作者：李松法
出版社：航空工业出版社
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电子元器件应用技术试读：
前言
电子元器件是构成电子设备、系统的基本元素。为了保证电子设备、系统的设计能顺利地以可接受的经济成本和生产周期投入生产，质量和可靠性满足工程任务和市场的需求，在设计和制造中，必须充分考虑电子元器件的正确选择和合理使用，这是考虑电子设备、系统设计的可制造性时首先需要解决的问题。不然，“基础不牢，地动山摇”，电子设备、系统设计的可制造性会遇到问题，在组织生产时会出现元器件供应困难、制造周期延长、生产成本难以控制等问题，甚至影响到设备、系统的技术性能和可靠性质量，贻误工程、系统的全局。
本书面向电子设备、系统的研制、生产部门的单位和相关专业技术人员，较系统地阐述了在研制和生产电子设备、系统时应考虑的有关电子元器件的各种因素和它们相互之间的关系，帮助整机系统单位的专业技术人员提高电子设备、产品设计的可制造性，在可靠性和寿命周期成本之间求得最佳的权衡，并能达到规定的性能和质量要求。本书适用于航天、航空、兵器、船舶、电子部门及其他各类军民两用电子产品的设计。
本书主要从实际应用的角度对各类电子元器件的特性和特点作了简明的介绍，其中包括真空电子器件、微电子器件、光电子器件、MEMS器件、微特电机和特种元器件(化学物理电源、声表面波/声体波器件、磁性元器件、敏感元件和传感器、电缆光缆、微波元件、电连接器、继电器和开关等)以及电阻电容等，内容几乎涵盖了当前电子设备所使用的全部电子元器件。本书反映了当前各类元器件国内外先进产品的水平，概要讨论了如何正确管理、选择、使用元器件，以及在使用过程中可能出现的问题。
本书在中国电子科技集团公司科技委的指导下，由中国电子科技集团公司基础部组织集团内外有关研究所、工厂和公司的四十余位领导、专家、工程技术人员共同完成编写工作；并在本书编写过程中，得到航空工业出版社有关专家的指导和帮助。
谨借本书出版之际，祝愿国产电子元器件在各类整机、系统的建设发展中发挥越来越重要的作用，取得越来越好的应用效果；并向所有关心、支持我国电子元器件发展的领导、专家和管理人员致以衷心的感谢。
2007年12月
第一章 引言
电子元器件是构成电子设备、系统的基本元素。电子设备、系统的功能和性能是由大量的电子元器件的有机集成来实现的，电子设备、系统的可靠性和可维修性与电子元器件的性能和质量的关系是密不可分的。同时，电子设备、系统还必须满足用户的另一个要求，要尽可能地降低从研制、生产、使用、维修直到寿命终了的寿命周期成本，必须在经济上是可承受的。
这里，先简要地介绍一下寿命周期成本(LCC)的概念是有益的。图1—1表示了可靠性和成本之间的关系。让我们来看一下图中的曲线。可靠性用平均故障间隔时间(MTBF)表示。随着系统可靠性的提高(所有其它因素均保持不变)，由于故障率的降低，其运行维护成本将降低。但另一方面，为了获得较高的可靠性，采购成本(包括了研制和生产成本)也一定会提高。在曲线的某一点，用于提高可靠性所花费的费用恰好与由此而节省的运行维护费用相等。这一点代表了最低总成本及其相应的可靠性。可靠性和成本之间的权衡十分重要。维修性和成本之间的权衡同样也是十分重要的。
对设计师而言，在设计电子设备时如何满足功能、性能、可靠性、安全性和可维修性等设计参数的要求无疑是十分重要的，但是产品的可制造性或可生产性问题也是十分重要的，这个问题必须象对待设计参数那样给以同样的关注，投入同样的精力。一个电子设备(或系统)，无论它多么先进，只有当它能够以一种经济的方式容易地制造或生产出来，才有实用价值，才能满足降低寿命周期成本的要求。为此，设计师应该尽可能地采用成熟技术，而不要轻易采用那些虽然先进但尚未成熟的技术。
从事可制造性设计的工程师的职责是：他必须力求找到产品的可靠性超过其最低要求的那一点，在这一点上寿命周期成本(LCC)达到最低，对不同可靠性级别的电子设备，都要这么做。可制造性需要做的工作应当在研制过程中完成，但是所做的可制造性工作是否成功只有通过元器件、模块、功能成效等一系列的质量保证试验以及随后的系统评估才能得到结论。这是一个逐步的评价过程。可能会发现某一点在性能上受到限制，这种情况下必然要反复，需要补充设计或者重新设计，然后重新对成本、维修和可靠性进行试验和评价。
电子设备可制造性工程师的工作目标是：和设计师一起在不影响产品性能、可靠性及维修性的前提下为设计产品的生产确定最实用、最经济的原材料和制造方法。在电子元器件方面，不应一味地追求采用最高等级性能和质量的电子元器件。可制造性工程师必须了解各种元器件的技术特点，知道如何正确选择元器件；必须了解元器件的制造工艺，知道哪些元器件制造工艺是先进的，能够使设计产品具有更好的成本—效率；也必须了解元器件的使用方法，知道如何正确使用元器件。《电子元器件应用技术》作为《产品设计可制造性丛书》的一个分册，目的就是为电子设备、系统的设计师和可制造性工程师提供这方面的知识，使他们能在满足整个系统和寿命周期要求的基础上，设计并制造出最佳的电子设备。
本分册主要讲述在电子设备、系统的设计中涉及到电子元器件时需要考虑的方方面面。第二章“电子元器件的选择与管理”对17大类电子元器件的特性作了介绍，其中包括微电子器件、光电子器件、真空电子器件、微特电机和特种元器件(物理化学电源、声表面波器件、磁性元器件、敏感元件和传感器、线缆和电连接器、继电器和开关等)，内容几乎涵盖了当前电子设备所使用的全部电子元器件种类。同时也讨论了如何正确管理、选择、使用元器件，以及在使用过程中可能出现的问题。第三章“典型元器件的设计与制造方法”重点介绍了集成电路的设计和制造方法，因为集成电路是电子设备、系统中用量最大，规格品种最多的元器件，也是技术发展最快的元器件。编者试图以集成电路为例，为从事整机和系统研究、生产的专家、工程师提供一些元器件设计、制造方面的基本知识。第四章“环境防护与可靠性保障措施”讨论了电子设备、系统工作环境和可靠性防护问题，目的是为电子元器件的正常工作提供良好的环境保障。第五章“电子设备的装配和封装”强调，电子设备的装配和封装技术要适应电子元器件的要求。第六章讨论了如何使电子设备在生产和使用期间可靠性的降低达到最小化，给出了通用的设计准则。第七章对元器件，特别是半导体器件和集成电路的测试方法和仪器的规范使用进行了讨论。书中介绍了各类电子元器件设计、测试和试验所采用的国家标准和相应的国外标准的编号，供电子设备、系统设计师查询时参考。电子设备、系统设计师对这些标准的了解将有助于更好地选择和使用电子元器件。
第二章 电子元器件的选择与管理
可以利用各种配套的电子元器件来构建现代军用电子设备与系统。电子元器件组成积木式的部件，进而组成电子设备和系统。因此，这些元器件对电子系统硬件的性能和可靠性有很大影响。由于最终产品的可靠性取决于这些积木式的部件，因此不能过分强调选择使用最有效的元器件的重要性。
为了确保复杂电子设备、系统设计方案的成功实现，一般来说，电子元器件的选择、确定和管理是一项非常重要的工程任务。电子元器件的选择和管理是综合性很强的工作，需要元器件工程师、故障分析员、可靠性工程师以及设计工程师的共同努力。在研制过程中必须编制、审核并执行大量的管理规定、工作指南和技术要求。为了保证这项工作任务得到充分的考虑，需要制订相关的基本规则和工作程序。表2—1是一份简化的清单，列出了一些基本规则和工作程序。下面各章节对表2—1所列的一般规则提供了详细的知识、数据以及明确的指南，也包括了各类电子元器件选择的数据、指南、管理和筛选。
2.1 电子元器件管理
电子元器件管理工作范围很广，包含了元器件选择、采购和应用的全部工作内容。这项工作主要围绕着元器件的标准化、鉴定、批准和规范等任务，目的是使元器件满足研制项目设计的性能、可靠性及其它要求。本节对这些管理任务提出了进一步的要求，指出了它们在元器件选择过程中的重要性，并提供了适当的设计指南。在我国，负责军用电子元器件标准化的机构是中国军用电子元器件质量认证委员会，按照认证程序规则的规定对军用电子元器件制造厂生产线进行认证，对产品或材料和工艺进行鉴定，将鉴定合格的产品列入合格产品目录(QPL)、将鉴定合格的工艺/材料及相关产品列入合格制造厂目录(QML)，并对其合格资格进行监督。在美国，任何军用电子设备的电子元器件都应经军用元器件咨询小组(Military Parts Control Advisory Group)的认定，该小组隶属于国防电子供应中心(DESC)的工程标准化管理局，其任务是促进元器件选择和应用的标准化水平。
2.1.1 元器件选择
在新设备的设计和研究方案中采用标准元器件，除了使后勤支持比较简便以外，在得到较好设备性能的同时，还可以节约大量的时间和精力。因此，元器件选择的一般规则是：在可能的情况下，应尽可能选择使用标准元器件。
所谓标准元器件的定义是：凭借其系统的试验计划以及在设备中成功应用的历史，已经证明在特定的电子、机械和环境的极限条件内具有稳定地发挥功能的能力，从而进入军品详细规范目录的元器件。我国军用电子元器件标准的编号由国家军用标准代号”GJB”、标准发布顺序号和发布年号组成。在美国，对于几乎每一个已知的电子元器件型号，都制订了详细描述该元器件的材料、规格及工作特性的军品详细规范(MIL—SPEC’S)，或者正在制订之中。
军用标准除军品详细规范外还包括了军用元器件采用的试验方法，表2—2给出了电子元器件试验方法的部分标准。此外，军用标准还包括军方指定的推荐使用元器件的清单，部分清单如表2—3所示。
与元器件标准化相对应，非标准元器件需要通过规定的程序得到正式批准才能用于军用系统中。在我国，非标准元器件必须通过设计定型鉴定或技术鉴定，并为产品制定企业军标或企业标准后才能获得使用的批准。在美国，必须按照MIL—STD—965文件的规定完成文件编写和安全认证等工作。MIL—STD—965文件描述了元器件管理计划的作用，并为非标准元器件的认可与否规定了必要的程序。
非标准元器件的鉴定应该包括正式提交的详细数据，作为认可申请的支持。这些数据必须包括：
(1)统计的试验数据；
(2)与标准元器件类似的元器件的分析数据；
(3)统计数据和分析数据的综合(注意：那些鉴定时需要统计试验数据的元器件应该被认为是关键元器件)。
选择过程应该包括设计评审、可靠性历史的评价、结构分析、故障的模式及其影响的分析，以及成本效率的研究。管理工作应该包括制订有针对性的采购规范，完成后的采购规范要反映出设计要求、质量保证、可靠性要求以及供应商能力之间的平衡，可靠性要求与设计分配的指标要一致。如果需要的话，规范还应该包括分组验收试验的方法、质量保证规定(包括进厂检验)和合格检验。
2.1.2 技术规范的规定
一个完善的元器件管理计划应当包含以下内容：认真编制的规范(对非标准元器件而言)，建立供应商的的管理计划，对供应商的生产过程进行监督审查，在适当的地点建立元器件的检测点，编制相关的文件。元器件管理工作还包括对符合以下条件的所有关键元器件、设备或组件、以及其它关键项目进行认定：
(1)对任务和安全性敏感(如故障会影响任务的完成和飞行安全，那么飞行安全是关键)；
(2)对可靠性敏感(根据早期可靠性的研究和分配)；
(3)寿命有限；
(4)成本高；
(5)交货周期长；
(6)需要正式的统计鉴定试验；
(7)不能从货架直接购买而需要订制或筛选；
(8)可维修性差。
关键产品的管理计划必须包括运输装卸等特殊过程的管理、对关键元器件在供应商工厂进行交验时所检测的特性要进行复测、材料的复验程序、可追溯性的标准和关键产品的定期检查。所有涉及飞行安全的关键产品都必须打上标识。必须制订详细的文件来说明工作程序、试验方法、试验结果的分析、以及为降低产品风险程度所做的努力。相对于降低从设计到单件生产的成本(DTUPC)问题，技术规范、标准化和寿命周期成本等问题应当优先加以考虑。
2.2 元器件选择指南
本节对集成电路等17大类电子元器件的特性作了介绍，同时也讨论了如何正确选择、使用元器件以及在使用过程中可能出现的问题。
2.2.1 集成电路
集成电路广泛使用于各类电子设备、系统中，在所有电子元器件中，集成电路是品种门类最多、应用面最广、使用量最大的一类器件。集成电路经过五十年快速持续的发展，已经进入到系统集成的阶段，它对改变人类社会的生活方式，包括现代战争的模式起着十分重要的作用。本节按其功能和结构分为数字集成电路、模拟集成电路和混合集成电路三大类，就它们的技术特点和选择、使用的注意事项分别给予简明的描述。
集成电路种类繁多，质量等级多，更新速度快，在选用时要考虑的主要因素有：(a)工作电压是否合适，集成电路的工作电压范围宽，有±12V、±9V、5V、3.3V、1.8V等，需根据实际的应用情况综合选定工作电压；(b)速度是否满足要求，不论模拟集成电路还是数字集成电路，速度指标是主要指标，对于数字集成电路来说，主要是工作频率、主时钟频率等，对于模拟电路，速度指标有转换速度等；(c)封装形式，集成电路的封装形式很多，如双列直插(DIP)、四边引线扁平封装(QFP)、插针阵列(PGA)、球状栅格阵列封装(BGA)、无引线芯片载体(LCC)等，通常一种集成电路有多种封装形式，应根据具体的使用情况，综合选定合适的封装形式；(d)可靠性质量等级，集成电路的质量等级有宇航级、B级、B1级等，不同质量等级的产品的价格相差很大，在选用时，应根据具体的应用环境、工作温度范围等综合选定合适质量等级的产品；(e)电路的功能与规模，集成电路的同一类产品通常有不同系列，每一系列又有不同的品种，如数字信号处理器(DSP)有16位的也有32位的，有定点的也有浮点的，有存储器外挂的也有内嵌的；现场可编程逻辑阵列(FPGA)有几千门到上千万门之分。在选用集成电路产品时应根据具体的需要，选择合适的产品，不是越复杂越高级越好，应该是越适合越好。
半导体集成电路的研制和生产是依据国家标准《半导体器件分立器件和集成电路总规范》(GB 4589.1—1989，IEC 747—10，IECQ QC 700000)和《半导体集成电路分规范(不包括混合电路)》(GB/T 12750—1991)实施的。《半导体器件分立器件和集成电路总规范》是构成国际电工委员会电子元器件质量评定体系(IECQ)的一部分，规定了在IECQ体系内采用的质量评定的总程序，并给出下述方面的总原则：(a)电特性的测试方法；(b)环境、气候的机械试验；(c)耐久性试验。
军用半导体集成电路的研制和生产是依据国家军用标准《半导体集成电路总规范》(GJB548A—96)，该规范规定了半导体集成电路生产和交付的一般要求，以及器件必须满足的质量和可靠性保证要求。该规范为器件规定了B1、B和S共三个产品质量保证等级。引用文件包括如表2—4所示。
使用注意事项：
(1)在包装、运输、存储和使用过程中，应避免高压静电及静电场施加在器件的任何引脚上，应采取静电防护措施，如采用防静电材料包装、使用时器件接地等。
(2)严格按照推荐工作条件使用，使用中，超过极限额定值时(如电源电压、环境温度、输出电流等)，会引起器件的永久性损坏。
(3)避免高温，特别是大功率器件，在使用时应采用辅助措施(如散热胶、散热片、风扇等)进行散热。
(4)在包装、运输、存储和使用过程中，应注意防潮、防碰撞、防腐蚀。
2.2.1.1 数字集成电路
数字集成电路是指在输入端和输出端用数字信号工作的集成电路。通常指基于布尔代数(又称开关代数或逻辑代数)理论，采用二进制计数进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。数字集成电路的输入、输出满足一定的逻辑关系，而基本的逻辑关系是“与”、“或”、“非”。通常数字集成电路由各种门电路、记忆元件、触发器电路组成，将它们组合后，原则上可以构成各种类型的数字集成电路，如计数器、存储器、移位寄存器等。
数字集成电路按功能可分为处理器(微处理器CPU、数字信号处理器DSP及微控制器MCU)、存储器、专用集成电路ASIC(含可编程逻辑器件PLD)和系统集成芯片SoC等四大类。数字集成电路的主要分类如表2—5示。
根据这一分类，表2—6列出了国内数字集成电路的主要研制生产单位。
(1)处理器
处理器包括CPU和DSP等。中央处理器CPU一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元组成。在逻辑运算和控制单元中包括一些寄存器，这些寄存器用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存，简单的讲是由控制器和运算器二部分集成在同一芯片内，合称“中央处理器(CPU)。早期的计算机以控制器、运算器为机器的中心，缺点是快速中央处理在等待慢速的外围设备、控制器的负担过重。现在计算机改成以主存储器为中心，其特点是系统的输入/输出与CPU的运算并行，多种输入和输出并行。
1971年，英特尔公司推出的第一款微处理器4004，它采用10微米的PMOS工艺，总线位数为4位，工作电压为12V，集成2300个元件，时钟频率为0.108MHz ，为计算机的智能嵌入开创了技术途径；经过6微米、3微米、1.5微米、1.0微米、0.8微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米等多个阶段的演变与改进，不断推出8008，8080，8086，8088，286，386，486，Pentium Pro，Pentium Ⅱ，Pentium Ⅲ等新型微处理器产品。2000年推出的Pentium Ⅲ采用0.18微米工艺，集成4200万元件，总线位数为64位，时钟频率达1.5 GHz。
单内核处理器技术的发展遇到了瓶颈，而多内核技术则可以提升处理器的整体性能。2005年5月，英特尔推出带有两个处理内核的奔腾处理器。2006年5月，英特尔酷睿2双核处理器品牌隆重推出，2006年7月，英特尔发布了十款全新英特尔酷睿2双核处理器和英特尔酷睿至尊处理器。英特尔酷睿2双核处理器家族，包括五款专门针对企业、家庭、工作站和玩家(如高端游戏玩家)而定制的台式机处理器，以及五款专门针对移动生活而定制的处理器，其能效比最出色的英特尔奔腾处理器高出40%。英特尔酷睿2双核处理器包含2.91亿个晶体管。2006年11月14日，英特尔先于AMD发布了酷睿2四核处理器，称性能较双核提高了80%。2006年11月17日，AMD对外发布了四核处理器架构，声称总体功耗较英特尔处理器低80%。AMD计划四核处理器于2007年第二季度上市。AMD新的四核处理器名为巴塞罗那(Barcelona)，延续了双核处理器的架构，采用DDR2处理器，直连架构在处理器中集成了内存控制器，处理器中每一个核都有自己独立的传输通道。
毫无疑问，处理器技术还在迅速发展中。今后将会有十内核、百内核甚至是千内核的处理器问世。到2016年，处理器将采用11纳米生产工艺，处理器单个芯片上的晶体管数量将达到1280亿个；预计到2018年，处理器将采用8纳米生产工艺，单个芯片上的晶体管的数量将达到2560亿个。
数字信号处理器(DSP)是一种具有特殊结构的微处理器，不同型号的DSP被设计成用来专门处理复杂图形、图像、视频和音频数字化信息。主要应用于通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等领域。与标准的逻辑器件相比其主要优点为：接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、重复性好、集成方便等。
1978年美国微系统公司(American Microsystem Inc.)公司将数字信号处理技术集成电路化，研制出了具有里程碑意义的研发成果——S2811，标志着DSP的诞生。迄今已经有29年的历史。经过20多年的发展，DSP产品的应用已深入到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。
表2—7介绍了几种数字信号处理器(DSP)典型产品的技术水平。
(2)存储器
半导体存储器是集成电路的主要产品门类之一。它在世界IC市场中占有约30%的份额，其发展带动着整个IC产业的发展。存储器作为各类电子计算机、数据图像等信息处理系统、数字化控制系统、智能电子仪表中的重要记忆元件而得到广泛应用并飞速发展。
半导体集成电路存储器从功能上分为两大类，一类为只读存储器ROM(Read Only Memory)；一类为随机存取存储器RAM(Random Access Memory)，简称随机存储器。
从使用角度看，半导体存储器也可以分成两大类：断电后数据会丢失的易失性存储器和断电后数据不会丢失的非易失性存储器。其中易失型存储器又分为动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)两种。非易失型存储器则分为掩膜ROM、EPROM、EEPROM以及快闪存储器(FLASH memory)。
其他类型还包括抗辐照存储器SRAM、同步动态随机存储器SDRAM、FIFO存储器以及铁电存储器(FRAM)等新型存储器。
FIFO的全称是First In First Out，意思就是先进先出，FIFO芯片是一种具有存储功能的高速逻辑芯片，在高速数字系统中经常用作数据缓存，尤其在多CPU通信中获得广泛应用。作为一种新型大规模集成电路，FIFO芯片以其灵活、方便、高效的特性，逐渐在高速数据采集、高速数据处理、高速数据传输以及多机处理系统中得到越来越广泛的应用。
SDRAM(Synchronous DRAM)即同步动态内存，为双存储体结构，内含两个交错的存储阵列，当CPU从一个存储阵列访问数据的同时，另一个阵列已准备好读写数据。通过两个存储阵列的紧密切换，读取数据效率得到成倍提高。
铁电存储器(FRAM)是Ramtron公司近年推出的一款掉电非易失性存储器，它的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料的运用使铁电存储器可以同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失存储器的综合特性。与EEPROM相比，FRAM可以总线速度写入数据，且在写入后不需要任何延时等待。而EEPROM的慢速和大电流写入使其需要用高出FRAM2500倍的能量去写入每个字节。同时FRAM有近乎无限次的写入寿命，而且价格比相同容量的不挥发锂电SRAM低很多，因此，FRAM特别适合那些对数据采集、写入时间要求很高的场合。自FRAM问世以来，已凭借其各种优点被广泛应用于测量和医疗仪表、航空航天、门禁系统和汽车黑匣子等系统之中。
PROM器件从物理结构上主要分为两类：一类是双极型结构，另一类是MOS型结构。一般双极型的PROM器件只能一次可编程，其中又分为熔丝可编程和结破坏可编程两种。MOS型结构的PROM器件是可重复擦除和可重复编程的，其中又分为紫外线可擦除和电可擦除两种。
可编程式程序存储器EPROM广泛应用于各类微机产品中，是必不可少的器件，在EPROM中保存的内容除非在强紫外线照射下，绝不会丢失，增强了产品的可靠性。
EEPROM是一种具有掉电记忆功能的存贮器。它的特点就是在掉电之后还能保持住其原有的内容。其内容也可以象使用动态存贮器RAM一样进行改写，而其原内容不需擦除，因为在改写时它能够自动擦除并换成新内容，不象EPROM需要紫外线擦除，因此使用起来十分方便。
FLASH MEMORY(快速擦写存储器)是近年来发展最快的一种存储器芯片，它的主要特点是在不加电情况下能长期保持信息，同时又能在在线进行擦除与重写，标准擦写次数可达到十万次。成本比普通EEPROM低得多，因而可大量替代电池RAM和普通EEPROM。对于需要周期性修改被存储代码和数据的场合，FLASH MEMORY是理想的器件，它适宜作为一种高密度非易失的数据采集和存储器件。FLASH MEMORY已广泛应用于：数据采集子系统、便携式计算机、工业控制系统和单片机系统、固化操作系统等领域。近年来，FLASH MEMORY还被推荐大量应用在航空计算机中。
由于嵌入式存储器可以极大地提高芯片的性能，因此在各种SOC和高性能的处理器中获得广泛应用，甚至成为不可或缺的一部分。AD公司在上世纪90年代中期推出的ADSP2106X系列芯片中就嵌入了两块2Mbit的4管单元SRAM存储器，使得在超哈佛结构下，可以在一个时钟周期内同时存取两个数据。由于存储器包含很多存储单元，因此在设计中需要综合考虑很多因素，如功耗和速度的折衷，时序匹配、灵敏放大器设计、冗余等，所以设计处理器的公司一般只购买适合于自己的存储器IP包而不去自己设计。各种语音处理，图像处理，移动通讯、车载系统和航空航天的专用芯片上需要嵌入大容量的SRAM/DRAM，具有广阔的市场前景。
(3)专用集成电路
面向特定应用的集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)称为专用集成电路，是指除通用的微电子系统—存储器系统和微处理器系统、74系列通用集成电路等以外，其它的集成电路或系统，它是从20世纪80年代发展起来的。
ASIC按用途分，可分为标准专用集成电路和定制专用集成电路。标准专用集成电路是专门为某一特定用途而设计的集成电路，如彩色电视机电路、钟表电路、电话机电路等。在VLSI领域，信号处理方面的专用集成电路非常多。例如，电话线的编码—译码器，它包含模拟信号处理、A/D和D/A转换功能。标准专用集成电路有较大的批量。如电话机电路的年需求量可达一千万块。定制专用集成电路是专门为某一顾客设计的，其特点是品种多而批量小。现在有一种习惯，即将标准专用集成电路归类到通用集成电路，而将定制专用集成电路称为ASIC。
ASIC按制造方法区分，可分为全定制(Full Custom)、半定制(Semi—Custom)和可编程器件三类。全定制ASIC芯片的各层掩模都是按照特定电路功能专门制造的。门阵列半定制ASIC的单元电路是用预制的门阵列作成的，只有芯片上的接触孔、互连线、通孔是按照电路的功能专门设计制造的。可编程器件(包括FPGA、EPLD等)不需要制作任何掩模，用户可以用开发工具按照自己的设计对可编程器件进行编程，以实现特定的功能。
ASIC按照设计方法分，也可分为全定制设计方法、半定制设计方法(门阵列、标准单元和可编程器件)等。
全定制设计方法，主要是基于晶体管级的芯片设计，芯片中的全部器件及互连线的版图都是按照系统要求进行人工设计的，尽量达到密度高、速度快、面积小和功耗低的要求，因此批量生产时经济性好，但是设计开发时间长，设计费用高。只有对于大量生产的通用IC或对性能有特殊要求的电路才适合采用全定制方法。但是随着硅编译技术的发展和设计自动化程度的不断提高，EDA工具提供了大量的精心设计好的标准化单元，使得全定制设计方法得到越来越广泛的应用。CMOS模拟集成电路的设计，目前基本上也属于全定制方式。
半定制设计方法的特点是以预先设计及验证单元为基础，将它们排列连接成阵列，实现所需要的功能。这种以单元为基础的设计技术主要有：(a)门阵列；(b)标准单元；(c)可编程逻辑器件。半定制主要适合于开发周期短，低开发成本、投资、风险小的小批量数字电路设计。
基于门阵列的设计方法是在预先制定的具有晶体管阵列的基片或母片上通过掩膜互连的方法完成专用集成电路设计。门阵列芯片上通常具有固定的晶体管阵列，固定的输入/输出(I/O)压焊块位置，固定的连线通道宽度及位置。只需要设计连接图形(单层或多层布线)即可实现所需要的功能。门阵列有预先设计与验证过的单元存于单元库。标准单元采用预先设计和验证的单元，互相排列及互连成为所需要的功能，每个单元的版图均有相同的高度，但宽度不同。布线通道的宽度可以变化。
用门阵列设计的ASIC中，只有上面几层用作晶体管互连的金属层由设计人员用全定制掩膜方法确定，这类门阵列称为掩膜式门阵列MGA(masked gate array)。门阵列中的逻辑单元称为宏单元，其中每个逻辑单元的基本单元版图相同，只有单元内以及单元之间的互连是定制的。客户设计人员可以从门阵列单元库中选择预先设计和预定特性逻辑单元或宏单元，进行定制的互连设计。门阵列主要适合于开发周期短，低开发成本的小批量数字电路设计。
可编程集成电路主要是指PLD和FPGA，由于用户可以反复地编程、擦除、使用，并且在外围电路不动的情况下可灵活实现不同的功能，所以，不论在整机的研制阶段，还是在生产阶段，PLD/FPGA被大量使用，以保持整机系统的及时性、先进性。
PLD依架构及密度分成两类，即密度较低的SPLD(Simple Programmable Logic Device；简称SPLD)与密度较高的CPLD(Complex Programmable Logic Device；简称CPLD)。SPLD方面目前产品以GAL(Generic Array Logic)为主，采用CMOS的设计技术、EEPROM的工艺制程。CPLD较SPLD具有较高的密度，管脚数较多，采用CMOS设计技术，制程采用EPROM、EEPROM、Flash等方式，具备系统频率高、非挥发性的特点；其特性具有能多次烧录及具有固定的延迟。
FPGA(Field Programmable Gate Array)采用不同于PLD架构之设计方式，拥有较高的密度，但是管脚数多，容量高，功耗低等优点，然而其布线(Routing)复杂，易导致时序延迟，且呈非固定式，延迟时间(time delay)较长。FPGA的架构主要有SRAM Base及Anti—fuse两种设计模式，其中SRAM Base特点是可重复烧录(reprogrammable)、低功耗、可进行在线重构；Anti—fuse由于具有一次烧录(OTP)的特性，可提供较好的保密性，但也因此无法进行重复修改。“编程”技术是指用以生成FPD用户可编程转换的物理技术。其最常用的技术有熔丝型连接、反熔丝型、EPROM晶体管、EEPROM晶体管或SRAM单元型。熔丝型连接器件与家用电器的保险丝相类似，加大电流会直接改变其电性能；反熔丝连接是在两层金属之间有一条非晶硅通道。在未编程状态时，非晶硅是绝缘体，其阻值大于1GΩ，但用户可以对该器件的输入加大电流(约20mA)信号，以对反熔丝连接进行编程。这种编程电流信号，使绝缘的非晶硅变成导电的多晶硅。熔丝和反熔丝技术都是人们所熟知的一次性可编程(OTP)技术，因为一旦对其完成了编程，就无法恢复原状态，也不能再改变。
与半定制门阵相比，由于FPGA是标准产品，具有许多优点：(a)不需要初始投资；(b)不需要提前制造；(c)无库存风险；(d)不需要测试矢量，因为FPGA在出厂时已经全面测试过了；(e)模拟工作费时较少；(f)设计周期缩短；(g)开发风险小。所以FPGA可以在任何数字系统中应用，如计算机和数据处理系统、通信设备、雷达、声纳、医疗电子设备、测试仪器等。随着国防科技的发展，军用电子设备的更新换代较快，对高可靠性、高水平FPGA的需量逐年增加。
目前PLD/FPGA供货商全部来自美国公司，主要是Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel等，其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。唯一提供军品级CPLD器件的Lattice公司，其ispLSI1000d等系列产品在军品CPLD市场上占有极高的份额。ACTEL公司一直是世界反熔丝技术FPGA的领先供应商，是军品级和宇航级器件的主要供应商。
(4)系统集成芯片
随着半导体集成电路技术的发展，IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单个硅芯片。SoC(片上系统)正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的。从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上；从广义角度讲，SoC就是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。SOC的出现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功能将可以集成到一块芯片中。在不久的将来，集成电路与电子整机之间的界限将被彻底打破。SoC就是将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上。它通常是客户定制的(CSIC)，或是面向特定用途的标准产品(ASSP)。SoC是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有很多优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，有利于板卡的性能改善(由于片内连线缩短)，降低风冷要求，减少系统开发商成本，尤其适合数字化产品开发，如手持设备、信息家电等。
2.2.1.2 模拟集成电路
处理模拟量的集成电路称为模拟集成电路。即主要对电流或电压进行放大、转换、调制、传输、运算等的集成电路。
模拟集成电路按处理信号的方式分，分为线性集成电路和非线性集成电路两大类。线性集成电路或称线性放大器的输出与输入信号之间的响应通常呈线性关系，或着说输出的电波形和输入的电波形在形式上是相似的，只是放大了许多倍。非线性集成电路的输出信号对输入信号的响应呈现非线性关系。它出现于线性放大器之后，如振荡器、定时器、四象限模拟乘法器、压控振荡器、锁相环电路等。
单片集成电路中如果既包含模拟集成电路，又含有数字集成电路则称为模数混合集成电路。现实生活中，信号几乎都是随时间连续变化的模拟量，而为了加快信息传送与处理的速度，信息的传送和处理都是以数字的形式进行的。为了将模拟量进行测量、控制及以其它形式的信号处理，以形成一个实用的电子系统，模拟数字混合集成电路是必不可少的。它的作用是将模拟量转化成数字量并与数字处理器接口，或者将数字信号处理之后的数字量转化成模拟量。最早的模数混合集成电路有D/A转换器和A/D转换器两种。随着半导体技术的不断发展，现在越来越多的集成电路中既含有数字电路，也含有模拟电路，所以模数混合集成电路是半导体集成电路发展的一个重要方向。A/D，D/A转换电路被认为是最重要的模拟集成电路。
常用的模拟集成电路包括线性集成电路、非线性集成电路、电源及电源管理电路三大类，如表2—9所示
(1)线性集成电路
线性集成电路是以放大器为基础的一种集成电路。用线性一词表示放大器对输入信号的响应通常呈现线性关系。在特定的输入范围里，线性IC的放大曲线是一条直线；输入和输出电压是成正比的。线性模拟集成电路的典型产品有运算放大器、直流放大器、低频放大器、中频放大器、高频放大器以及功率放大器等等，其中又以运算放大器的品种最多、产量最大。
(2)非线性集成电路
非线性模拟集成电路的主要品种有模拟/数字(A/D)转换器、 数字/模拟(D/A)转换器、模拟开关、电压比较器、乘法器、锁相环、频率转换器等等。
主要介绍A/D、D/A转换器。A/D、D/A转换器的主要应用领域有通信、电子战、传感器、图像处理、导航、智能武器、控制系统、显示系统、医疗系统等。在C4I、导航、雷达、通信等应用中已迫切需要开发16～20位、20M～1G的A/D转换器，高位宽带A/D转换器(0.5～20GSPS)被列为美军专用电子器件2000～2020年技术发展的重点项目。
A/D转换器的早期历史可以追溯到上世纪70年代。当时MOS工艺的精度还不够高，模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用MOS工艺，采用MCM的形式。目前已呈现CMOS、BiCMOS、SiGe BiCMOS、Ⅲ—V族化合物半导体等不同工艺的高性能A/D转换器并存的局面。A/D转换器发展是高速、高精度、低功耗。2003年，12位A/D转换器产品只有AD公司的AD9433，其采样率为125MSPS，工作带宽为750MHz，功耗为1.25W；2004年已有5家厂商可提供8～14位、125MSPS～1GSPS的A/D转换器产品。目前低功耗A/D转换器的代表产品是Infineon公司的功耗仅为10mW的6位A/D转换器，其速度最高达到600MSPS。表2—10、表2—11给出了目前A/D转换器的最高水平及技术。
国外生产A/D，D/A电路比较有名的大公司主要有美国ADI公司，德州仪器(TI)公司，美信(MAXIM)公司，国家半导体(NS)公司，凌特公司(LTC)和TelASIC公司等，它们各具特色，都有批量供应高性能产品的能力。美国的ADI公司是一家专门从事高性能模拟器件、混合信号和数字信号处理集成电路的半导体公司，表2—12给出了ADI公司A/D转换器工艺及采样率的关系。
虽然BiCMOS、CMOS和XFCB工艺都有高采样率的产品，但从产品的生产考虑，XFCB工艺成本更高；CMOS工艺是当今模拟/混合信号集成电路的典型工艺，但由于BiCMOS工艺更是兼顾了高速和低功耗的特点，因此更适合于高速A/D转换器的加工。AD公司每一种精度的高速A/D几乎都采用0.35微米BiCMOS工艺制作，表2—13列出了AD公司代表产品工艺及特性的对应情况。
国内A/D，D/A电路的主要供应单位有中电科技集团公司第24研究所等。
(3)电源及电源管理集成电路
电源及电源管理集成电路是功耗较大的模拟集成电路，分别属于上面所述的线性模拟集成电路或非线性模拟电路。其中包括电源的控制电路、检测电路、基准源、稳压器和各种低压小电流的变换电路等。
DC/DC变换器是一种重要电源，它将输入的直流电压变换成系统所需要的直流电压，满足各子系统所需的供电电压及功率的需要。通用性强，适用范围宽，可广泛应用于航天、航空及地面电子设备中。该类系列产品的性能水平将直接影响到相应武器装备的作战性能及可靠性。
几乎所有电子设备、系统都要用到电源系统。可根据用户系统的不同而选择不同的电源方式。总的来说，低噪声、低纹波、高效率和大驱动等特点是电源芯片的发展趋势。随着芯片制造特征尺寸的不断减小，芯片工作电压也在不断减小，从5V逐步变化到3.3V，2.5V甚至更小。一般来说，系统供电电压并不满足芯片工作电压的要求，需要应用电源芯片提供满足系统的电源电压。当系统需要高于供电电压的电源时，比如在电池供电设备中，驱动液晶显示的背光电源，需要对系统电源进行升压。当在噪声，纹波等方面需要高性能的电源时，需要对系统电源进行稳压、滤波等处理。上述不同的电源方式，可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件简单实现。
低压大电流超薄DC/DC变换器是一种微小型高效率电源。数字化系统大量采用CPU，FPGA和存储器等超大规模数字器件，为这些器件供电需要输出电压低，电流大，负载响应时间快的高效薄型的DC/DC变换器。
星用DC/DC变换器是一种应用于空间环境的电源，它不仅要求具有通用军用DC/DC转换器的质量等级和高可靠性，还要求具有抗空间环境辐照剂量和重粒子辐照的能力。
DC/DC电源是激光引信、激光陀螺、电子对抗、电子干扰、相控阵雷达等系统必不可少的关键组件，为了适应不同系统的应用需求，DC/DC电源技术沿着模块化、小型化和更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的方向发展。
目前，国外DC/DC变换器厂商以VICOR公司为代表，形成了标准化系列产品，具有高功率密度(最高40W/in3)，高效率(92%)的特点，如VI—2W*M、VI—JW*M系列产品。Interpoit公司中、小功率的SMSA、SMHF、SMTR和SMFL四个系列产品达到航天武器系统及卫星可靠性要求。
国内研制、生产DC/DC电路的主要单位有中电科技集团公司第43研究所，中电科技集团公司第24研究所等。
2.2.1.3 混合集成电路
混合集成电路是用薄膜或厚膜工艺在绝缘基片(陶瓷、石英或其他介质)上制作无源元件和互连线构成无源网络，然后焊上分立的半导体器件或集成电路或其他片式元件构成的集成电路。在混合集成电路中，电阻、电容采用高精度和温度性能良好的薄、厚膜工艺制成，有源器件采用经过电学测试并与电路匹配良好的芯片，从而使整个电路达到良好的状态。混合集成电路多用于制作高电压、大电流、大功率集成电路，微波混合集成电路及其子系统。
大部分混合集成电路是属于单片集成电路技术尚无法实现或批量需求不大的产品。它在多层基片结构(多层混合集成电路)方面发展很快，结构灵活，在实现较复杂的子系统上有独特的优点，目前已从表面安装技术(SMT)发展到多芯片组件(MCM)，被称为二次集成，是整机小型化和高密度组装的重要技术。
混合集成电路根据膜的特性可分为薄膜集成电路和厚膜混合集成电路。
(1)厚膜集成电路
如上所述，采用厚膜工艺制做的混合集成电路称为厚膜集成电路。厚膜工艺可以制作厚膜电阻、厚膜电容和厚膜绝缘层。它是采用丝网印刷和烧结等工艺，在玻璃或陶瓷基片上制做电阻、电容、无源网络，并在同一基片上组装分立的半导体器件芯片或单片集成电路或其它微型元件，然后进行封装，组成混合集成电路。厚膜集成电路的特点是工艺简单，成本低廉，而且设计灵活，特别适合于多品种、小批量产品。在电性能上，它能承受较高电压、较大电流和功率。因此厚膜电路得到了广泛的应用。
(2)薄膜混合集成电路
采用薄膜工艺制成的混合集成电路称为薄膜集成电路。通常厚度小于1μm的膜称为薄膜。它是采用真空蒸发或溅射技术在硅片、玻璃或陶瓷基片上制作薄膜电阻和薄膜电容，然后用铝膜金属化带线把它们与装在基片上的分立半导体器件或半导体集成电路芯片连接起来，最后进行封装。薄膜元件的优点是电阻、电容的数值范围大、精度高。缺点是工艺比较复杂，生产成本较高。因此仅用于要求较高的整机上。
由于混合集成电路以单片集成电路为基础，可以利用较低集成度的芯片，实现高集成的功能，而且采用混合集成技术把难以用单片集成完成的功能集成在一起，把小信号芯片和大功率芯片、数字电路和模拟电路等集成在一起。所以混合集成电路自20世纪60年代问世以
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