積體電路(Integrated Circuit),常稱IC,在現今電子科學的領域中幾乎無所不在。向來使用都是依照製造廠所公佈的特性資料來設計電路,或依照廠商所推薦的電路製造成品。但是在目前這種競爭激烈的商場上,一個優良的電路設計很可能遭到競爭對手的抄襲,對方不必花開發費用就能做出相同的產品。因此有些大廠商向製造商訂貨時,要求打上自己所規劃的編號(不是商用編號),有的甚至於把一些特殊的設計由製造IC的廠商製成專用的IC,以達成保密和獨佔的目的,這兩種情況都是在使用量非常大的條件下才能達到經濟效益。如果使用量中等,而又希望產品擁有保密性,最經濟的辦法就是本文所要述的半客戶設計IC,它的成本較低,因此用量在50KPCS以下的需求是最適合的。
什麼是半客戶設計IC呢?前曾說過當你希望把一個完整電路濃縮成一只IC時,可以有兩種方法,一個是完全按你的要求委託半導體製造廠來設計與製造,整個過程由製造者負責,當然從設計、開發到製成的時間會比較長,費用也較高。所謂半客戶委託設計乃是為克服上述的開發時間和費用之缺點,利用積體電路的「半成品」,由客戶依所需電路自己來完成整個IC,在很短時間內即可把產品開發出來,省時、經濟又具有保密性,別人完全無法模倣。
半客戶IC是什麼?
半客戶IC(Semi-Custom IC)是這樣的:各種IC製造過程的前幾道程序都是一樣的,最後一道程序是以金屬層來聯結半成品內之各元件(指電晶體和電阻),以形成一個特定功能之電路,把這個最後手續留給客戶自己來作,客戶在選定適當大小之IC半成品之後,將原設計電路轉換成可以用半成品來聯結的電路形式,然後將達成該電路所必須的金屬層連結圖案設計成光罩(Mask),再用這光罩把最後一道程序完成。在短時間內(10至16週)即可得到產品而且費用僅及全客戶設計的20%左右。圖(1)所示為半客戶IC與全客戶IC之用量與成本關係圖。
半客戶IC的優點也適用來探測產品市場的反應,廠商可以先用半客戶IC做成的產品來試探其市場,若反應良好,則可在極低風險的情況下轉換為全客戶設計,使電路更趨完美。利用這種「兩步式」的開發IC方式來設計特殊IC,不但經濟,而且在開發過程中隨時可以根據市場的回饋資料,在轉換成全客戶設計時予以修改,使經營者具有更大的彈性。
半客戶IC的開發費用,完全根據客戶本身在整個開發過程中參與的程度而定,如果客戶利用半成品IC自行設計,並完成一份完整的金屬連結佈局圖,憑以製程光罩,這樣的開發費用大約要新台幣七萬元以上,還視電路之大小而定。
半客戶IC之內容
國內目前唯一能進行完整的IC製作程序的「電子工業研究」已能提供半客戶委託設計的服務,大批的半客戶用晶片已加工至最後階段,在倉庫裡等著,一旦客戶設計的電路定案之後立刻可以進行最後加工,在經測試之後即可迅速出貨。目前電子所在線性和數位積體電路的半客戶IC各有一個晶片,可提供給客戶設計成各種功能的電路。
一、線性半客戶IC: 這個編號為CIC 620的線性半客戶IC晶片上包含有60個電晶體和68個電阻,其中有44個是NPN小信號晶體,14個PNP小信號晶體,2個NPN驅動晶體(200mA),及總阻值為240KΩ之電阻共68個(參看表一),崩潰電壓為40V,16腳包裝,可以經由不同設計而成各種放大器、控制驅動器、感知電路等等。這些晶片上的元件當然不可能完全百分之百的予以運用(受制於佈局技巧、接腳位置、電路特性、元件參數等因素),一般使用率大約在70%~80%之間。
電子所為協助國內的廠商進行半客戶IC的設計,能隨時提供全套的參考資料和製作模擬電路用之元件IC(IC中的元件與CIC 620完全相同,只是數量較少,用來模擬完整電路的動作特性),共有三種,編號是TC4052~1到TC4052~3(參見圖2),整個CIC620約是TC4052~1十個及TC4052~2三個及TC4052~3十八個之集合體。
在晶片上的電晶體構造,小電流NPN電晶體之平面圖形如圖(3),它有四個集極接點,使得在佈局時有更佳的接法彈性,它的特性如表二所示。
大電流的NPN構造如圖(4),每個的工作電流可達200mA,若需更大電流可將兩個併連使用。
PNP電晶體的構造見圖(5),為橫式構造,所以性能較NPN為差,特性參見表三。
電阻的大小有200Ω、450Ω、900Ω、1.8K、3.6K五種,另外還有兩個60KΩ的「夾層」電阻(構造很像FET電晶體的Chennel)需要其他的阻值就用串或併聯取得。電阻本身是由擴散製成,阻值的絕對值並不很精確,但所有電阻之間的比率卻十分接近理論值,而且不受溫度的影響。表四是這些電阻元件的特性(最差的情況下)。兩個夾層電阻的阻值誤差較大(-50%~+100%),溫度係數也差,唯一的好處是只利用小區域就能達到高阻值,不會佔去晶片的太多面積。
二、數位半客戶IC:這個編號為CIC600的半客戶IC晶片上包含有三輸入的基本閘(可接成NOR或NAND閘)72個,兩輸入的基本閘72個,輸出用緩衝級14個,輸出驅動用18個(洩極開路式),高輸入阻抗元件4個(P型N型各2),接線墊35個(供接輸入、輸出用)。使用電源電壓為1.5V~12V,特性見表五。
這些閘元件的使用率也大約是80%左右。每一個Gate除了有基本的CMOS元件之外還有作連接用的通道,它是埋層式的只露出兩接線端,而且可以用電壓控制其通與不通。圖6中所示的包含有2輸入及3輸入Gate各一組,兩旁有七個通道,這些稱為「細胞」的元件可接成各種不同的基本閘電路,在利用這些閘電路構成完整功能的數位電路,圖(7)是幾個接線的例子。
由於CIC 600中的構造與目前電子所產製的ECD4000系列CMOS邏輯族完全一樣,射記者需要模擬某個功能之電路時,可逕利用CMOS ECD4000系列的現成IC去做,然後再設計成半客戶IC。
CIC 600中計有150個閘,另外300閘極75閘的半客戶IC正在籌備中,相信電子所很快就能供應,提供給各種不同的用途。
結 語:
半客戶委託設計的確是一個很好的觀念,使得IC之製造在量小下依舊很廉宜,更重要的是它的保密性,使得商場上的競爭對手如入五里霧中!有興趣於Semi-Custom IC的讀者可逕與電子工業研究所市場部聯繫,電話是(02)3945404-5 (02)3945530-2 地址:台北市松江路315-317號8F (蘇桑註:以上電話、地址為1981年的地址,如今是否依然打得通或找得到蘇桑不能保證,您或可從網路查詢確實的電話與地址,本文僅供參考而已)
轉載音響技術第68期AUG. 1981 半客戶設計IC簡介/金武吉
蘇桑註:工研院電子工業研究所歷史沿革參考:
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1405122005195
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