集成电路发展史

        集成电路对一般人来说也许会有陌生感，但其实我们和它打交道的机会很多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等，数不胜数。除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域，几乎都离不开集成电路的应用，当今世界，说它无孔不入并不过分。

在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、 智能化的基础。无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用。

1  集成电路概述

所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。[1]

2  集成电路发展及其影响

2.1集成电路的发展

集成电路的发展经历了一个漫长的过程，以下以时间顺序，简述一下它的发展过程。1906年，第一个电子管诞生；1912年前后，电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展；1918年前后，逐步发现了半导体材料；1920年，发现半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后，运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象；1956年，硅台面晶体管问世；1960年12月，世界上第一块硅集成电路制造成功；1966年，美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路。[2] 1988年：16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争，使集成电路发挥了它更大的功能，更好的服务于社会。由此集成电路从产生到成熟大致经历了如下过程：[3]

电子管——晶体管——集成电路——超大规模集成电路

2.1.1集成电路的前奏——电子管、晶体管

    电子管，是一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，很快就不适合发展的需求，被淘汰的命运就没躲过。[4]

晶体管，是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管很快就成为计算机“理想的神经细胞”，从而得到广泛的使用。虽然晶体管的功能比电子管大了很多，但由于电子信息技术的发展，晶体管也越来越不适合科技的发展，随之出现的就是能力更强的集成电路了。

2.1.2集成电路的诞生

　   几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克-基尔比之手。当时，晶体管的发明弥补了电子管的不足，但工程师们很快又遇到了新的麻烦。为了制作和使用电子电路，工程师不得不亲自手工组装和连接各种分立元件，如晶体管、二极管、电容器等。

其实，在20世纪50年代，许多工程师都想到了这种集成电路的概念。美国仙童公司联合创始人罗伯特-诺伊斯就是其中之一。在基尔比研制出第一块可使用的集成电路后，诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型。1960年，仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最终成为集成电路大规模生产中的实用技术。基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学奖章”。他们被公认为集成电路共同发明者。

   以后，随着集成电路芯片封装技术的应用，解决了集成电路免受外力或环境因素导致的破坏的问题。集成电路芯片封装是指利用膜技术及微细加工技术，将芯片及其他重要要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接，引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。这样按电子设备整机要求机型连接和装配，实现电子的、物理的功能，使之转变为适用于整机或系统的形式，就大大加速了集成电路工艺的发展。

随着电子技术的继续发展，超大规模集成电路应运而生。1967年出现了大规模集成电路，集成度迅速提高；1977年超大规模集成电路面世，一个硅晶片中已经可以集成15万个以上的晶体管；1988年，16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段；1997年，300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹，至此，超大规模集成电路的发展又到了一个新的高度。2009年，intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。集成电路的集成度从小规模到大规模、再到超大规模的迅速发展，关键就在于集成电路的布图设计水平的迅速提高，集成电路的布图设计由此而日益复杂而精密。这些技术的发展，使得集成电路的发展进入了一个新的发展的里程碑。相信随着科技的发展，集成电路还会有更高的发展。[11]

中国的集成电路产业起步于20世纪60年代中期，1976年，中国科学院计算机研究所研制成功1000万次大型电子计算机所使用的电路为中国科学院109厂研制的ECL型电路；1986年，电子部提出“七五”期间，我国集成电路技术“531”发展战略，即推进5微米技术，开发3微米技术，进行1微米技术科技攻关；1995年，电子部提出“九五”集成电路发展战略：以市场为导向，以CAD为突破口，产学研用相结合以我为主，开展国际合作，强化投资；在2003年，中国半导体占世界半导体销售额的9%，电子市场达到860亿美元，中国成为世界第二大半导体市场，中国中高技术产品的需求将成为国民经济新的增长动力。到现在已经初具规模，形成了产品设计、芯片制造、电路封装共同发展的态势。我们相信，随着我国经济的发展和对集成电路的重视程度的提高，我国集成电路事业也会有更大的发展！[12]

2.2集成电路发展对世界经济的影响

在上个世纪八十年代初期，消费类电子产品(立体声收音机、彩色电视机和盒式录相机)是半导体需求的主要推动力。从八十年代末开始，个人计算机成为半导体需求强大的推动力。至今，PC仍然推动着半导体产品的需求。

从九十年代至今，通信与计算机一起占领了世界半导体需求的2／3。其中，通信的增长最快。信息技术正在改变我们的生活，影响着我们的工作。信息技术在提高企业竞争力的同时，已成为世界经济增长的新动力。

2004年，亚太地区已成为世界最大的半导体市场，其主要的推动力是中国国内需求的增长和中国作为世界生产基地所带来的快速增长。电子终端产品的生产将不断从日本和亚洲其他地区转移到中国。[13]

3  集成电路分类

3.1按功能分

   按其功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。前者用来产生、放大和处理各种模拟电信号；后者则用来产生、放大和处理各种数字电信号。所谓模拟信号，是指幅度随时间连续变化的信号。例如，人对着话筒讲话，话筒输出的音频电信号就是模拟信号，收音机、收录机、音响设备及电视机中接收、放大的音频信号、电视信号，也是模拟信号。所谓数字信号，是指在时间上和幅度上离散取值的信号，例如，电报电码信号，按一下电键，产生一个电信号，而产生的电信号是不连续的。这种不连续的电信号，一般叫做电脉冲或脉冲信号，计算机中运行的信号是脉冲信号，但这些脉冲信号均代表着确切的数字，因而又叫做数字信号。在电子技术中，通常又把模拟信号以外的非连续变化的信号，统称为数字信号。目前，在家电维修中或一般性电子制作中，所遇到的主要是模拟信号；那么，接触最多的将是模拟集成电路。

3.2按制作工艺分

集成电路按其制作工艺不同，可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类。半导体集成电路是采用半导体工艺技术，在硅基片上制作包括电阻、电容、三极管、二极管等元器件并具有某种电路功能的集成电路；膜集成电路是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上，以“膜”的形式制作电阻、电容等无源器件。无源元件的数值范围可以作得很宽，精度可以作得很高。但目前的技术水平尚无法用“膜”的形式制作晶体二极管、三极管等有源器件，因而使膜集成电路的应用范围受到很大的限制。在实际应用中，多半是在无源膜电路上外加半导体集成电路或分立元件的二极管、三极管等有源器件，使之构成一个整体，这便是混合集成电路。根据膜的厚薄不同，膜集成电路又分为厚膜集成电路（膜厚为1μm～10μm）和薄膜集成电路（膜厚为1μm以下）两种。在家电维修和一般性电子制作过程中遇到的主要是半导体集成电路、厚膜电路及少量的混合集成电路。

3.3按高低分

按集成度高低不同，可分为小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路四类。对模拟集成电路，由于工艺要求较高、电路又较复杂，所以一般认为集成50个以下元器件为小规模集成电路，集成50－100个元器件为中规模集成电路，集成100个以上的元器件为大规模集成电路；对数字集成电路，一般认为集成1～10等效门／片或10～100个元件／片为小规模集成电路，集成10～100个等效门／片或100～1000元件／片为中规模集成电路，集成100～10,000个等效门／片或1000～100,000个元件／片为大规模集成电路，集成10,000以上个等效门／片或100,000以上个元件／片为超大规模集成电路。

3.4按导电类型分

按导电类型不同，分为双极型集成电路和单极型集成电路两类。前者频率特性好，但功耗较大，而且制作工艺复杂，绝大多数模拟集成电路以及数字集成电路中的TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL型属于这一类。后者工作速度低，但输人阻抗高、功耗小、制作工艺简单、易于大规模集成，其主要产品为MOS型集成电路。MOS电路又分为NMOS、PMOS、CMOS型。

4  集成电路应用领域

4.1在计算机的应用

随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。第四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。[20]

计算机主要部分几乎都和集成电路有关，CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等，无不与集成电路有关。并且专家通过最新技术把越来越多的元件集成到一块集成电路板上，并使计算机拥有了更多功能，在此基础上产生许多新型计算机，如掌上电脑、指纹识别电脑、声控计算机等等。随着高新技术的发展必将会有越来越多的高新计算机出现在我们面前。

4.2在通信上的应用

集成电路在通信中应用广泛，诸如通信卫星，手机，雷达等，我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典型一例。

“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统，与美国G P S、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球4 大卫星导航系统。它的研究成功，打破了卫星定位导航应用市场由国外GPS 垄断的局面。前不久，我国已成功发射了第二代北斗导航试验卫星，未来将形成由５颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成的网络，我国自主卫星定位导航正在由试验向应用快速发展。

将替代“北斗”导航系统内国外芯片的“领航一号”，还可广泛应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源调查、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密测量、目标监控等领域。

近年来,随着高新技术的迅猛发展,雷达技术有了较大的发展空间,雷达与反雷达的相对平衡状态不断被打破。有源相控阵是近年来正在迅速发展的雷达新技术,它将成为提高雷达在恶劣电磁环境下对付快速、机动及隐身目标的一项关键技术。有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电子技术为一体的高新技术产物。[23]

相比之下毫米波雷达具有导引精度高、抗干扰能力强、多普勒分辨率高、等离子体穿透能力强等特点；因此其广泛的用于末制导、引信、工业、医疗等方面。无论是军用还是民用，都对毫米波雷达技术有广泛的需求，远程毫米波雷达在发展航天事业上有广泛的应用前景，是解决对远距离、多批、高速飞行的空间目标的精细观测和精确制导的关键手段。可以预料各种战术、战略应用的毫米波雷达将逐渐增多。

4.3在医学上的应用

随着社会的发展和科学技术的不断进步，人们对医疗健康、生活质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求。同时，依托于高新领域电子技术的各种治疗和监护手段越来越先进，也使得医疗产品突破了以往观念的约束和限制，在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足发展。诸多专家从医疗健康领域的需求分析入手，从集成电路技术的角度对医疗健康领域的应用的关键技术（现状和前景）做了大致的分析探讨。

随着集成电路越来越多的渗入现代医学，现代医学有了长足进步。在医学管理方面IC卡医疗仪器管理系统就是典型代表。IC卡医疗仪器管理系统集I C 卡、监控、计算机网络管理于一体，凭卡检查，电子自动计时计次，可实现充值、打印，报表功能。系统性能稳定，运行可靠；控制医疗外部关键部位，不与医疗仪器内部线路连接，不影响医疗仪器性能，不产生任何干扰；管理机与智能床有机结合，分析计次；影像系统自动识别，有效解决病人复查问题；轻松实现网络化管理，可随时查阅档案记录，统计任意时间内的就医人数。

在健康应用方面，临时心脏起搏器作为治疗各种病因导致的一过性缓慢型心律失常及植入永久心脏起搏器前的过渡性治疗，已广泛应用于临床工作，技术成熟。在非心脏的外科手术患者中合并有心动过缓及传导阻滞者，在围手术期可因为麻醉、药物及手术的影响，加重心动过缓及传导阻滞，增加了手术风险，限制了外科手术的开展，而植入临时心脏起搏器可有效解决上述问题，增加此类患者围手术期的安全性。[29]

    磁振造影仪是一种新型医疗设备，对于治疗许多疾病有它独特的功效。磁振造影仪（MRI）是利用磁振造影的原理，将人体置于强大均匀的静磁场中，透过特定的无线电波脉冲来改变区域磁场，藉此激发人体组织内的氢原子核产生共振现象，而发生磁矩变化讯号。因为身体中有不同的组织及成份，性质也各异，所以会产生大小不同的讯号，再经由计算机运算及变换为影像，将人体的剖面组织构造及病灶呈现为各种切面的断层影像。

    身体几乎任何部位皆可执行MRI检查，影像非常清晰与细腻，尤其是对软组织的显影，不是任何其它医学影像系统所能比拟的。目前常用的MRI影像乃是依据各组织内核磁共振讯号所建立的，氢是人体组织中最多的成份，因此MRI影像可诊断各种疾病，包括脑部癌病、水肿、血梗，神经的脱鞘与脂肪不正常分布，铁成份的沉积性疾病、出血，以及心肌不正常收缩等。

MRI的优点除了不须要侵入人体，即可得人体各种结构组织之任意截面剖面图，且可获取其它众多的物理参数信息，MRI检查在国内外十几年来至今尚未发现对人体有任何副作用。[31]

4.4在生活中的应用

提到集成电路我们就不得不提到我们的日常生活，在我们生活中与集成电路有关的产品随处可见。手机、电视、数码相机、摄像机等都与我们的生活关系越来越近。

随着技术的进步和社会的发展，手机以其独特的传播功能，日益成为人们获取信息、学习知识、交流思想的重要工具，成为文化传播的重要平台。目前，我国已有手机用户5亿多，形成以手机为载体的网站、报纸、出版物等新的文化。手机功能和手机款式也在不断更新，以适应现代人们生活的要求。各种各样的手机接连问世，从小灵通到具有摄像功能的高新手机，手机行业正在以惊人冲击人们的思维和眼界。

在科学技术与信息同步变革的社会发展过程中，电视传播对整个社会的支配影响作用十分明显。由于电视是一种变化多端的实践、技巧和技术，于是家庭本身也变成了一种家庭技术的复杂网络。正如电通过电视、电脑、电信技术与外部重新建立新的联系一样，电视重组了家庭的时间、空间、家庭闲暇和家庭角色。正因此，电视传播逐步地融入了大众生活，使人们生活方式和价值观均发生了深刻的变化。伴随着现代社会节奏的加快，外界娱乐费用的增涨，电视传播的普及，已经为人们呆在家中提供了充足的理由和条件，足不出户却可以感受社会交谈带来的人际交际感觉。

    此外，电视传播对于农村家庭的经济发展、社会的信息流通和大众家庭的教育都有很大的作用，电视传播也影响了家庭的装修风格与布局，由于电视装置在家庭中占据空间的原因，出现了电视装修墙以求美观。

5  集成电路未来发展趋势及新技术

5.1集成电路发展趋势

随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟和不断发展，以及集成技术应用领域的不断扩大，集成电路的发展趋势将呈现小型化、系统化和关联性的态势。[36][13]

5.1.1 器件特征尺寸不断缩小

自1965年以来， 集成电路持续地按摩尔定律增长， 即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2～3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结果， 器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则， 同时促进了其它工艺参数的提高。预计在未来的10～15年， 摩尔定律仍将是集成电路发展所遵循的一条定律， 按此规律，CMOS器件从亚半微米进入纳米时代，即器件的栅长小于100 nm转到小于50 nm的时间将在2010年前后。

5.1.2 系统集成芯片(SoC)

随着集成电路技术的持续发展， 不同类型的集成电路相互镶嵌， 已形成了各种嵌入式系统(Embedded System) 和片上系统(System on Chip即oC) 技术。也就是说，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS) 的过渡中， 可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上，从而完成信息的加工与处理功能。SoC作为系统级集成电路， 它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能， 它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上， 从而实现一个完整的系统功能。SoC的制造主要涉及深亚微米技术、特殊电路的工艺兼容技术、设计方法的研究、嵌入式IP核设计技术、测试策略和可测性技术以及软硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC以IP复用为基础， 把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，从而实现集成电路设计能力的第4次飞跃， 并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息产业革命。

5.1.3 学科结合将带动关联发展

微细加工技术的不断成熟和应用领域的不断扩大， 必将带动一系列交叉学科及其有关技术的发展， 例如微电子机械系统、微光电系统、DNA芯片、二元光学、化学分析芯片以及作为电子科学和生物科学结合的产物———生物芯片的研究开发等， 它们都将取得明显进展。

5.1.4未来应用

应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节，是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外，集成电路正在不断开拓新的应用领域。诸如微机电系统,微光机电系统、生物芯片(如DNA芯片)、超导等，这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点。

5.2集成电路发展新技术

按目前情况预测， 15年后， 半导体上一个实体的栅长将只有9 nm， 这就需要更微细且精确的技术突破， 这首先会集中在生产材料的物理性质以及工艺设计等能力上。而能否顺利突破这些障碍， 晶圆制造工艺能否达到更进一步的微细化与精细化则是其关键， 同时也对半导体工艺技术与后续的研发方向有着深远的影响。概括起来， 其关键技术如下：
 5.2.1无焊内建层(Bumpless Build-Up Layer, BBLIL)技术

该技术能使CPIJ内集成的晶体管数量达到10亿个,并且在高达20GHz的主频下运行,从而使CPU达到每秒1亿次的运算速度。此外,BBUL封装技术还能在同一封装中支持多个处理器,因此服务器的处理器可以在一个封装中有2个内核,从而比独立封装的双处理器获得更高的运算速度。此外,BBUL封装技术还能降低CPIJ的电源消耗,进而可减少高频产生的热量。

 5.2.2微组装技术

是在高密度多层互连基板上,采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片,形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技术,其代表产品为多芯片组件(MCM)。

5.2.3 纳米级光刻及微细加工技术

器件特征尺寸的缩小， 取决于曝光技术的进步。在0.07 μm阶段，曝光技术还是一个问题，预计再有1～2年左右的时间就可获得突破。至于在65 nm以下， 是采用Extra UV还是采用电子束的步进光刻机， 目前还在研究之中。

5.2.4 铜互连技术

铜互连技术已在0.18 μm和0.13 μm技术代中使用， 但是， 在0.10 μm以后， 铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究和开发。

5.2.5 高密度集成电路封装的工业化技术

主要包括系统集成封装技术、50 μm以下超薄背面减薄技术、圆片级封装技术、无铅化产品技术等。

5.2.6 应变硅材料制造技术

应变硅的电子和空穴迁移率明显高于普通的无应变硅材料， 其中以电子迁移率提高尤为明显。以Si0.8Ge0.2层上的应变硅为例，其电子迁移率可以提高50%以上， 这可大大提高NMOS器件的性能，这对高速高频器件来说至关重要。对现有的许多集成电路生产线而言， 如果采用应变硅材料， 则可以在基本不增加投资的情况下使生产的IC性能明显改善，同时也可以大大延长花费巨额投资建成的IC生产线的使用年限。