義

CC（制造商CC：中國制造CMOS集成電路）14512（器件種類：8選1數(shù)據(jù)選擇器）M（溫度等級：-55℃～125℃）F（封裝形式：全密封扁平封裝）

附：國內(nèi)常用集成電路型號命名法

I.制造廠商：CC（中國制造）

II.器件的類型：T（TTL電路）、H（HTL電路）、E（SCL電路）、C（CMOS電路）、M（儲存器）、u（微型機電路）、F（線性放大器）、W（穩(wěn)壓器）、D（音響電視電路）、B（非線性電路）、J（接口電路）、AD（A/ D轉(zhuǎn)換器）、DA（D/A轉(zhuǎn)換器）、SC通信專用電路）、SS（敏感電路）、SW（鐘表電路）、SJ（機電儀電路）、SF（復(fù)印件電路）……

III.器件系列品種

TTL分為54/74xxx、54/74Hxxx、54/74Lxxx、54/74Sxxx、54/74LSxxx、54/74ASxxx、54/74ALSxxx、54/74Fxxx ……

CMOS分為4000系列、54/74HCxxx、54/74HCTxxx……

注54（國際通用軍用54系列）74（國際通用民用74系列）

H（高速）L（低速）LS（低功能）

IV、工作溫度范圍：C（0℃～70℃）G（-25℃～70℃）L（-25oC～85℃）E（-40℃～85℃）R（-55℃～85℃）M（-55℃～125℃）

注C：只出現(xiàn)在74系列M：只出現(xiàn)在54系列。

V.器件的封裝：F（多層陶瓷扁平封裝）、B（塑料扁平封裝）、H（黑瓷扁平封裝）、D（多層陶瓷雙列直插封裝）、J（黑瓷雙列直插封裝）、P（塑料雙列直插封裝）、S（塑料單列直插封裝）、T（金屬圓殼封裝）、K（金屬菱形封裝）、C（陶瓷芯片載體封裝）、E（塑料芯片載體封裝）、G（網(wǎng)格針柵陳列封裝）、SOIC（小引線封裝）、PCC（塑料芯片載體封裝）、LCC（陶瓷芯片載體封裝）……

附圖說明：

集成電路的識別方法及附圖說明

1.集成電路的封裝形式和引腳順序集成電路的封裝材料及外形有多種，最常用的封裝有塑料、陶瓷及金屬3種。封裝外形可分為圓形金屬外殼封裝（晶體管式封裝）、陶瓷扁平或塑料外殼封裝、雙列直插式陶瓷或塑料封裝、單列直插式封裝等。圓筒形金屬殼封裝多為8腳、10腳及12腳，菱形金屬殼封裝多為3腳及4腳，扁平形陶瓷封裝多為12腳及14腳，單列直插式塑料封裝多為9腳、10腳、12腳、14腳及16腳，雙列直插式陶瓷封裝多為8腳、12腳、14腳、16腳及24腳，雙列直插式塑料封裝多為8腳、12腳、14腳、16腳、24腳、42腳及48腳。集成電路的封裝外形不同，其引腳排列順序也不一樣。正確識別引腳排列順序是很重要的，否則集成電路無法正確安裝、調(diào)試與維修，以至于不能正常工作，甚至造成損壞。

2.圓筒形和菱形金屬殼封裝IC的引腳識別面向引腳（正視），由定位標記所對應(yīng)的引腳開始，按順時針方向依次數(shù)到底即可。常見的定位標記有突耳、圓孔及引腳不均勻排列等。

3.單列直插式IC的引腳識別該種集成電路的定位標記有色點、缺角、小孔畫點、凹坑、線條、色帶等。識別時，讓引腳朝下，讓定位標記對著自己，從定位標記一側(cè)的第一只引腳數(shù)起，依次為①腳、②腳、③腳……

注意：有些廠家生產(chǎn)的集成電路，本是同一種芯片，為了便于在印制電路板上靈活安裝，其封裝外形有多種。一種按常規(guī)排列，即自左向右；另一種則自右向左，如少數(shù)這種器件上沒有引腳識別標記，這時應(yīng)從它的型號上加以區(qū)別。若其型號后綴有一個字母R，則表明其引腳順序為自右向左反向排列。例如，M5115P與M5115PR.前者引腳排列順序為自左向右為正向排列，后者引腳為自右向左反向排列。

4.雙列直插式或扁平式IC的引腳識別將其水平放置，引腳向下，即其型號、商標向上，定位標記在左邊，從左下角第一根引腳數(shù)起，按逆時針方向，依次為①腳、②腳、③腳等。扁平型封裝的集成電路多為雙列直插式，這種集成電路為了識別管腳，一般在端面一側(cè)有一個類似引腳的小金屬片，或者在封裝表面上有一色標或凹口作為標記。其引腳排列方式是：從標記開始，沿逆時針方向依次為①腳、②腳、③腳等……但應(yīng)注意，有少量的扁平封裝集成電路的引腳是順時針排列的。

小結(jié)

雖然集成電路與分立器件電路相比較有很多優(yōu)點，但沒有一個電路全部由集成的電路組成（電子設(shè)備的電路板是由集成電路與電阻、電容及晶體管等分立元器件共同組成的），為什么不用集成電路來取代這些分立元器件？因為第一集成電路的制造，芯片面積是第一要素，部分元器件受尺寸所限是無法集成的，最明顯的是電容和電感，以常用的220V耐壓的電解電容為例，要想在集成電路里實現(xiàn)220V的耐壓、容值為幾十uF的電容，工藝成本本身就會很高，因為，集成電路里面的電容一般耐壓都小于5V，目前還沒有公司能集成220V耐壓電容的，而且在同等面積下，耐壓和電容值成反比的。所以，要想做出這么大的電容，不僅需要非常好的工藝水平，還得需要很大的芯片面積，可能比本身電路面積大很多倍，比起單獨做個電解電容，成本那可就高了不少。第二，部分功率元器件受電流、散熱等方面影響是無法集成，比如說大功率的三極管或MOS管，這類元器件運行時產(chǎn)熱量很大，通常需要加散熱器輔助散熱，一旦集成后造成散熱缺陷，電路就會無法穩(wěn)定工作，甚至燒毀電路板。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.024