深入研究集成電路內(nèi)部的工作原理

集成電路誕生于20世紀(jì)50年代，德州儀器(TI)制作了世界上第一塊IC。21世紀(jì)，集成電路變得常見，以集成度高、可靠、廉價(jià)，被廣泛應(yīng)用。小小的硅晶片，發(fā)展了接近半個世紀(jì)，逐漸走向成熟。單片集成度從最初的幾個晶體管到3500萬個晶體管，制程從最初的1um到現(xiàn)在的6nm，從最初的造價(jià)昂貴當(dāng)現(xiàn)在的造價(jià)一般昂貴(迄今，設(shè)計(jì)和制造集成電路仍然是高投入和耗時(shí)的工作(3周到幾個月))。

世界上第一塊集成電路(來源于網(wǎng)絡(luò))

作為一名工程師，需要對集成電路有基本的認(rèn)識。通常，數(shù)據(jù)手冊可以提供芯片的很多信息。若想要設(shè)計(jì)可靠、低功耗、高性能的產(chǎn)品，就不能停留在數(shù)據(jù)手冊上，需要深入研究集成電路內(nèi)部的工作原理，其制造工藝與其性能的關(guān)系，并且具有一定的分析集成電路的能力。

硅晶片究竟有哪些奧秘？本文不嘗試回答此問題，本文將介紹一種簡單的、溫和的打開IC封裝的方法。

典型的74系列邏輯門的封裝(雙列直插封裝)

英特爾南北橋的硅晶片(超大規(guī)模集成電路,覆晶封裝)

芯片的封裝

硅晶片非常小，基本上都比你的指甲蓋要小的多。硅晶片非常脆弱，容易受到灰塵、液滴以及機(jī)械沖擊的影響?，F(xiàn)代的CPU以及GPU的硅晶片大多是裸露的，方便散熱。為它們涂抹硅脂時(shí)需要十分小心。我曾經(jīng)在換硅脂時(shí)不小心碰到了一個硅晶片的邊緣，這個晶片就報(bào)廢了。要保護(hù)這樣小的芯片，就需要給它們封裝。

硅晶片到底有多小？封裝與硅晶片尺寸對比

IC封裝有很多的種類，本文對常見的四側(cè)引腳扁平封裝(QFP)、雙列直插封裝(DIP)、球柵陣列封裝(BGA)進(jìn)行簡單的介紹。

四側(cè)引腳扁平封裝(QFP)，體積中等，形狀如下。

使用四側(cè)引腳扁平封裝的STM32單片機(jī)

QFP四側(cè)引腳扁平封裝圖,HD3_封裝的種類與材料00847

雙列直插封裝(DIP)，一種常見的封裝，體積最大，其形狀像一條蜈蚣。

使用雙列直插封裝的運(yùn)算放大器

DIP雙列直插封裝圖,HD3_封裝的種類與材料00847

球柵陣列封裝(BGA)，一種在手機(jī)、電腦等高集成度設(shè)備中的芯片常用的封裝，體積最小，形狀如下。這種封裝的芯片使用本文介紹的方法不能很好的開蓋，它的內(nèi)部可能是覆晶封裝。

使用球柵陣列封裝的手機(jī)IC

BGA封裝圖,HD3_封裝的種類與材料0084

其他一些封裝，包括PGA、PLCC/CLCC、QFN、SOIC和SOJ。

使用PGA封裝的CPU

PGA針格陣列封裝圖,HD3_針格陣列00849

PLCC/CLCC封裝圖,HD3_四方封裝0084

使用QFN封裝的射頻IC

QFN封裝圖,HD3_四方封裝00849

使用SOIC封裝的SDRAM

SOIC封裝圖,HD3_兩排直立封裝00849

SOJ封裝圖,HD3_兩排直立封裝00849

芯片絲印的命名規(guī)則

以STC51單片機(jī)絲印為例。

說到STC我就想吐槽他的DATASHEET...

STC：芯片設(shè)計(jì)公司。

8：8051內(nèi)核。

9：含有Flash E^2PROM存儲器。

C：CMOS工藝，工作電壓5.5V--3.3V。

52：8K字節(jié)程序存儲空間。

RC：512字節(jié)RAM存儲空間。

40：芯片外部晶振最高可接入40MHz。

I：工業(yè)級，溫度范圍-40℃----85℃

PDIP40：雙列直插封裝，40個引腳。

后面一串：與制造工藝和制造日期有關(guān)，具體不詳。

STC單片機(jī)絲印

芯片封裝的材料

一個芯片通常由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成：

1.導(dǎo)線架。由金屬制成，用于連接硅晶片與電路板。所知的材料：鐵。

2.塑膠或陶瓷外殼。由塑料或陶瓷制成，通常是黑色或白色，用于保護(hù)硅晶片。

3.晶片與導(dǎo)線架之間的連接線。由金線或鋁線構(gòu)成，用于連接硅晶片與導(dǎo)線架。

4.硅晶片。由高純硅、摻雜物和金屬構(gòu)成，是集成電路的核心組件。

5.散熱底座。由金屬制成，硅晶片通過膠水粘在散熱底座上。

硅晶片在散熱底座上示意

硅晶片與散熱底座(正面，可以看見散熱底座與硅晶片通過膠水粘在一起)

硅晶片與散熱底座(反面)

這些材料的移除方法

1.導(dǎo)線架。稀鹽酸、稀硫酸等可以與金屬反應(yīng)的酸。

2.塑料外殼。塑料在高溫下變軟，通常加熱就可以移除塑料，但是可能無法完全移除。

3.連接線。金線需要王水移除，王水很危險(xiǎn)也很難獲取。鋁線使用稀酸移除。

4.散熱底座。使用稀酸移除。

工具

1.火爐

2.兩個鑷子

3.光學(xué)顯微鏡(有直射光源)或電子顯微鏡(不太現(xiàn)實(shí))

4.待開蓋的芯片

方法舉例

0.查閱該芯片的資料，為顯微鏡下觀察做準(zhǔn)備。本次是RK2705，參數(shù)如下：RK2705是一種具有雙核體系結(jié)構(gòu)的集成系統(tǒng)，主要用于多媒體產(chǎn)品應(yīng)用，如mp3、mp4、pmp等。雙核體系結(jié)構(gòu)集成了arm7eca。rk2705可在低功耗平臺上獲得高性能的nDSP微處理器，并與這兩個cpu協(xié)同工作。內(nèi)存儲器空間-DSP IMEM 32Kwords-DSP DMEM 32 Kword-ARM7EJC嵌入式同步SRAM 4K字節(jié)-ARM7EJC嵌入式引導(dǎo)ROM8K字節(jié)。

于是，我們知道這個芯片有兩個CPU核心和片上存儲器。

待開蓋的芯片(正面)

(反面)

1.一只手用鑷子夾住芯片，放在火上烤。塑料快開始燃燒時(shí)，停止加熱。使用另一個鑷子掰受熱的部分，可以看見塑料一掰就斷了。重復(fù)上述步驟直到可以看見散熱底座。

給芯片加熱

加熱后使用鑷子掰受熱的部分，可以輕松地掰斷塑料

重復(fù)上述步驟，直到看見散熱底座

2.繼續(xù)加熱，按照步驟1的方法移除散熱底座。一般來說，散熱底座一移除，硅晶片就會掉出來。如果沒有，繼續(xù)加熱，將硅晶片四周的塑料移除，此時(shí)硅晶片應(yīng)該就會掉出來。

分離了散熱底座與硅晶片

將硅晶片四周的塑料移除

3.如果通過步驟2硅晶片未掉出來(上圖)，你可以選擇兩種方法：一、使用砂紙或小刀打磨，直到硅晶片暴露。二、使用強(qiáng)酸腐蝕塑料(濃硫酸加熱)。

使用小刀小心地打磨黑色的塑料直到可以看見硅晶片,繼續(xù)操作直到所有塑料被移除

4.打開光源，將硅晶片放在顯微鏡下觀察。

建議

1.建議初學(xué)者先開蓋中小規(guī)模集成電路，如555定時(shí)器、DS1302時(shí)鐘芯片、74系列邏輯門、ASM1117穩(wěn)壓芯片之類的。因?yàn)椋行∫?guī)模的集成電路晶體管較少、金屬導(dǎo)線層很少，可以在低倍顯微鏡下看見半導(dǎo)體(CMOS)和金屬導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)。

555定時(shí)器中的一種結(jié)構(gòu),放大300x

集成電路的金屬導(dǎo)線層示意圖,A3-20多層導(dǎo)線技術(shù)M2U00106

2.使用小刀打磨塑料前可以先滴一點(diǎn)水在硅晶片上面。

3.通常，你可以在硅晶片的邊緣四周找到代號和廠商LOGO，這可以讓你分辨芯片的真?zhèn)巍?/p>

芯片代號與廠商LOGO,放大300x(士蘭半導(dǎo)體,SC3010)

4.如果光源過于強(qiáng)烈、看不清芯片結(jié)構(gòu)，使用濾光片。

濾光片

透過濾光片,放大300x(可知打線封裝)

5.如果不做化學(xué)處理，通過顯微鏡看到的圖像是包含了金屬導(dǎo)線層的，如果想要看到CMOS的結(jié)構(gòu)，需要移除金屬導(dǎo)線層。?金屬導(dǎo)線層通常由銅構(gòu)成，需要濃硫酸、濃鹽酸、稀硝酸或濃硝酸處理。

未移除金屬導(dǎo)線層(74HC182N,https://zeptobars.com/,license:?CC BY 3.0,未修改)

移除了金屬導(dǎo)線層(74HC182N,https://zeptobars.com/,license:?CC BY 3.0,未修改)

6.光學(xué)顯微鏡的分辨率為0.2μm，透射電子顯微鏡的分辨率為0.2nm。通常，一個質(zhì)量優(yōu)秀的光學(xué)顯微鏡配和一個強(qiáng)大的光源就可以滿足一般需求。
編輯：hfy