VLSI技术的历史和在现代技术中的应用

通常，电子电路在单个PCBA上集成有CPU，RAM，ROM和其他外围设备。但是，超大规模集成（VLSI）技术使IC设计人员能够将所有这些都添加到一个芯片中。如果我们回顾过去几十年的电子领域，我们将看到其快速增长的证据。好处包括增强的功能，改进的小型化和增强的整体性能。然而，在增加利用更少空间的同时放置更多组件的需求转化为较低的错误余量。

牢记这一点，可以理解为什么在过去的几年中，硅（CMOS）技术现在已成为成本效益高且性能相对较高的VLSI电路的领先制造工艺。  

超大规模集成电路技术

超大规模集成是将数十万个晶体管嵌入或集成到单个硅半导体微芯片上的过程。VLSI技术的概念可以追溯到1970年代后期，当时高级处理器（计算机）微芯片也处于开发阶段。两种最常见的VLSI设备是微处理器和微控制器。

VLSI是指在单个芯片上具有多个设备的集成电路技术。当然，该术语起源于1970年代，并且基于每个IC的门或晶体管的数量，出现了其他各种规模的集成分类。

电子行业的显着增长主要归功于大规模集成技术的进步。随着VLSI设计的到来，整个控制应用，电信，高性能计算和消费类电子产品中IC的可能性不断增加。

当前，由于VLSI技术，诸如智能手机和蜂窝通信之类的技术提供了空前的便携性，处理能力和应用程序访问权限。对这种趋势的预测表明，随着需求的持续增长，这种需求将迅速增加。

 

VLSI技术的优势

以下是VLSI技术的主要优点：

l 电路尺寸减小

l 提高设备的成本效益

l 电路工作速度方面的改进性能

l 与分立组件相比，所需功率更少

l 更高的设备可靠性

l 需要更少的空间并促进小型化

 

VLSI IC的设计过程

总体而言，VLSI IC设计包含两个主要阶段或部分：

1.   前端设计：这包括使用硬件描述语言（例如Verilog，System Verilog和VHDL）的数字设计。此外，该阶段包括通过仿真和其他验证技术进行设计验证。整个过程还包括设计，该设计从浇口开始，一直延伸到可测试性的设计。

2.   后端设计：这包括表征和CMOS库设计。此外，它还涉及故障仿真和物理设计。

整个设计过程遵循循序渐进的方法，以下是前端设计步骤：

l 问题规范：这是对系统的高级解释。我们处理关键参数，例如设计技术，功能，性能，制造技术和物理尺寸。最终规格包括VLSI系统的功能，功能，速度和大小。

l 体系结构定义：这包括基本规范，例如浮点单元，以及要使用的系统，例如RISC或CISC和ALU的缓存大小。

l 功能设计：这可以识别系统的重要功能单元，因此可以识别每个单元的物理和电气规格以及互连要求。

l 逻辑设计：此步骤涉及控制流，布尔表达式，字宽和寄存器分配。

l 电路设计：此步骤以网表的形式执行电路的实现。由于这是一个软件步骤，因此它利用仿真来检查结果。

l 物理设计：在此步骤中，我们通过将网表转换为几何图形来创建布局。此步骤还遵循一些先入为主的静态规则，例如lambda规则，该规则提供比率，组件之间的间距和大小的精确详细信息。

以下是硬件开发的后端设计步骤：

l 晶圆加工：此步骤利用在1400ºC的锅中熔化的纯硅。然后，将包含所需晶体取向的小晶种注入液化硅中，并以每分钟1mm的速度逐渐拉出。我们将硅晶体制造为圆柱形锭，并在抛光和晶体定向之前将其切割成圆盘或晶片。

l 光刻：该工艺（光刻）包括使用光刻蚀的掩模和照相掩模。接下来，我们在晶片上施加光刻胶膜。然后，光对准器将晶片对准掩模。最后，我们将晶片暴露在紫外线下，从而突出显示穿过掩模的轨迹。

l 蚀刻：在这里，我们选择性地从晶圆表面去除材料以产生图案。借助蚀刻掩模来保护材料的基本部分，我们使用了额外的等离子体或化学药品来去除残留的光刻胶。

l 离子注入：在这里，我们利用一种方法在半导体中实现所需的电特性，即添加掺杂剂的过程。该工艺使用高能掺杂离子束来瞄准晶圆的精确区域。光束的能级决定了晶片穿透的深度。

l 金属化：在此步骤中，我们在整个晶圆上施加一层薄薄的铝。

l 组装和包装：每个晶圆都包含数百个芯片。因此，我们使用金刚石锯将晶圆切割成单个芯片。之后，他们接受了电气测试，我们放弃了故障。相反，那些通过的人则使用显微镜进行了彻底的目视检查。最后，我们包装通过视觉检查并重新检查的芯片。

VLSI技术非常适合当今电子设备和系统的需求。随着对微型化，便携性，性能，可靠性和功能性的不断增长的需求，VLSI技术将继续推动电子技术的发展。

要针对VLSI技术中存在的低误差范围进行设计，就需要使用PCB设计和分析软件来帮助您正确完成工作。