深入研究集成电路内部的工作原理

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,继续操作直到所有塑料被移除

4.打开光源，将硅晶片放在显微镜下观察。

建议

1.建议初学者先开盖中小规模集成电路，如555定时器、DS1302时钟芯片、74系列逻辑门、ASM1117稳压芯片之类的。因为，中小规模的集成电路晶体管较少、金属导线层很少，可以在低倍显微镜下看见半导体(CMOS)和金属导线的结构。

555定时器中的一种结构,放大300x

集成电路的金属导线层示意图,A3-20多層導線技術M2U00106

2.使用小刀打磨塑料前可以先滴一点水在硅晶片上面。

3.通常，你可以在硅晶片的边缘四周找到代号和厂商LOGO，这可以让你分辨芯片的真伪。

芯片代号与厂商LOGO,放大300x(士兰半导体,SC3010)

4.如果光源过于强烈、看不清芯片结构，使用滤光片。

滤光片

透过滤光片,放大300x(可知打线封装)

5.如果不做化学处理，通过显微镜看到的图像是包含了金属导线层的，如果想要看到CMOS的结构，需要移除金属导线层。 金属导线层通常由铜构成，需要浓硫酸、浓盐酸、稀硝酸或浓硝酸处理。

未移除金属导线层(74HC182N,https://zeptobars.com/,license: CC BY 3.0,未修改)

移除了金属导线层(74HC182N,https://zeptobars.com/,license: CC BY 3.0,未修改)

6.光学显微镜的分辨率为0.2μm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm。通常，一个质量优秀的光学显微镜配和一个强大的光源就可以满足一般需求。
编辑：hfy