深入研究集成电路内部的工作原理_技术

集成电路诞生于20世纪50年代，德州仪器(TI)制作了世界上第一块IC。21世纪，集成电路变得常见，以集成度高、可靠、廉价，被广泛应用。小小的硅晶片，发展了接近半个世纪，逐渐走向成熟。单片集成度从最初的几个晶体管到3500万个晶体管，制程从最初的1um到现在的6nm，从最初的造价昂贵当现在的造价一般昂贵(迄今，设计和制造集成电路仍然是高投入和耗时的工作(3周到几个月))。

世界上第一块集成电路(来源于网络)

作为一名工程师，需要对集成电路有基本的认识。通常，数据手册可以提供芯片的很多信息。若想要设计可靠、低功耗、高性能的产品，就不能停留在数据手册上，需要深入研究集成电路内部的工作原理，其制造工艺与其性能的关系，并且具有一定的分析集成电路的能力。

硅晶片究竟有哪些奥秘？本文不尝试回答此问题，本文将介绍一种简单的、温和的打开IC封装的方法。

典型的74系列逻辑门的封装(双列直插封装)

英特尔南北桥的硅晶片(超大规模集成电路,覆晶封装)

芯片的封装

硅晶片非常小，基本上都比你的指甲盖要小的多。硅晶片非常脆弱，容易受到灰尘、液滴以及机械冲击的影响。现代的CPU以及GPU的硅晶片大多是裸露的，方便散热。为它们涂抹硅脂时需要十分小心。我曾经在换硅脂时不小心碰到了一个硅晶片的边缘，这个晶片就报废了。要保护这样小的芯片，就需要给它们封装。

硅晶片到底有多小？封装与硅晶片尺寸对比

IC封装有很多的种类，本文对常见的四侧引脚扁平封装(QFP)、双列直插封装(DIP)、球栅阵列封装(BGA)进行简单的介绍。

四侧引脚扁平封装(QFP)，体积中等，形状如下。

使用四侧引脚扁平封装的STM32单片机

QFP四侧引脚扁平封装图,HD3_封裝的種類與材料00847

双列直插封装(DIP)，一种常见的封装，体积最大，其形状像一条蜈蚣。

使用双列直插封装的运算放大器

DIP双列直插封装图,HD3_封裝的種類與材料00847

球栅阵列封装(BGA)，一种在手机、电脑等高集成度设备中的芯片常用的封装，体积最小，形状如下。这种封装的芯片使用本文介绍的方法不能很好的开盖，它的内部可能是覆晶封装。

使用球栅阵列封装的手机IC

BGA封装图,HD3_封裝的種類與材料0084

其他一些封装，包括PGA、PLCC/CLCC、QFN、SOIC和SOJ。

使用PGA封装的CPU

PGA针格阵列封装图,HD3_針格陣列00849

PLCC/CLCC封装图,HD3_四方封裝0084

使用QFN封装的射频IC

QFN封装图,HD3_四方封裝00849

使用SOIC封装的SDRAM

SOIC封装图,HD3_兩排直立封裝00849

SOJ封装图,HD3_兩排直立封裝00849

芯片丝印的命名规则

以STC51单片机丝印为例。

说到STC我就想吐槽他的DATASHEET...

STC：芯片设计公司。

8：8051内核。

9：含有Flash E^2PROM存储器。

C：CMOS工艺，工作电压5.5V--3.3V。

52：8K字节程序存储空间。

RC：512字节RAM存储空间。

40：芯片外部晶振最高可接入40MHz。

I：工业级，温度范围-40℃----85℃

PDIP40：双列直插封装，40个引脚。

后面一串：与制造工艺和制造日期有关，具体不详。

STC单片机丝印

芯片封装的材料

一个芯片通常由以下结构构成：

1.导线架。由金属制成，用于连接硅晶片与电路板。所知的材料：铁。

2.塑胶或陶瓷外壳。由塑料或陶瓷制成，通常是黑色或白色，用于保护硅晶片。

3.晶片与导线架之间的连接线。由金线或铝线构成，用于连接硅晶片与导线架。

4.硅晶片。由高纯硅、掺杂物和金属构成，是集成电路的核心组件。

5.散热底座。由金属制成，硅晶片通过胶水粘在散热底座上。

硅晶片在散热底座上示意

硅晶片与散热底座(正面，可以看见散热底座与硅晶片通过胶水粘在一起)

硅晶片与散热底座(反面)

这些材料的移除方法

1.导线架。稀盐酸、稀硫酸等可以与金属反应的酸。

2.塑料外壳。塑料在高温下变软，通常加热就可以移除塑料，但是可能无法完全移除。

3.连接线。金线需要王水移除，王水很危险也很难获取。铝线使用稀酸移除。

4.散热底座。使用稀酸移除。

工具

1.火炉

2.两个镊子

3.光学显微镜(有直射光源)或电子显微镜(不太现实)

4.待开盖的芯片

方法举例

0.查阅该芯片的资料，为显微镜下观察做准备。本次是RK2705，参数如下：RK2705是一种具有双核体系结构的集成系统，主要用于多媒体产品应用，如mp3、mp4、pmp等。双核体系结构集成了arm7eca。rk2705可在低功耗平台上获得高性能的nDSP微处理器，并与这两个cpu协同工作。内存储器空间-DSP IMEM 32Kwords-DSP DMEM 32 Kword-ARM7EJC嵌入式同步SRAM 4K字节-ARM7EJC嵌入式引导ROM8K字节。

于是，我们知道这个芯片有两个CPU核心和片上存储器。

待开盖的芯片(正面)

(反面)

1.一只手用镊子夹住芯片，放在火上烤。塑料快开始燃烧时，停止加热。使用另一个镊子掰受热的部分，可以看见塑料一掰就断了。重复上述步骤直到可以看见散热底座。

给芯片加热

加热后使用镊子掰受热的部分，可以轻松地掰断塑料

重复上述步骤，直到看见散热底座

2.继续加热，按照步骤1的方法移除散热底座。一般来说，散热底座一移除，硅晶片就会掉出来。如果没有，继续加热，将硅晶片四周的塑料移除，此时硅晶片应该就会掉出来。

分离了散热底座与硅晶片

将硅晶片四周的塑料移除

3.如果通过步骤2硅晶片未掉出来(上图)，你可以选择两种方法：一、使用砂纸或小刀打磨，直到硅晶片暴露。二、使用强酸腐蚀塑料(浓硫酸加热)。

使用小刀小心地打磨黑色的塑料直到可以看见硅晶片,继续 *** 作直到所有塑料被移除