[科普中國]-IC芯片

IC芯片(Integrated Circuit Chip)是將大量的微電子元器件（晶體管、電阻、電容等）形成的集成電路放在一塊塑基上，做成一塊芯片。IC芯片包含晶圓芯片和封裝芯片，相應(yīng) IC 芯片生產(chǎn)線由晶圓生產(chǎn)線和封裝生產(chǎn)線兩部分組成。

集成電路集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。

晶體管發(fā)明并大量生產(chǎn)之后，各式固態(tài)半導(dǎo)體組件如二極管、晶體管等大量使用，取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世紀(jì)中后期半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)步，使得集成電路成為可能。相對于手工組裝電路使用個(gè)別的分立電子組件，集成電路可以把很大數(shù)量的微晶體管集成到一個(gè)小芯片，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。集成電路的規(guī)模生產(chǎn)能力，可靠性，電路設(shè)計(jì)的模塊化方法確保了快速采用標(biāo)準(zhǔn)化集成電路代替了設(shè)計(jì)使用離散晶體管---分立晶體管。

集成電路對于離散晶體管有兩個(gè)主要優(yōu)勢：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的組件通過照相平版技術(shù)，作為一個(gè)單位印刷，而不是在一個(gè)時(shí)間只制作一個(gè)晶體管。性能高是由于組件快速開關(guān)，消耗更低能量，因?yàn)榻M件很小且彼此靠近。2006年，芯片面積從幾平方毫米到350 mm2，每mm2可以達(dá)到一百萬個(gè)晶體管。第一個(gè)集成電路雛形是由杰克·基爾比于1958年完成的，其中包括一個(gè)雙極性晶體管，三個(gè)電阻和一個(gè)電容器，相較于現(xiàn)今科技的尺寸來講，體積相當(dāng)龐大。

類別一、根據(jù)一個(gè)芯片上集成的微電子器件的數(shù)量，集成電路可以分為以下幾類：

小型集成電路（SSI英文全名為Small Scale Integration）邏輯門10個(gè)以下或 晶體管100個(gè)以下。

中型集成電路（MSI英文全名為Medium Scale Integration）邏輯門11~100個(gè)或 晶體管101~1k個(gè)。

大規(guī)模集成電路（LSI英文全名為Large Scale Integration）邏輯門101~1k個(gè)或 晶體管1,001~10k個(gè)。

超大規(guī)模集成電路（VLSI英文全名為Very large scale integration）邏輯門1,001~10k個(gè)或 晶體管10,001~100k個(gè)。

極大規(guī)模集成電路（ULSI英文全名為Ultra Large Scale Integration）邏輯門10,001~1M個(gè)或 晶體管100,001~10M個(gè)。

GLSI（英文全名為Giga Scale Integration）邏輯門1,000,001個(gè)以上或晶體管10,000,001個(gè)以上。

二、按功能結(jié)構(gòu)分類：集成電路按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。

三、按制作工藝分類：集成電路按制作工藝可分為單片集成電路和混合集成電路，混合集成電路有分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。

四、按導(dǎo)電類型不同分類：集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路。雙極型集成電路的制作工藝復(fù)雜，功耗較大，代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。

五、按用途分類：集成電路按用途可分為電視機(jī)用集成電路。音響用集成電路、影碟機(jī)用集成電路、錄像機(jī)用集成電路、電腦(微機(jī))用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機(jī)用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報(bào)警器用集成電路及各種專用集成電路。

芯片外觀檢測集成電路（IC）芯片在封裝工序之后，必須要經(jīng)過嚴(yán)格地檢測才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，芯片外觀檢測是一項(xiàng)必不可少的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到 IC 產(chǎn)品的質(zhì)量及后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行。外觀檢測的方法有三種：一是傳統(tǒng)的手工檢測方法，主要靠目測，手工分檢，可靠性不高，檢測效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測缺陷有疏漏，無法適應(yīng)大批量生產(chǎn)制造；二是基于激光測量技術(shù)的檢測方法，該方法對設(shè)備的硬件要求較高，成本相應(yīng)較高，設(shè)備故障率高，維護(hù)較為困難；三是基于機(jī)器視覺的檢測方法，這種方法由于檢測系統(tǒng)硬件易于集成和實(shí)現(xiàn)、檢測速度快、檢測精度高，而且使用維護(hù)較為簡便，因此，在芯片外觀檢測領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越普遍，是 IC 芯片外觀檢測的一種發(fā)展趨勢。1

集成電路故障檢測集成電路芯片的硬件缺陷通常是指芯片在物理上所表現(xiàn)出來的不完善性。集成電路故障（Fault）是指由集成電路缺陷而導(dǎo)致的電路邏輯功能錯(cuò)誤或電路異常操作。導(dǎo)致集成電路芯片出現(xiàn)故障的常見因素有元器件參數(shù)發(fā)生改變致使性能極速下降、元器件接觸不良、信號線發(fā)生故障、設(shè)備工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致設(shè)備無法工作等等。電路故障可以分為硬故障和軟故障。軟故障是暫時(shí)的，并不會(huì)對芯片電路造成永久性的損壞。它通常隨機(jī)出現(xiàn)，致使芯片時(shí)而正常工作時(shí)而出現(xiàn)異常。在處理這類故障時(shí)，只需要在故障出現(xiàn)時(shí)用相同的配置參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，就可以使設(shè)備恢復(fù)正常。而硬故障給電路帶來的損壞如果不經(jīng)維修便是永久性且不可自行恢復(fù)的。

通常集成電路芯片故障檢測必需的模塊有三個(gè)：源激勵(lì)模塊，觀測信息采集模塊和檢測模塊。源激勵(lì)模塊用于將測試向量輸送給集成電路芯片，以驅(qū)使芯片進(jìn)入各種工作模式。故，通常希望測試向量集能盡量多得包含所有可能的輸入向量。觀測信息采集模塊負(fù)責(zé)對之后用于分析和處理的信息進(jìn)行采集。觀測信息的選取對于故障檢測至關(guān)重要，它應(yīng)當(dāng)盡量多的包含故障特征信息且容易采集。檢測模塊負(fù)責(zé)分析處理采集到的觀測信息，將隱藏在觀測信息中的故障特征識別出來，以診斷出電路故障的模式。

最早的電路故障診斷方法主要依靠一些簡單工具進(jìn)行測試診斷，它極大地依賴于專家或技術(shù)人員的理論知識和經(jīng)驗(yàn)。在這些測試方法中，最常用的主要有四類：虛擬測試、功能測試、結(jié)構(gòu)測試和缺陷故障測試。虛擬測試不需要檢測實(shí)際芯片，而只測試仿真的芯片，適用于在芯片制造前進(jìn)行。它能及時(shí)檢測出芯片設(shè)計(jì)上的故障，但它并未考慮芯片在實(shí)際的制造和運(yùn)行中的噪聲或差異。功能測試依據(jù)芯片在測試中能否完成預(yù)期的功能來判定芯片是否存在故障。這種方法容易實(shí)施但無法檢測出非功能性影響的故障。結(jié)構(gòu)測試是對內(nèi)建測試的改進(jìn)，它結(jié)合了掃描技術(shù)，多用于對生產(chǎn)出來的芯片進(jìn)行故障檢驗(yàn)。缺陷故障測試基于實(shí)際生產(chǎn)完成的芯片，通過檢驗(yàn)芯片的生產(chǎn)工藝質(zhì)量來發(fā)現(xiàn)是否包含故障。缺陷故障測試對專業(yè)技術(shù)人員的知識和經(jīng)驗(yàn)都要求很高。芯片廠商通常會(huì)將這四種測試技術(shù)相結(jié)合，以保障集成電路芯片從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到應(yīng)用整個(gè)流程的可靠性和安全性。然而，對于日趨復(fù)雜的電路系統(tǒng)，這些早期方法越發(fā)顯得捉襟見肘。經(jīng)過不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，許多新的思想和方法相繼問世。

電壓診斷出現(xiàn)較早且運(yùn)用較廣。電壓測試的觀測信息是被測電路的邏輯輸出值。此方法通過對電路輸入不同的測試向量得到對應(yīng)電路的邏輯輸出值，然后將采集的電路邏輯輸出值與該輸入向量對應(yīng)的電路預(yù)期邏輯輸出值進(jìn)行對比，來達(dá)到檢測電路在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期邏輯功能的目的。此方法簡單卻并不適用于冗余較多的大規(guī)模的集成電路。若缺陷出現(xiàn)在冗余部分就無法被檢測出來。而且當(dāng)電路規(guī)模較大時(shí)，測試向量集也會(huì)成倍增長，這會(huì)直接導(dǎo)致測試向量的生成難且診斷效率低下等問題。此外，如果故障只影響電路性能而非電路邏輯功能時(shí)，電壓診斷也無法檢測出來。由于集成電路輸出的電壓邏輯值并不一定與電路中的所有節(jié)點(diǎn)相關(guān)，電壓測試并不能檢測出集成電路的非功能失效故障。于是，在 80 年代早期，基于集成電路電源電流的診斷技術(shù)便被提出。電源電流通常與電路中所有的節(jié)點(diǎn)都是直接或間接相關(guān)的，因此基于電流的診斷方法能覆蓋更多的電路故障。然而電流診斷技術(shù)的提出并非是為了取代電壓測試，而是對其進(jìn)行補(bǔ)充，以提高故障診斷的檢測率和覆蓋率。電流診斷技術(shù)又分為靜態(tài)電流診斷和動(dòng)態(tài)電流診斷。靜態(tài)電流診斷技術(shù)的核心是將待測電路處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電源電流與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，來判定待測電路是否存在故障?？梢?，閾值的選取便是決定此方法檢測率高低的關(guān)鍵。早期的靜態(tài)電流診斷技術(shù)采用的固定閾值，然而固定的閾值并不能適應(yīng)集成電路芯片向深亞微米的發(fā)展。于是，后人在靜態(tài)電流檢測方法上進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，相繼提出了差分靜態(tài)電流檢測技術(shù)，電流比率診斷方法，基于聚類技術(shù)的靜態(tài)電流檢測技術(shù)等。動(dòng)態(tài)電流診斷技術(shù)于 90 年代問世。動(dòng)態(tài)電流能夠直接反應(yīng)電路在進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其內(nèi)部電壓的切換頻繁程度。基于動(dòng)態(tài)電流的檢測技術(shù)可以檢測出之前兩類方法所不能檢測出的故障，進(jìn)一步擴(kuò)大故障覆蓋范圍。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展與逐漸成熟，集成電路芯片故障檢測技術(shù)也朝著智能化的趨勢前進(jìn)2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

齊臣杰 - 研究員 - 北京信息科技大學(xué)