IC制造材料结构与理论
IC模具基本介绍
IC模具基本介绍IC模具，全称为Integrated Circuit Mould，是制造集成电路的工具。
集成电路是现代电子设备的核心组件，它由大量的电子元件（如晶体管、电容器、电阻器等）组成，通过在同一片基片上进行集成和互连，实现了功能的复杂性和系统的紧凑性。
IC模具是制造集成电路所必需的工具之一，用于在制造过程中将集成电路芯片的设计转化为实际产品。
它可以看作是一个“模具”，通过模具上的“模块”来制造具有特定功能和结构的集成电路。
IC模具的主要作用是在硅片上形成金属或多层金属导线和互连结构，从而实现不同元件之间的信号传输和电气连接。
IC模具通常由高硬度的材料制成，如钨钢、硼硅酸钠玻璃等。
它的制造过程需要借助于先进的微纳加工技术和精密的制造设备。
通常，制造IC模具的流程可以分为以下几个步骤：1.设计和制造模具：首先，根据集成电路芯片的设计要求，设计并制造出符合要求的IC模具。
模具的设计需要考虑到芯片的结构和连接需求，并确保模具的可重复、可靠性能。
2.芯片制造：通过将半导体材料（如硅）加工成薄片，并在薄片上制造出晶体管、电容器等元件，形成具有特定电路结构的芯片。
3.芯片上的金属导线和互连：将制造好的芯片放置在IC模具的特定位置，通过IC模具上的模具、导线等结构，在芯片上形成导线和互连结构，使芯片的各个元件之间可以相互连接并进行信号传输。
4.包装和封装：将制造好的集成电路芯片进行外包装和封装，以保护芯片免受环境的干扰，同时方便芯片的安装和使用。
IC模具的制造过程需要高度的精密度和一定的工程能力。
在模具的设计和制造过程中，需要考虑到芯片的低功耗、高速度、小尺寸和高可靠性等特点，以及制造过程中的多种材料特性、工艺控制和质量保证。
同时，模具的设计还需要与芯片的设计相匹配，确保模具和芯片的接口匹配，以实现良好的信号传输和电气连接。
IC模具在现代电子产业中扮演着重要的角色。
它不仅是集成电路制造的关键工具，更是推动电子产业发展的基石。
IC的生产工序流程以及其结构
IC的生产工序流程以及其结构IC，即集成电路，是现代电子产品中不可或缺的一部分。
从电子设备内部的芯片到计算机主板上的处理器，都离不开集成电路。
在这篇文章中，我们将会讨论IC生产的工序流程以及生产过程中的一些关键结构。
什么是IC？集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是指在单个半导体晶片上集成了多种电子元器件，并通过扩散、离子注入、金属化等工艺技术把多个电子元器件集成在一起组成电路。
通常情况下，IC芯片都很小，大小通常被表示为微米（μm）或纳米（nm）级别。
IC的应用广泛，几乎覆盖了各个电子领域。
它们可以用于计算机处理器、智能手机、电视、汽车、医疗设备以及其他种类的电子产品。
IC生产的工序流程IC生产的工流程相当复杂，通常分为数十个步骤。
不过，大致上可以将IC生产的工序分为以下步骤：1. 半导体晶片制造半导体晶片制造是IC生产的第一步，也是最重要的一步。
半导体晶片通常由硅（Si）和氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等半导体材料制成。
整个晶片制造流程通常包括以下几步：•晶圆生长：利用化学和物理反应方法，在单晶硅中生长出远大于晶体结构尺寸的大型晶体。
•制成硅晶圆：将生长出来的晶体锯成一层一层薄的硅片，制成硅晶圆。
•熔融硅基片上生长氧化层：在硅晶圆表面生成一个氧化物层。
•制作掩膜：通过光刻技术，将芯片上的某些区域遮蔽以形成模板。
•淀粉形成：将晶圆在磁场作用下放入高温炉中，以使得硅表面形成一层非晶质硅氧化物。
•拉后扩散水晶：在芯片上面涂上一层磷酸盐玻璃，并使其退火形成扩散层扩散N型氧化物或P型氧化物等。
2. 芯片制造在晶片制造的基础上，需要进行芯片制造。
这个步骤中，电阻器、电容器、二极管和晶体管等元件被加入到晶片中。
具体步骤如下：•氧化上浮：在表面形成氮化硅或氧化硅薄膜。
•制作掩膜：光刻技术用于制作薄膜的图案。
•腐蚀删除：将未被圈定的材料腐蚀去除。
•重复上述步骤：重复执行以上步骤，以形成几个电子元件。
IC的生产工序流程以及其结构
IC的生产工序流程以及其结构IC（集成电路）是一种通过技术手段将多个电子器件集成到一个芯片上的电子器件。
IC的生产工序流程包含了多个环节，每个环节都需要严格的控制和测试，以确保最终产品的质量和性能。
IC的生产工序流程可以大致分为晶圆制备、晶圆加工、封装和测试四个阶段。
第一阶段：晶圆制备晶圆制备是IC生产的第一步，即将选择好的硅片制备成适用于IC加工的基片。
该阶段主要包括以下步骤：1.基片选择：选择具有较高晶片质量的硅片作为基片。
2.磨平：使用化学机械研磨等技术将硅片的表面进行磨平，以提高晶片的表面质量。
3.清洗：通过化学清洗等方法清除硅片表面的杂质，以增加晶片的纯度。
4.涂覆：将具有特殊光敏性的光刻胶均匀涂覆在硅片表面，用于后续的芯片图案制作。
第二阶段：晶圆加工晶圆加工是IC生产的核心阶段，主要是通过光刻、蚀刻、沉积等工艺，将芯片的电路图案逐层刻制在硅片上。
该阶段主要包括以下步骤：1.光刻：使用光刻胶模具和紫外光照射，将芯片电路的设计图案转移到硅片上。
2.蚀刻：使用化学或物理蚀刻方法，将光刻胶以外的硅片材料去除，形成芯片电路的各个层次。
3.沉积：使用化学气相沉积、物理气相沉积等方法，将金属、氧化物等材料沉积在芯片表面，形成电路的导线、阻抗等元件。
4.清洗和检查：对加工后的芯片进行清洗和检查，确保电路图案和元件的质量和完整性。
第三阶段：封装封装是将完成加工的芯片封装成IC产品的过程，主要是为了保护芯片、便于使用和连接外部元件。
该阶段主要包括以下步骤：1.切割和研磨：将加工好的硅片切割成单个的芯片，并通过研磨等方法将芯片的厚度调整到设计要求。
2.封装设计：根据芯片的功能和尺寸要求，设计适用的封装结构和材料，并设计电路连接引脚和封装外壳。
3.芯片安装：将芯片粘贴或焊接到封装结构的基座上，并通过线键和焊球等方法与引脚进行连接。
4.密封：将芯片和引脚密封在封装外壳中，以保护芯片免受环境影响。
5.清洗和测试：对封装好的芯片进行清洗和测试，确保封装的质量和性能。
芯片是什么材料做的
芯片是什么材料做的
芯片是由一种或多种半导体材料制成的微小电子元件，其中包括集成电路（IC）等。
它通常由硅、锗、砷化镓等半导体材料制成。
下面将详细介绍芯片是由什么材料制成的。
首先，芯片主要是由硅材料制成的。
硅是一种非金属元素，具有良好的半导体特性，使其成为芯片制造的主要材料之一。
硅材料在自然界中非常丰富，易于提取和加工。
它的晶体结构可以提供良好的电子结构，并且可以通过控制杂质的加入来改变其电子性质。
硅材料的半导体性质使得它在电子器件中具有非常广泛的应用。
除了硅材料外，还有其他一些半导体材料常被用于制造芯片。
例如，锗是硅的一种变种，也可以用于制造芯片。
锗材料具有很好的半导体特性，并且其电子结构与硅非常相似。
另外，砷化镓（GaAs）也被广泛用于制造高频和高功率电子器件。
砷化镓的载流子迁移率比硅和锗更高，因此在高频应用中具有更好的性能。
此外，芯片制造过程中还会使用一些其他的材料。
例如，金属材料通常被用于制造电子连接线路和电极。
铜是常用的金属材料之一，因为它具有良好的导电性能和可加工性。
此外，铝、银等金属也常见于芯片的制造过程中。
总结起来，芯片是由一种或多种半导体材料制成的微小电子元件。
主要的材料包括硅、锗、砷化镓等。
这些材料具有良好的半导体特性，可用于控制和放大电流。
此外，制造芯片还需要
使用一些金属材料用于电子连接线路和电极。
通过使用这些材料，芯片可以实现各种复杂的功能，为现代电子产品提供强大的计算和存储能力。
(完整版)半导体材料的分类_及其各自的性能汇总
其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。
上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。
对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。
另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。
在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。
二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。
方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。
集成电路封装材料-芯片黏接材料
IC领域，导电胶膜正逐渐代替传统焊料和传统胶黏剂。
3.2 芯片黏接材料类别和材料特性
3.2.2 导电胶膜 导电胶膜优点： 消除侧边爬胶，减小芯片与芯片焊盘距离，提高芯片设计密度，配套封装材 料（金丝、基板和塑封料）的用量显著减少，降低生产成本； 不需要高温互连，应力小，具有较高的柔性和抗疲劳性，可以多种基板连接； 工艺简单，生产效率高；不含铅等有毒金属成分，减少环境污染。
胺类、咪唑化 合物、酸酐、 TDI 三聚体等
邻苯二甲酸 脂类、磷酸三 苯脂等
丙酮、乙二 醇乙醚、丁醇 等
银、金、 铜、碳粉 及复合粉 体
与高分子树脂
基本功能
导电胶黏接强 度的主要来源
反应，生成网 状立体结构的 不溶不熔聚合
提高材料抗 冲击能力
降低黏度便 于使用，提高 使用寿命
提供导电 性能
物
3.2 芯片黏接材料类别和材料特性
3.2 芯片黏接材料类别和材料特性
3.2.3 焊料
图3-7 不同类型焊料实物图
3.2 芯片黏接材料类别和材料特性
3.2.3 焊料 焊料基本要求：
（1）熔点低于基板熔点，具有合适的熔化温度范围。 （2）具有较好的浸润性，覆盖母材表面的能力较好，铺展面积越大，焊接 效果越好。
（3）焊接部位具有良好的抗热疲劳性能、电学性能、机械性能和物理、化 学性能。
3.2 芯片黏接材料类别和材料特性
3.2.1 导电胶 按结构分：本征型导电胶（结构型导电胶）和复合型导电胶（填充型导电胶）。 本征型导电胶指分子结构本身具有导电功能的导电胶，电阻率高，导电稳定性 及重复性差，成本也高，实用价值有限。 复合型导电胶以高分了聚合物为基体，在其中加入各种导电物质，经过物理或 化学方法复合后得到。聚合物基体一般环氧树脂、硅酮或聚酰亚胺，加入的导 电物包括银、镍、铜、金等金属及炭黑、石墨等非金属。
IC的结构与电气特性
IC的结构与电气特性引言集成电路 (Integrated Circuit, 简称IC) 是现代电子技术中一个非常重要的概念。
它是在半导体材料上制造出各种电子元器件，通过精密的布局和连接形成的一个微小的电子电路。
本文将介绍IC的结构以及其电气特性。
通过了解IC的结构和电气特性，我们可以更好地理解IC的工作原理和应用。
IC的结构IC的结构由晶体管、电阻、电容和电感等电子元器件组成。
这些元器件通过精密的层叠和连接形成一个完整的电子电路。
常见的IC结构有多片式结构、喷墨式结构和开关式结构等。
下面将介绍几种常见的IC结构。
多片式结构多片式结构是最早的IC结构之一，它是将多个独立的IC芯片通过引脚或电气连线连接在一起，形成一个复杂的电路系统。
多片式结构具有良好的可扩展性和可独立维护性，但是易受引脚和连线故障的影响，且占用空间较大。
喷墨式结构喷墨式结构是一种通过利用墨水喷射的方式来制造IC的结构。
喷墨式结构能够实现高度集成和微细加工，使得IC具有更高的性能和更小的体积。
但是，喷墨式结构的制造工艺复杂，本钱较高。
开关式结构开关式结构是一种以开关元件为核心的IC结构。
开关元件能够控制电流的开关和传导，从而实现电路的各种功能。
开关式结构具有高速、低功耗和高可靠性等优点，广泛应用于数字电路、通信电路和控制电路等领域。
IC的电气特性IC的电气特性主要包括电压特性、电流特性和频率特性等。
下面将详细介绍IC的几种常见电气特性。
电压特性电压特性是指IC在不同电压下的工作情况。
IC通常具有工作电压范围，超出范围会导致IC无法正常工作或损坏。
电压特性可以根据工作电压范围和电压变化范围来衡量IC的稳定性和可靠性。
电流特性电流特性是指IC在不同电流下的工作情况。
IC的电流特性包括工作电流、静态电流和动态电流等。
工作电流是指IC正常工作时所需的电流。
静态电流是指IC在待机状态下的电流消耗。
动态电流是指IC在工作过程中电流的变化情况。
频率特性频率特性是指IC在不同频率下的工作情况。
IC基础知识详细介绍
IC基础知识详细介绍IC的定义IC就是半导体元件产品的统称。
包括：1.集成电路板(integratedcircuit，缩写：IC)；2.二、三极管；3.特殊电子元件。
再广义些讲还涉及所有的电子元件，象电阻，电容，电路版/PCB版，等许多相关产品。
【IC产业发展与变革】自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。
回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今40多年以来，"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从小规模集成电路（SSI）到今天特大规模集成电路（ULSI）发展过程的最好总结，即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统（System-on-board）到片上系统（System-on-a -chip）的过程。
在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。
第一次变革：以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。
70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。
这一时期IC制造商（IDM）在IC市场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。
这时的IC设计和半导体工艺密切相关。
IC 设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。
IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。
第二次变革：Foundry公司与IC设计公司的崛起。
80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专用IC（ASIC）。
这时，无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。
随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域），IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。
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铝（Al）
在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足金 属连接的所有要求，被广泛用于制作欧姆 接触及导线。
随着器件尺寸的日益减小，金属化区域的 宽度也越来越小，故连线电阻越来越高， 其RC常数是限制电路速度的重要因素。
要减小连线电阻，采用低电阻率的金属或 合金是一个值得优先考虑的方法。
0.18m的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线 工艺.
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金与金合金
由于GaAs与III/V器件及IC被应用于对速度与可靠性要求很 高的行业，如电脑、通讯、军事、航空等。故对形成金属 层所使用的金属有一定的限制。
而GaAs、InP衬底的半绝缘性质及化学计量法是挑选金属 时的附加考虑因素。由于离子注入技术的最大掺杂浓度为 3·1018cm-3，故不能用金属与高掺杂的半导体（>3·1019cm-3） 形成欧姆接触（受到最大掺杂浓度的限制）。这个限制促 使人们在GaAs及InP芯片中采用合金（掺杂浓度低）作为 接触和连接材料。在制作N型GaAs欧姆接触时采用金与锗 (合金)形成的低共熔混合物。所以第一第二层金属必须和 金锗欧姆接触相容，因此有许多金合金系统得到应用。
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2.1.1 硅 (Si)
基于硅的多种工艺技术： 双极型晶体管（BJT） 结型场效应管（J-FET） P型、N型MOS场效应管 双极 CMOS（BiCMOS）
价格低廉，占领了90％的 IC市场
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2.1.2 砷化镓 (GaAs)
能工作在超高速超高频，其原因在于这些材 料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘 的电阻率 GaAs的优点: fT可达150GHz/可制作发光器件 /工作在更高的温度/更好的抗辐射性能 GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和 HBT
2020/2/24
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铝合金
在纯金属不能满足一些重要的电学参数、达不到可靠 度的情况下，IC金属化工艺中采用合金。 硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电 子迁移率、增强扩散屏蔽，改进附着特性等。或用于 形成特定的肖特基势垒。例如,稍微在Al中多加1wt% 的Si即可使Al导线上的缺陷减至最少，而在Al中加入 少量Cu，则可使电子迁移率提高101000倍；
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金与金合金(续)
基于金的金属化工艺和半绝缘衬底及多层布 线系统的组合有一个优点，即芯片上传输线 和电感有更高的Q值。 在大部分GaAs IC工艺中有一个标准的工序： 即把第一层金属布线与形成肖特基势垒与栅 极形成结合起来。（MESFET)
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两层与多层金属布线
2020/2/24Байду номын сангаас
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2.1.5 金属材料
金属材料有三个功能： 1. 形成器件本身的接触线 2. 形成器件间的互连线 3. 形成焊盘
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半导体表面制作了金属层后，根据金属的种 类及半导体掺杂浓度的不同，可形成
肖特基型接触或欧姆接触
如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖 特基型接触，构成肖特基二极管。
通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性。
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铜(Cu)
因 为 铜 的 电 阻 率 为 1 . 7 cm, 比 铝 3 . 1 cm的电阻率低, 今后,以铜代铝将成为 半导体技术发展的趋势.
IBM公司最早推出铜布线的CMOS工艺, 实现 了400MHz Power PC芯片.
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2.1.6 多晶硅
多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。 多晶硅特性随结晶度与杂质原子而改变。
2.1 了解集成电路材料
表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类
分类
材料
电导率
导 体 铝、金、钨、铜等
105 S·cm-1
半 导 体 硅、锗、砷化镓、磷 化铟等
10-9~10-2 S·cm-1
绝 缘 体 SiO2、SiON、Si3N4等
10-22~10-14 S·cm-1
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半导体材料在集成电路的制造中起着根本性 的作用 掺入杂质可改变电导率/热敏效应/光电效应 表2.2 半导体材料的重要物理特性 硅，砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体 材料
VLSI至少采用两层金属布线。第一层金属主要 用于器件各个极的接触点及器件间的部分连线， 这层金属通常较薄，较窄，间距较小。第二层 主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形 成传输线。寄生电容大部分由两层金属及其间 的隔离层形成。 多数VLSI工艺中使用3层以上的金属。最上面 一层通常用于供电及形成牢固的接地。其它较
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2.1.3 磷化铟 (InP)
能工作在超高速超高频 三种有源器件: MESFET, HEMT和HBT 广泛应用于光纤通信系统中
覆盖了玻璃光纤的最小色散（1.3um）和最小衰 减（1.55um）的两个窗口
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2.1.4 绝缘材料
SiO2 、SiON和Si3N4是 IC 系统中常用的几种 绝缘材料 功能包括： 充当离子注入及热扩散的掩膜 器件表面的钝化层 电隔离
如果掺杂浓度足够高，以致于隧道效应可以抵消 势垒的影响，那么就形成了欧姆接触(双向低欧 姆电阻值)。
器件互连材料包括
金属，合金，多晶硅，金属硅化物
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IC制造用金属材料
铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层 在VLSI制造中起着重要作用。这是由于这些金 属及合金有着独特的属性。如对Si及绝缘材料 有良好的附着力，高导电率，可塑性，容易制 造，并容易与外部连线相连。 纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间 的互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等。
高的几层用于提高密度及方便自动化布线。
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0.35um CMOS工艺的多层互联线
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IC设计与金属布线
多数情况下，IC特别是VLSI版图设计者的 基本任务是完成金属布线。因为基本器件其 它各层的版图通常已经事先做好，存放在元 件库中。门阵列电路中，单元电路内的布线 也已经完成。 对于电路设计者而言，布线的技巧包含合 理使用金属层，减少寄生电容或在可能的情 况下合理利用寄生电容等。