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集成电路技术发展


作者:丰日科技 时间:2020-07-16 浏览:70


       集成电路也叫做积体电路,这是一种微型的电子器件,这种微型的结构采用一定的工艺来完成,具有所需的电路功能,里面包含了二极管、电容、电阻和电感等一系列元件,这些元件相互连接在一起并被制作在一小块介质基片中,这个介质基片被装在一个管壳内。这样一来大大缩小了电路的体积,焊接点的数目也得到减少,使得电子元件的可靠性大大提高。
 
        近年来,信息技术、软件技术等高新技术发展快速,这与集成电路技术的发展和应用有着密不可分的关系。集成电路技术不仅是信息技术的发展基石,同时也是计算机网络技术的主要发展方向,被认为是二十世纪最伟大的工程技术之一。我国正处于经济转型的关键时期,集成电路技术的发展关系到传统产业转型升级和国家经济、社会的发展,是现代产业和科技发展的重中之重。基于此,本文简要研究了集成电路技术的基本各项指标和发展趋势。
 
        半导体集成电路的具有很多优势,它功耗较低、集成度很高、体积相比来说较小以及有庞大的产业规模,正是由于这些优点以半导体集成电路为基础的通信元件被广泛应用,例如:移动电话、固定电话、笔记本电脑以及数字编解码器等一系列终端设备的制造都离不开半导体集成电路的运用。下面将会重点介绍半导体集成电路在通信系统中的应用。
 
一、集成电路工艺水平的指标
 
        所谓集成电路,顾名思义,是采用半导体工艺技术,将二极管、晶体管、电阻、电容、电感元件等电路所需元器件,在一块或几块很小的半导体晶片或介质基片上集成制作,并形成完整的电路,最后在管壳中将制作成的电路封装起来,由此形成的具有电路功能的微型结构就是集成电路。集成电路是国家经济发展的重要基础产业,其工艺技术水平在一定程度上决定着集成电路的产业水平,下面就简要介绍衡量集成电路工艺水平的几个主要指标。
 
(1)集成度:集成电路的集成度是指一个IC芯片上所包含的晶体管的数量,在芯片面积相同的情况下,集成度越高,意味着集成的元件数量越多,电路功能也就越强大,芯片速度、可靠性、功耗等性能都有着明显的提升,同时芯片的成本大大下降,占用重量和体积也有所减小。由此可见,集成度是衡量IC技术先进性的重要指标。
 
(2)特征尺寸:对于电子元器件来说,其特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。通过减小特征尺寸,能够有效提升IC芯片的集成度,优化其性能。光刻技术的发展是集成电路特征尺寸减小的前提所在,近年来光刻技术日渐进步,集成电路特征尺寸也越来越小,就目前来看,0.18μm、0.15μm、0.13μm级别的集成电路都已经实现了规模化生产,而在市场中,65nm和90nm级别的集成芯片也已经有了成熟的产品。
 
(3)晶片直径:为了提升集成电路的集成度,往往需要适当增大芯片面积,但需要注意的是,芯片面积的增大,会导致每个圆片内包含的芯片数量有所减少,从而降低生产效率,导致成本增加。而增加晶片直径则能够有效解决这一问题,就目前来看,集成电路主流晶元尺寸为8英寸和12英寸,而14英寸及以上晶元尺寸的研发和应用也是大势所趋。
 
(4)封装:IC封装最早采用插孔封装方式,为了适应电子设备高密度组装的需要,表面安装封装技术已经逐步取代传统插孔封装方式。在一些电子设备中,采用表面封装方式能够有效节约空间,优化性能,降低封装成本。相较于传统插孔封装方式来说,表面封装下的电路板费用降幅达到了60%之多。此外,近年来系统级封装技术的发展也比较迅速,系统级封装技术有利于优化系统性能,缩短开发周期,对于提升封装效率和降低成本也有着积极的作用。尤其在蓝牙模块、记忆卡、功放器等低成本、小面积、短周期、便携式的电子产品上,系统封装技术的应用优势十分明显。
 
二、集成电路技术的发展趋势
 
1、集成电路尺寸逐步缩小
 
从纵向上来看,随着各种新技术的发展,集成电路芯片集成度逐年提高,基本上每三年就能够提高4倍,而加工特征尺寸不断缩小,这就是著名的摩尔定律,由Intel公司创始人之一的摩尔博士提出。近年来,集成电路芯片市场竞争日益激烈,积极提升产品性能和性价比是长远发展的关键,同时也是IC技术发展的推动力。而缩小特征尺寸则有利于提升集成度,从而提升产品性能和性价比。就目前来看,特征尺寸在22nm以下的电路已经被生产出来,集成电路正在逐渐接近物理极限。需要注意的是,受到工艺技术和经济承受力的限制,需要对尺度极限进行界定,虽然现在还没有明确的定论,但微型化发展仍然是主要趋势,集成电路的特征尺寸仍然在按照摩尔定律发展。尤其随着IC设计与工艺技术的提高,IC规模主机扩大,复杂度也越来越高,在一个芯片中,集成的晶体管数量越来越多,集成电路技术逐渐从3G时代发展到3T时代,存储量进一步增大。而集成电路的速度也越来越快,数据传输速度从Gbps发展到Tbps。在近50年内,IC技术发展快速,IC技术设计规则越来越小,而晶体管价格也逐步降低,这也是集成电路的发展趋势。
 
2、系统集成芯片
 
系统集成芯片也称为SOC,其能够将微处理器、模拟IP核、数字IP核及片外存储器控制结构等各种功能结合在一起,以此来提升电路系统设计的稳定性,还有利于降低功耗,从而有效解决传统集成电路能耗高、稳定性差的问题,在未来发展的过程中,必将引起以芯片为核心的电子信息产业的技术革命。
 
3、集成电路的新材料、新技术的涌现
 
在集成电路所有材料中,锗是最先投入使用的,之后是硅。对于光电器件等特种集成电路来说,一般会使用一些化合物半导体材料,如硫化镉、砷化镓等。相较于其他材料来说,硅材料在电学、物理等性能及成本方面有着较大的优越性,这也使得其成为当前集成电路的主流材料。硅单晶材料也处于不断发展中,硅圆片直径逐渐增大,目前已经达到了16和18英寸的水平。
 
4、集成电路在新领域的应用
 
当今时代是信息时代,而集成电路也在信息时代下迎来了新的发展高峰,尤其随着集成电路各种关键技术的成熟,其在各个领域中的应用也越来越广泛,在智能手机、智能汽车、联动安防等各个新领域中的应用和发展也值得期待。随着智能手机的不断发展,新的手机芯片设计技术也越来越受到关注,其中的关键在于适应计算,采用适应计算技术能有效刷新芯片实线电路,相较于当前固定不变的芯片来说,单个芯片即可实现几个芯片的功能,同时有利于提升芯片速度,降低成本和功耗。此外,在视觉修复、火车站安防系统、人脸识别、汽车智能等领域,集成电路技术的应用也越来越广泛,已经逐步深入到人们生活的各个方面。
 
三、通信系统中集成电路的应用
 
现如今的信息时代,人们的生活方方面面都受到信息技术的影响,各行各业都受到其带来的冲击。微电子技术作为信息技术的基础,对信息技术的发展影响巨大。而微电子技术的核心和关键是集成电路,集成电路同时也是整个信息社会发展的基础和根本,因此深入的研究和探索集成电路十分有必要。通讯网络正在由之前的大体积向小体积转变和低速率向高速率转变以及高耗能向低耗能转变,这种转变是要求在网络容量和速度得到保证的基础上进行的,同时对这种转变的研究已经成为了通讯领域现阶段的热点之一。
 
1、有线通讯系统中集成电路的应用
 
       密集波复用技术和掺铒光纤放大器在二十世纪后期出现,这使得光纤通信展现出了强大的优势并成为了有线通信网中的首选,在传输容量和传输距离以及传输速度方便大大增强,从此慢慢终结了早期铜线通信的时代。在二十一世纪的今天,光纤通信不断发展,又出现了微电子和光电器以及光电子等一系列技术。现如今,一根光纤就可以完成上百个波长的传输,而传输距离能够达到1000Km以上。
 
       光通讯中一个最关键的组成部分是激光源,半导体激光器的寿命在之前一直很低,自上个世纪七十年代,半导体激光器的寿命问题得到了解决,长寿命的半导体激光器得到成功研制,这为光通信的实现打下了基础。这种激光器有很多的优点,例如:体积小和工作可靠性高等,使得这种激光器成为光纤通信中的理想光源。半导体激光器构成中的核心器件是集成电路,而集成电路构成的基础是硅基化合物半导体。现如今,D F B激光器的实现正是借助光电单片集成技术,而这种激光器正在广泛应用于光通信领域。
 
       光放大器和光探测器等都是光纤通信中的重要组成部分,它们核心部件的构成是利用光电子集成技术来完成的。这种技术能够将器件的各方面性能大幅度大范围的提高,并将器件都集中在同一块芯片上面,使得在体积和功耗等方面得到优化。而光的合波或者分波器在D W D M系统中的实现也是通过集成电路技术来完成的,目前正在向着全光处理以及高速传输的方向探索研究。集成光学是在集成电路广泛应用的背景下产生的,现在已经持续发展成为一门新兴的光学学科。
 
2、无线通讯系统中集成电路的应用
 
       现如今,我国的信息化社会正在以我们想象不到的速度飞速发展,无线通信有着众多的优点,例如:及时性强和灵活方便等,这种通信技术的潜力十分广阔。第二代移动通信系统就是我们常说的2G,这种系统的是在二十世纪八十年代开始商用的,从那以后的短短30多年,无线局域网、蓝牙和全球移动通信系统,以及3G甚至4G都已经风靡全球并普及到寻常百姓的家中。各种无线终端以及移动电话也慢慢走入人们生活的方方面面,例如通过手机就可以完成酒店的预订、电影票的预订、火车票和飞机票的预订以及旅游门票的预订。与此同时,无线通讯设备的发展也越来越小型化、越来越容量达、越来越低功耗,这其中小型化的实现正是靠着电子元件的集成化来完成的。目前,移动终端的核心芯片尺寸已将缩小为不到三十平方厘米,这种转变的实现绝对离不开集成电路技术的发展,因此研究和探索集成电路是十分有必要的一件事。
 
       基带单元和射频单元都是无线通信终端的关键部件,这两个部件都是由集成电路构成的。互补型金属氧化物半导体集成电路简称CM O S,基带单元的构成正是由这种集成电路来完成的,而射频单元的构成是由半导体器件来完成的。集成电路技术正在广泛应用于无线通信基站的信号处理单元和交换设备,这使得高效的信号交换过程得以发展和实现。由此可见,无线通信借助于集成电路的发展迅速实现了快和小的特点,为用户提供了满意的服务,丰富和满足以及方便了人们的生活的方方面面。
 
四、集成电路的应用前景
 
通讯领域与集成电路技术就好比鱼和水的关系,通讯领域自从有了集成电路如鱼得水般的取得了长足的进展,同样的,通讯行业中新型技术的不断涌现也使得集成电路技术如鱼得水般的有了飞速的发展。现如今,通信正在向光通信转变,而通信元件的尺寸也在不断变小,正在向着纳米量级跨越。在今后,光集成必将会取代电集成,相信在不久的将来通信领域会有一个质的跨越。
 
1、在光纤通信系统中的应用前景
 
集成电路在光纤通信系统中的发展及研究将会聚集在新型高速全光器上面。这种全光器应该具有能够实现全光信号处理和易集成的特点,这是全光通信完成以及实现的基础。现如今,光通信系统还有一些问题需要解决,光通信网络速度还有待提高。相信在今后,随着科学技术的不断发展,新型高速全光器的应用和创新一定能够实现。
 
2、在无线通信系统中的应用前景
 
无线设备的终端芯片在无线通信中发挥着巨大的作用,这种芯片一直以来都向着小型化的方向发展着,但未来的研究热点并不仅限于此,应该向着多元化的方向去研究,即多业务、多功能、多种工作模式的集成电路模块。除此之外还有一些技术需要进行不断的深入研究并进行创新,如智能天线技术、无线通信终端之间的信息传递以及软件无线电技术等,这些技术都会为通信集成电路技术的发展增光添彩。
 
总结
 
        综上所述,纵观近年来世界电子信息新兴技术和产业的发展历史我们可以发现,集成电路是当代电子信息技术的核心和发展基础,关系到国家国民经济和社会的发展,是典型的基础性、战略性和先导性产业。本文简要介绍了集成电路的概念,对集成电路工艺技术水平指标进行了梳理和归纳,最后展望了其未来发展趋势,旨在进一步促进集成电路技术的发展。
 
        硅集成电路的市场经济潜力和发展前景还十分广阔,至少还有很长时间会按照摩尔定律去稳步发展。目前对微电子技术也有了更深的研究,已经由纳米时代向深纳米时代逐步发展。在通讯行业及领域中,集成电路技术还有很大的提升空间,还有一些困难和问题需要去研究并解决。尽管如此,集成电路会随着材料制造水平的进步以及科学技术的不断发展而发挥更重要的作用,相信集成电路的发展将会对社会经济的进步和通讯行业及领域带来更好的促进作用。通讯工程的整体效益受到通讯工程技术高低的影响,因此在今后我们需要紧紧跟上时代的步伐,加大对通讯集成电路的研究和探索,从而对通讯工程的建设水平进行提升,进而促进整个人类社会的发展和进步。
 
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