集成電路產(chǎn)品分為兩種形式，即標(biāo)準(zhǔn)化系列產(chǎn)品 ( 標(biāo)準(zhǔn) ic) 和定制型產(chǎn)品 ( 定制 ic)
– 標(biāo)準(zhǔn) ic 是指目前市面上流行的諸如 74 系列 ttl ， 74 系 列 cmos 和 10k 或 100k 系列 ecl 等產(chǎn)品．長期以來， 這類 ic 被用來組裝各種機(jī)器系統(tǒng)，它們具有價(jià)格便 宜、測(cè)試方便、研制組裝中小型機(jī)器系統(tǒng)靈活。便于 維護(hù)、生產(chǎn)和更換筍優(yōu)點(diǎn)．但是其致命的缺點(diǎn)是性能 差，體現(xiàn)在速度、功耗、體積及可靠性等方面．因 此，標(biāo)準(zhǔn) ic 已不能滿足日益發(fā)展的高速大型機(jī)器系統(tǒng) 對(duì) lsi 電路的需要。
– 定制型 ic 實(shí)質(zhì)上是研究在晶片上的組裝技術(shù)，它把標(biāo) 準(zhǔn) ic 大量的外引線變成內(nèi)引線，從而實(shí)現(xiàn)高密度的組 裝；例如， mca2500 門陣列器件與用標(biāo)準(zhǔn) ic 裝焊的相 應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，密度提高了 700 倍，功耗下降到 1 ／ 12 ．定制型 ic 又稱專專用集成電路 (asic) ，它是 ic 生 產(chǎn)廠家按用戶的特殊需要研制生產(chǎn)的產(chǎn)品，具有高度 保密性，不易被抄襲和仿制．最早出現(xiàn)的定制型產(chǎn)品 是全定制 ic ，是廠家專門為用生產(chǎn)的專用 lsi 或 vlsi 電 路，具備電路系統(tǒng)的最佳性能，如體積小、速度快、 功耗低、可靠性高等．但研制周期長 ( 有的長達(dá) 1—2 年 ) 。并且當(dāng)品種多和批量小時(shí)，研制費(fèi)用十分昂貴。 于是，就導(dǎo)致了半定制產(chǎn)品的出現(xiàn)。
– 半定制 ic 是指由 ic 生產(chǎn)廠家大批量生產(chǎn)的半成品芯 片，而最后幾道布線互連工序按用戶的特殊需要進(jìn) 行，這就很好地解決了大規(guī)模生產(chǎn)和小批量需要之間 的矛盾．既滿足了用戶對(duì)電路性能的特殊需要，又達(dá) 到了生產(chǎn)周期短、成本低的目的．特別是引進(jìn)了計(jì)算 機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具 (cad) 后。進(jìn)一步縮短了設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期 ( 設(shè)計(jì)開發(fā)葉間一般為飛一 4 周 ) ，并有效地解決了設(shè)計(jì) 可行性和產(chǎn)品可測(cè)性的問題，使半定制 ic 成為實(shí)現(xiàn)用 戶專用 lsi 電路的有效途徑．半定制 ic 包括數(shù)字陣列和 線性陣列。數(shù)字陣列中又分為門陣列 (gate array) 、標(biāo) 準(zhǔn)單元 (standard cell) 和可編程邏輯器件 (programmable logical devices)
門陣列概述
門陣列是定制 vlsi （ very large scale integration) 的一個(gè)重要分支。門陣列的應(yīng)用覆蓋 了從高性能計(jì)算機(jī)到工業(yè)控制、儀器儀表、通 訊、航空航天和軍事等各方面，現(xiàn)在門陣列方法 已成為電子工業(yè)的主力。
門陣列以其多品種、小批量和非重復(fù)性開發(fā)為支 配因素優(yōu)于全定制方法．下面通過硅片制做過程 的流程圖來了解門陣列的生產(chǎn)過程和門陣列的概 念．
該圖是經(jīng)過加工的 晶片 ( wafer ) ，它含 有很多管芯 ( die ) ， 如圖中的小矩形方 塊所示。將一個(gè)管 芯從晶片上切割下 來，封裝后即成為 集成電路，被封裝 的管芯也稱為芯片 ( chip ) ．
管芯由導(dǎo)電層、半導(dǎo)電層和非導(dǎo)電材料層構(gòu)成，這些層用來 形成管芯的有源元件和無源元件．每一層上元件的幾何尺寸 由掩膜確定．晶片上的每一層對(duì)應(yīng)于一個(gè)掩膜，掩膜上有每 個(gè)管芯的重復(fù)圖案，因此所有管芯的加工是同時(shí)進(jìn)行的。上 述過程適用于任何集成電路的生產(chǎn)，不管是數(shù)字的或是摸 擬，也不管是門陣列或其他形式的 ic 。
圖 2-1-2 是晶片加工的示意圖。紫外光通過一張掩膜板在晶 片上形成一個(gè)圖形。這個(gè)圖形限制諸如雜質(zhì)的參入途徑，氧 化層和金屬層刻蝕方位等加工過程。當(dāng)做完一層后，紫外光 又通過另一張掩膜板在晶片上形成另一個(gè)圖形，如此重復(fù)， 直到預(yù)期的生產(chǎn)周期全部結(jié)束。
晶片測(cè)試、切割并封裝好管芯。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ic 和可編程 ic 制 成成品或半成品。
門陣列與標(biāo)準(zhǔn) ic 之間的一個(gè)重要區(qū)別是門陣列作成半成品， 最后的金屬布線層由定制人員設(shè)計(jì)，形成用戶專用掩膜板， 再將半成品定制成滿足用戶要求的功能器件。不同的掩膜板 圖形是各不相同的，而且圖形之間必須嚴(yán)格地相互關(guān)聯(lián)。
門陣列定義
門陣列是一種最典型、應(yīng)用最早、應(yīng)用最廣泛的半定制設(shè) 計(jì)方法．采用門陣列方法時(shí)，集成電路制造廠家首先設(shè)計(jì) 制造出由許多相同的、有規(guī)則排列且相互間沒有連接起來 的單元電路組成的半成品芯片，稱之為 “ 母片 ” 。然后， ic 生產(chǎn)廠家按照用戶的要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和邏輯設(shè)計(jì)，通過合 適的掩膜確定管芯的金屬化層，將母片上的各單元電路連 接起來，形成具有指定功能的數(shù)字系統(tǒng)。
門陣列管芯是有規(guī)則排列的晶體管或其它元件，通用的輸 入輸出 (i/o) 單元以及有關(guān)焊接點(diǎn)的集合．門陣列的特點(diǎn)是 具有大量的潛在內(nèi)部連接點(diǎn)，保證了設(shè)計(jì)者能采用不同的 元件互連方案來完成電路設(shè)計(jì) ．．
門陣列芯片中的元件分為有源元件和無源元件。有源元件是晶體管、 二極管；無源元件則包括電阻、電容、擴(kuò)散或多晶硅形成的 ‘ 層下通道 （ 0nderpass) 、連接點(diǎn)、焊點(diǎn)、電源和地總線等。通過對(duì)這些元件進(jìn) 行布線互連來完成電路設(shè)計(jì)。
門陣列大致可分為兩類，即中、高速門陣列。前者主要用于通用邏輯 的替換，比如說通過替換一塊由 ssi ／ msi 集成電路組成的印制板來 降低生產(chǎn)成本。后者則用于計(jì)算機(jī)主機(jī)和微型機(jī)的生產(chǎn)，因?yàn)橥ㄟ^利 用 ecl 工藝可使門延時(shí)小于納秒級(jí)，另外，門陣列潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是 用于高速數(shù)字信號(hào)處理。
門陣列的其它名稱，如不約束的邏輯陣列 (ulas ： uncommitted logic arrays) 、可結(jié)構(gòu)化門陣列 (cgas ： configurable gatearrays ) 、母 片法 ( master slices ) 和邏輯陣列等， motorola 公司則使用宏單元陣列的 名稱 ( macrocell array ) 來表明用戶只能用宏單元，而不能用分離的晶體 管來設(shè)計(jì)門陣列。
門陣列的生產(chǎn)流程圖，
門陣列的結(jié)構(gòu)
(1) 塊單元方法．每個(gè)單元以有規(guī)則的間距按二維矩陣排列．單元之 間的空隙用作單元內(nèi)部連接的通道，這些通道分為垂直通道和水平通道．
(2) 行單元方法．在這種情況下，各個(gè)單元背靠背地沿水平方向或垂 直方向排列，行與行或列與列之間留有較寬的間隙，用作單元之間的內(nèi)部 連接通道．
(3) 鄰接單元法．這里，每個(gè)單元緊密鄰接，相互間不預(yù)留布線通 道．各單元間的相互連接是通過利用單元內(nèi)部預(yù)留的空隙以及芯片上未加 以利用的單元來實(shí)現(xiàn)的，在設(shè)計(jì)各單元的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)作到這一點(diǎn)．
在上述三種結(jié)構(gòu)中，芯片的四周是輸入／輸出接口單 元．這些輸人／輸出功能包括電平轉(zhuǎn)換、三態(tài)門輸出，集 電極開路型輸出、施密特觸發(fā)器、振蕩器、單穩(wěn)態(tài) ， 觸 發(fā)器等。一般來說，前兩種結(jié)構(gòu)允許單元間的自動(dòng)布線， 布線分兩層進(jìn)行，兩層的走線相互垂直．如果一層是金屬 層，則另一層是具有層下通道或連接點(diǎn)形成的擴(kuò) ‘ 散或多晶 硅層．若采用另一種布線方法，則兩層均為金屬布線層， 其間帶有接觸孔 [ 或通道以進(jìn)行層問互連．塊單元結(jié)構(gòu)的布 線通道占用了較大的芯片面積，芯片利用率刁但其布線難 度較大，對(duì) cad 軟件要求較高．方面有較好的折衷
(a) 如何使用兩層金屬層進(jìn)行布線：下層（點(diǎn)劃線）只在垂直方向布線；而上層 （實(shí)線）只在水平方向布線
(b) 在芯片上預(yù)定的位置設(shè)置多晶硅或擴(kuò)散層下通道，這些通道用來完成上下兩 層的互連走線。實(shí)線為金屬線，小方塊直通下層的連接孔。
宏單元
門陣列的最初形式是以簡單的門作為基本單元．如果要生產(chǎn)種類 繁多、功能復(fù)雜的邏輯部件，以門為基本單元的陣列限制了邏輯 設(shè)計(jì)的靈活性及門的利用率，從而限制了集成度的提高。
宏單元 (macrocell) 陣列的出現(xiàn)是門陣列的擴(kuò)充，其芯片陣列上的 單元不是門而是一些互不相連的晶體管和電阻。宏單元陣列雖然 設(shè)計(jì)周期比門陣列長，卻為用戶提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性，實(shí)現(xiàn) 更多樣、復(fù)雜的功能集成，提高元件利用率，減小器件體積。
引進(jìn)宏單元的概念后，用戶有可能把整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)在單一晶 片上。所謂宏單元實(shí)際上是預(yù)先定義好的邏輯功能塊，即預(yù)先確 定好晶體管間互連、執(zhí)行一定邏輯功能、并可重復(fù)使用的單元。 宏單元庫中保存有由生產(chǎn)廠家約定好的各種邏輯功能塊。
如 fairchild 公司的 fge 系列和 motorola 公司的 mca2500 宏單元 庫中都有 80 多種 ssi ／ msi 邏輯功能塊．用戶只要把自己要設(shè)計(jì) 的機(jī)器電路系統(tǒng)進(jìn)行邏輯劃分 ( 又稱宏定義 ) ，將其分解成宏單元 庫中現(xiàn)有的邏輯電路塊，并安排在適當(dāng)?shù)奈恢?。?jì)算機(jī)自動(dòng)生 成宏單元內(nèi)部互連圖，使其構(gòu)成相應(yīng)的功能部件 ( 如觸發(fā)器、累 加器等 ) ，再自動(dòng)生成宏單元之間的互連圖，生產(chǎn)出所需的 vlsi 電路．
根據(jù) 宏單元 功能的復(fù)雜程度的不同，一個(gè)宏單元可由 1/4 、 1/2 、幾個(gè)或幾十個(gè) 基本單元 組成．例如 mca2500 宏單元庫 中， m200( 五輸人或／或非 ) 由 1/4 基本單元組成； m281( 全加器 ) 由一個(gè)基本單元組成．基本單元中的 元件 ( 電阻，三極管等 ) 。
基本單元所包含的元件數(shù)，各廠家有不同的規(guī)定，但其設(shè)計(jì)宗 旨是以最少的元件實(shí)現(xiàn)盡可能多的品種組合，完成盡可能復(fù)雜 的功能，并使內(nèi)部單元利用率最佳．如 fge2500 陣列，內(nèi)部單 元包含 26 個(gè)晶體管和 16 個(gè)電阻，可完成諸如 4 輸入 “ 或非 ” 門， 4:l 多路轉(zhuǎn)換器，帶復(fù)位和清 0 輸入端的 d 型主從觸發(fā)器等復(fù)雜的 邏輯功能。
“ 單元 ” 這個(gè)術(shù)語，有兩重不同的含義。一是表示門陣列中一組 有源元件 ( 如晶體管等 ) ，稱為陣列單元；二是表示功能部件， 其功能是預(yù)先定義好的而且是通過晶體管之間的互連實(shí)現(xiàn)的。 依據(jù)布局的大小，它可能象一個(gè)邏輯元件那么小，也可能如整 個(gè)芯片那樣大，但通常是介于二者之間。一般稱為 ‘ 宏 ' (macro) ， “ 宏單元 ” 或者功能單元。有時(shí)，也分大的和小的 功能單元．小的功能單元稱作微單元 (microcelll8) ，它只包含少 量的門，簡單的加法器， d 型觸發(fā)器等。大的功能單元稱為宏。