超大规模集成电路设计
2020年4月22日星期三
课艺、器件/连线 – 逻辑门单元电路、组合/时序逻辑电路 – 功能块/子系统（控制逻辑、数据通道、存储器、总线）
• Part 2 超大规模集成电路设计方法
– 设计流程 – 系统设计与验证 – RTL设计与仿真 – 逻辑综合与时序分析 – 可测试性设计 – 版图设计与验证 – SoC设计概述
Die
Package
封装（3）
封装方式
– DIP双列直插式 – PLCC塑料有引线芯片
载体 – QFP塑料方型扁平式 – PGA插针网格阵列 – BGA球栅阵列 – MCM、SIP的多芯片
封装方式
我国知名的封装厂
– 长电 – 南通富士通
DIP
PLCC
QFP
LQFP
TQFP
PGA
BGA
测试（1）
• 中测（晶圆测试、 Wafer Testing、CP测试）：晶圆制造完成后 的测试
制造（2）
• 制造工艺的发展趋势 – 特征尺寸越来越小：1, 0.8, 0.6, 0.5, 0.35, 0.25, 0.18, 0.15,0.13 微米; 90, 65, 40, 28，20纳米 – 晶圆直径越来越大：4, 5, 6, 8, 12 英寸 – 率先用于数字IC，特别是DRAM和Flash等存储器电路 – 结果：规模越来越大，性能越来越高，单片制造成本相对越来越 低
晶圆（管芯）
芯片
设计结果：芯片版图（Layout）
• An Example
Chip Layout of Intel Pentium Pro - 5.5 million FETs
掩模版（光罩版、Mask）
版图 Layout
晶圆制造
掩模版
封装
晶圆制造
从空白晶圆（Wafer）到图案化的晶圆
版图 →管芯
Pentium III
PentiumPro
当前：超大规模集成电路(VLSI)时代
为什么采用VLSI：人们对电子系统的需要
★ 功能要求越来越复杂：电路规模 ★ 性能要求越来越优良：速度、功耗 ★ 成本相对来讲最好低一点：尺寸
由于集成电路在电子系统中的核心作用，集成电路在系统功能 、性能和成本中所起的作用是关键性的
课程参考书
（仅适用于Part 1）
中文版
《现代VLSI设计——系统芯片设计》（原书第三版）
[美]韦恩•沃尔夫 著
科学出版社
该书的前半部分
（Chap1-6）
英文版
Modern VLSI Design: System-on-Chip Design, 3th
by Wayne Wolf
绪论
1. IC：从设计、制造、封装、测试到芯片产品
2. IC设计：设计流程及其EDA工具
集成电路（IC）的发明
• 1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer提出了集成电路的设想。 • 1958年TI公司Clair Kilby的研究小组发明了第一块集成电路，12个元件，锗半导体
获2000年Nobel物理奖
第一块微处理器芯片
Intel公司, 1971年 4004中央处理 器(CPU)
IC的大致分类 (1)
IC
数字IC
FPGA/CPLD
SOC
射频/模拟IC 混合信号IC
数字ASIC（掩膜
混合 ASIC
）
基于门阵列
基于标准单元
基于全定制
集成电路的发展：摩尔定律
• 由Gordon Moore提出（Gordon Moore是Intel的创立者之一） • Moore’s Law：每个芯片上的晶体管数目，以指数形式增加，每18个月翻一番
摩尔定律：微处理器的发展
8080
8086
80286
80386
80486
Pentium
Itanium
Pentium IV
Layout→Die
制造（1）
• 芯片制造的大致步骤
– 掩模版（光罩版、Mask）制作 • 对每层版图都要制作一层掩模版，实际是光刻工序的次数 • 除金属层外，一般CMOS电路至少需要20层以上掩模版
– 晶圆制造（光刻）（Wafer Manufacturing）
• 制造工艺的种类
– Bipolar – MOS（NMOS、PMOS） – CMOS（当前主流工艺） – BiCMOS – 其它特殊工艺
测试（2）
• 成测（成品测试、Final Testing 、FT）：芯片封装完成后的测 试，需对每个芯片进行测试 – 测试在制造、封装过程中形成的故障 – 是必须经过的过程，但对经过中测的芯片可以相对简单 – 自动测试仪ATE ＋ 芯片自动分拣机（或称机械手）Handler
测试（3）
世界知名的测试仪器和设备
集成电路的三个关键特性（功能要求定下来的前提下）
★ 尺寸 ★ 速度 ★ 功耗
集成电路：从 Spec. 到芯片产品
设计 制造 封装测试
体现出了集成电路产业链： 设计业、制造业、封测业
集成电路：从 Spec. 到芯片产品
设计 制造 封装测试
设计结果
掩模版（光罩 版、Mask）
晶圆测试 （中测）
成品测试 （成测）
• 世界知名的制造厂（Foundry）
– 代工厂 TSMC、UMC、Charter、SMIC
– IDM Intel、Samsung、TI、ST
封装测试
掩模版
封装
封装（1）
先进行晶圆切割 (Sawing Wafer)
封装（2）
– 封装（ Packaging ）可以满足芯片的以下几个需要
– 给予芯片机械支撑 – 协助芯片向周围环境散热 – 保护芯片免受化学腐蚀 – 封装引脚可以提供芯片在整机中的有效焊接
– 测试在制造过程中形成的故障 – 不能测试在封装过程中形成的故障（因为此时还没有封装），所以中
测以后必须进行成测 – 可以在封装前测试出故障芯片，避免这部分故障芯片的封装费用，适
用于封装费用比较昂贵的芯片。所以，封装费用低廉的芯片可以不经 过中测 – 自动测试仪ATE（Teaster） ＋自动探针台ProbeStation
• Advantest（爱德万） • Teradyne（泰瑞达） • Credence（科利登） • Verigy（原Agilent 安捷伦半导体测试部门）
绪论
1. IC：从设计、制造、封装、测试到芯片产品
2. IC设计：设计流程及其EDA工具
1）数字IC设计流程 2）模拟IC设计流程 3）设计对制造和封测的影响