1 概述
拟态计算机集成电路（IC）是电子设备EMC 问题中的关键要素，它们既是干扰源又是被干扰的对象。尽管半导体器件不受欧洲EMC 指令或FCC 15等EMC 法规约束，但集成电路终端用户将电子设备级的EMC 限制延伸到芯片级，迫使集成电路研发人员在芯片设计之初就必须考虑电磁兼容问题。同时，随着集成电路的快速发展，MOS 器件尺寸的不断缩小，同一电路或封装内异构功能的集成度以及数据交换速率得到不断提高。这些技术进步使集成电路可靠性面临巨大挑战，也促进了集成电路电磁兼容技术的快速发展。40多年来，研究人员和工程师们致力于提高集成电路的电磁兼容性能，不断在测量方法、预测寿命和设计技术等领域展开研究[1]，旨在促进低辐射和高抗扰集成电路的发展。 本文是E.Sicard 根据自己在EMC Compo 2019 国际会议（中国海宁市）上的主题演讲整理成文的第一部分；第二部分是“提高集成电路电磁兼容性的研究方法”，将刊登在下一期的“新视角”栏目。
摘要
介绍了集成电路制造业发展的主要趋势，包括复杂度、工作频率、器件性能、供电电压以及器件之间数据交换等。总结了微米级到纳米级CMOS 工艺集成电路性能对应的工艺发展节点，讨论了技术演变对集成电路电磁兼容（EMC）的影响，并基于最近几年发表的一系列学术论文综述了集成电路电磁兼容的研究现状。 关键词 集成电路; 电磁兼容; 封装工艺；发展趋势Abstract
This paper presents the major trends in the development of the IC manufacturing industry, which include complexity, operating frequency, device performance, supply voltage, and data exchange between devices. The process development nodes corresponding to the performance of CMOS integrated circuits from micro to nano levels are summarized, the influence of technological evolution on the electromagnetic compatibility (EMC) of integrated circuits is discussed, and the current status of research on EMC of integrated circuits is reviewed through a series of academic papers published in recent years.
Keywords
超声波电子驱鼠器integrated circuit; electromagnetic compatibility; packaging technology; technological trends
集成电路技术发展对
糖蜜酒精
电磁兼容的影响
The Influence of Integrated Circuit Technology Development on
Electromagnetic Compatibility 法国国立应用科学学院1 法国国家科学研究中心系统分析与架构实验室2
国防科技大学3
艾·西加1 亚历山大·博耶1,2 吴建飞 *，3 郑亦菲3
E.Sicard (艾·西加) 法国图卢兹大学教授、IRIT 实验室副研究员、 LURCO 实验室研究总监，EMC Compo 国际研讨会创始人。研究领域主要为电气工程，包括纳米级CMOS 技术、集成电路设计自动化和用于语音的数字信号处理。1987年获得法国图卢兹大学的电子工程学博士学位，1988-1989年在日本大阪大学的博士后研究方向是集成电路电磁兼容；著作20余本，开发商业软件10个(Microwind，IC-EMC，Vocalab，Diadolab 等)，发表学术论文250余篇；1999年创办EMC Compo 国际研讨会()，该研讨会是集成电路电磁兼容领域的
重要会议。
本文简述了半导体市场的主要发展趋势，这些趋势推动了集成电路工艺制造业的不断创新，进一步设计出集成度更高、尺寸更小的MOS 器件及芯片，并讨论了该发展对集成电路电磁兼容性的影响。
2 电子领域的发展
过去40年中，整个电子市场的增长如图1所示。可见，直到1995年，电子设备占据了电子市场增长的主要份额。从2000年开始，消费类电子产品，如家用计算机、互联网相关设备和个人移动电话占据了主导地
位。1990~1997年的经济衰退并未严重影响电子行业，但2000年的“电信崩溃”也称为“ dot”衰退导致电子行业历史性下滑，市场萎缩了近12％。虽然DVD、平面屏幕、汽车设备和3G 手机在2002~2007年期间刺激了市场复苏，2008年的“次贷危机”又使电子经济放缓。在2010-2019年期间，随着4G 智能手机、物联网和4K 电视的可持续增长，总体市场在2016年达到1万亿美元；预计2019-2024年年均复合增长率（ACGR）约为6％，到2025年预计可达2万亿美元。
随着市场经济的发展，电子产品价格下降，城市人
图1 过去40年间电子市场增长趋势
口增加，互联网、宽带通信网络快速普及，预计物联网、5G 智能手机、4K~8K 分辨率电视机、人工智能、云计算、智能家居/城市、自动驾驶汽车、混合动力智能汽车和医疗（个人医疗）应用的可穿戴设备将大幅增长（如 图2）。此外，现有电力基础设施的升级、可再生能源（如光伏发电和风能）的开发、电池供电便携式设备对电力管理需求的日益增加，也推动了电力电子市场的高速 发展。
电子产品可分为多类别，如分立器件、传感器、系统模块和集成电路。集成电路是电子系统的基本组成部分，是电子市场的重要组成部分。2019年半导体行业市场为4 400亿美元，在2016-2018年期间平均增长 13％。预计到2024年将达到5 730亿美元。主要的IC 分为以下四大类：
● 微处理器和微控制器
：2018年市场规模为650亿
美元，增长 3.5％；
● 逻辑电路（例如可编程逻辑器件，专用集成电路）：
2018年的市场规模为1 080亿美元，增长 7％；● 内存（主要是
mcu解密NAND 闪存和DRAM）：2018年市
场规模为1 340亿美元，增长 9.3％；
● 模拟组件
：2018年的市场规模为560亿美元，增
图2 2019~2024
番茄加速
年按应用分类的电子市场增长图
长 6.1％。
微处理器是笔记本电脑的主要组件，而微控制器通常包括几种类型的存储器和接口，例如用于实现自给自足操作的模拟转换器和总线。网站gsm-intelligence 实时提供了有关移动通信的总数（2019年10月为9.320万
亿），如图3所示，唯一移动用户数（5.146万亿）以及全球收入超过1万亿美元。可见内存IC 主导了市场，因为它们在智能手机、平板电脑、计算机、智能卡、数码相机、媒体播放器、医疗设备或USB 驱动器等许多应用中占主导地位。
图3 2019年10月的移动通信份额（数据来源：www.gsmaintelligence）
图4 数字集成电路的复杂性展示及2022
年发展趋势
模拟组件属于异构类，它包括各类型的电子功能模块：运算放大器、音频放大器、LED/显示驱动器、数据转换器、串行器/解串器、时序控制、射频收发器、总线驱动器、电压调节器、功率转换器控制器、电源管理等。
3 集成电路技术发展趋势
3.1 复杂度不断增长的集成电路
CMOS 数字集成电路（如微处理机和存储器）的发展遵循摩尔定律，即随着MOS 器件的物理尺寸不断缩小，同一个芯片上的晶体管数量每18个月将翻倍。这一定律推动了集成电路领域的快速发展，以较低的成
本向终端用户提供更高性能和更多功能的电子设备。以2G 到5G 的移动时代为例，图4展示了数字集成电路的复杂性及其2022年的趋势。尽管由于成本、设计和成品率问题，每个芯片上的器件数量可能会饱和，但直至2020年，随着先进封装技术（如3D 堆叠或内插技术）的发展，可能会提供约1 500亿晶体管。例如华为Mate 30中的麒麟990 5G SoC 芯片在7 nm 工艺制造中集成了100亿个器件，其5G 处理系统包括8个32位微处理器（MCU）、8K 图像处理、4~8个摄像头、约16个图形处理单元（GPU），以及专用于人工智能（AI）、定位加密及毫米波处理器新开放的27 GHz 带宽中的通信
设备。
可预计，无人驾驶汽车也将需要高度密集和可靠计算，采用嵌入100~1 000个处理器并具有极高数据速率
的多传感器方法，以实现混合动力/电动汽车低碳排放的全球趋势。
减小特征尺寸的两个重要目的是减小芯片尺寸和降低功耗，从90 nm 到14 nm 技术可实现芯片20倍的缩小，同时将相同功能的功耗大大降低（如图5）。通过减少电容负载和电源电压，采用更短沟道、更高开关效率和更低阈值电压，可使每个门电路的功耗得到有效降低。制造工艺在90~65 nm，65~40 nm 等之间的电路功率可降低40％。 类似地，对于其他类别的IC（例如模拟IC），复杂度不仅因为MOS 器件的小型化而增加，还由于嵌入在同一电路内功能模块的多样化而增加。这种趋势被称为“超摩尔”定律，其基础是将异构功能（例如电源、RF、数字、传感器等）集成在同一封装内。例如，智能功率IC 的发展，将复杂的芯片系统（包括数字信号处理器以及功率器件，例如，单片DC-DC 转换器、功率驱动器、总线收发器或电池管理电路）集成在汽车电子产品中是可以实现的。在这些电路中，功率器件、驱动器、滤波器、命令、配置和诊断功能模块集成在同一芯片中，以降低
成本并提高安全性。智能功率IC 将继续在汽车电子中发挥重要作用，同时在移动设备和高级驾驶员辅助系统所需的高级传感器开发、或使用自适应天线阵列进行波束成形的5G 无线网络中，异构集成也是至关重要的。3.2 响应速度更快的开关器件
随着光刻技术的改进、应变增强的高K 栅极介电材料、金属栅极以及最近的FD-SOI，尤其是FinFET 工艺的引入，使MOS 器件的本征电流开关能力不断提高（由导通状态下的漏电流表征）。图6中的三条线（I off = 100 nA/µm、10 nA/µm 和1 nA/µm）说明了I on （开关性能）和I off （寄生泄漏）电流之间的趋势[2]。高性能可承受更高的漏电流（100 nA/µm），而低功率仅能承受漏电流1 nA/µm，且开关性能降低。可见，如IMEC 和三星[3]所言，从5 nm 至更高的“终极”纳米CMOS 技
术节点将用所谓的全能多栅极器件（GAA-MG）替代FinFET。为了制造整个嵌入式电子设备，需要考虑多种材料，其中一些非常稀有或关键的材料如图7所示。3.3 更低的电源电压
为了提升芯片可靠性，避免因动态电流引起的散热问题，根据工艺尺寸降低了集成电路的电源电压。如 图8所示，0.35 µm 到45 nm 工艺区间内，电源电压可迅速减小，但在90 nm 和7 nm 工艺之间降低缓慢，因为电源电压的缩放会带来一系列问题：降低电源电压会引起I on 的降低，但同时又会降低晶体管性能，虽然可以通过降低阈值电压来补偿，但阈值电压的降低又会带来漏
图5
特征尺寸和功耗降低的趋势图6 MOS 器件电流驱动趋势
图7 用于制造嵌入式设备（如智能手机）的一些关键材料
电流的增加。为了阈值电压可得到相应调整，大多数晶圆代工厂从7 nm 开始引入FinFET 工艺以便进一步降低V DD 电源。考虑到噪声容限约为电源的± 10％，噪声容限已从180 nm 工艺的300 mV 迅速降低到7 nm 工艺的50 mV 及以下。
降低电源电压对模拟集成电路的设计也有一定的影响。通常，模拟子系统由几个晶体管的堆叠构成，这需要足够的电压电势。随着阈值电压的降低，这种情况变得更糟。在纳米工艺中混合数字和模拟功能、并确保优异的性能是设计师们正在面临的巨大挑战，必须通过折衷选择，平衡性能以此来突破瓶颈。艾叶提取物
3.4 趋向更高的频率
图9显示了CPU 时钟频率的饱和效应，2015~2020年，其平均值约为2~3 GHz, 但是高端产品（如Intel Core i9和AMD A-10）正在接近5 GHz。 这种饱和效应是由工艺规模缩小、IC 互连中的寄生电容和延迟效应所致，它往往会限制电路的开关性能。 显然，主要趋势是通过多核而非单核设计来补偿这种频率饱和， 单个SoC 中最多可实现30个专用处理器，可用于处理第五代移动通信。
同时，2G 到6G，通信许可带宽大范围重组了小带宽应用，如图10所示，每个小带宽在效率、允许用户数、调制和传播特性方面都有自己的特点。在频率低于1 GHz 时，有效的波传播能够构建大型无线电通信单元（即减少的数量）。由于带宽通常会大大减少，并且运营商会共享带宽，因此数据速
率受到限制。在1~ 5 GHz 带宽中，传播开始变得更加有效，但允许的带宽更大，这意味着数据速率不会大幅度增加。只有更大
的带宽才能实现高数据速率，例如在用于5G 系统中的 27 GHz 带宽中，传播效率大大降低，因此需要大量的与用户的设备进行通信。
目前，IC 级EMC 的典型频率高达6 GHz。大多数测量标准（例如针对发射的IEC 61967 [4]和针对抗扰性的IEC 62132 [5]）可覆盖150 kHz~1 GHz 的范围。扩展标准建议将频率扩展到3~6 GHz 甚至10~25 GHz，例如GTEM 单元。 但是，由于毫米波5G 工作在27 GHz，而6G 工作在100~200 GHz（图11），因此需要对现有方法进行实质性扩展或设计全新的测量方法来表征集成电路未来的电磁兼容性。
3.5 更快的输入/输出数据速率
为了达到高性能计算，高速联网、高分辨率实时图
形处理所需的交换数据速率、微处理器和存储器之间的
图8 IC
电压趋势图9 CPU
时钟频率的饱和效应
图10 2G 到5G 移动带宽，以及100 GHz 范围内预期的6G
带宽
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