一文解析微電子制造和封裝技術(shù)

作者：張丹(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院)

隨著電子產(chǎn)品的高集成、小型化、高性能等發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)微電子技術(shù)的需求越來(lái)越高。微電子技術(shù)作為信息社會(huì)的重要支柱性產(chǎn)業(yè)，正扮演者越來(lái)越重要的作用。集成電路制造和封裝技術(shù)作為微電子技術(shù)的發(fā)展核心，更是發(fā)展的關(guān)鍵。本文對(duì)微電子制造和封裝技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討，只有繼續(xù)積極布局和推進(jìn)微電子技術(shù)的發(fā)展，才能讓我國(guó)在信息社會(huì)中處于領(lǐng)先。

微電子技術(shù)作為當(dāng)今工業(yè)信息社會(huì)發(fā)展最快、最重要的技術(shù)之一，是電子信息產(chǎn)業(yè)的“心臟”。而微電子技術(shù)的重要標(biāo)志，正是半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的飛速進(jìn)步和發(fā)展。多年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)微電子技術(shù)的重視和積極布局投入，結(jié)合社會(huì)良好的創(chuàng)新發(fā)展氛圍，我國(guó)的微電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和進(jìn)步。目前我國(guó)自主制造的集成芯片在射頻通信、雷達(dá)電子、數(shù)字多媒體處理器中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但總體來(lái)看，我國(guó)的核心集成電路基礎(chǔ)元器件的研發(fā)水平、制造能力等還和發(fā)展較早的發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距，唯有繼續(xù)積極布局，完善創(chuàng)新體系，才能逐漸與世界先進(jìn)水平接軌。集成電路技術(shù)，主要包括電路設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝檢測(cè)幾大技術(shù)體系，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，制造和封裝技術(shù)已經(jīng)成為微電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。本文將對(duì)微電子技術(shù)的制造和封裝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明與研究。

1 微電子制造技術(shù)

集成電路制造工藝主要可以分為材料工藝和半導(dǎo)體工藝。材料工藝包括各種圓片的制備，包括從單晶拉制到外延的多個(gè)工藝，傳統(tǒng)Si晶圓制造的主要工藝包括單晶拉制、切片、研磨拋光、外延生長(zhǎng)等工序，而GaAs的全離子注入工藝所需要的是拋光好的單晶片(襯底片)，不需要外延。半導(dǎo)體工藝總體可以概括為圖形制備、圖形轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散形成特征區(qū)等三大步。圖形制備是以光刻工藝為主，目前最具代表性的光刻工藝制程是28nm。圖形轉(zhuǎn)移是將光刻形成的圖形轉(zhuǎn)移到電路載體，如介質(zhì)、半導(dǎo)體和金屬中，以實(shí)現(xiàn)集成電路的電氣功能。注入或擴(kuò)散是通過(guò)引入外來(lái)雜質(zhì)，在半導(dǎo)體某些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效摻雜，形成不同載流子類(lèi)型或不同濃度分布的結(jié)構(gòu)和功能。

從歷史進(jìn)程來(lái)看，硅和鍺是最早被應(yīng)用于集成電路制造的半導(dǎo)體材料。隨著半導(dǎo)體材料和微電子制造技術(shù)的發(fā)展，以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料逐漸被廣泛應(yīng)用。直到現(xiàn)在第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC已經(jīng)憑借其大功率、寬禁帶等特性在迅速占據(jù)市場(chǎng)。在這三代半導(dǎo)體材料的迭代發(fā)展中，其特征尺寸逐漸由毫米縮小到當(dāng)前的14納米、7納米水平，而在當(dāng)前微電子制造技術(shù)的持續(xù)發(fā)展中，材料和設(shè)備正在成為制造能力提升的決定性因素，包括光刻設(shè)備、掩模制造技術(shù)設(shè)備和光刻膠材料技術(shù)等。材料的研發(fā)能力、設(shè)備制造和應(yīng)用能力的提升直接決定著當(dāng)下和未來(lái)微電子制造水平的提升。

總之，推動(dòng)微電子制造技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自于應(yīng)用設(shè)計(jì)需求和其自身的發(fā)展需要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，新材料的出現(xiàn)帶來(lái)的優(yōu)越特性，是帶動(dòng)微電子器件及其制造技術(shù)的提升的重要表現(xiàn)形式。較為典型的例子是GaN半導(dǎo)體材料及其器件的技術(shù)突破直接推動(dòng)了藍(lán)光和白光LED的誕生，以及高頻大功率器件的迅速發(fā)展。作為微電子器件服務(wù)媒介，信息技術(shù)的發(fā)展需求依然是微電子制造技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?a target="_blank">信號(hào)的生成、存儲(chǔ)、傳輸和處理等在超高速、高頻、大容量等技術(shù)要求下飛速發(fā)展，也會(huì)持續(xù)推動(dòng)微電子制造技術(shù)在加工技術(shù)、制造能力等方面相應(yīng)提升。微電子制造技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)主要表現(xiàn)形式是自身能力的提升，其主要來(lái)自于制造設(shè)備技術(shù)、應(yīng)用能力的迅速發(fā)展和相應(yīng)配套服務(wù)材料技術(shù)的同步提升。

2 微電子封裝技術(shù)

微電子封裝的技術(shù)種類(lèi)很多，按照封裝引腳結(jié)構(gòu)不同可以分為通孔插裝式和表面安裝式。通常來(lái)說(shuō)集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：第一階段，20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)微電子封裝技術(shù)主要是以引腳插裝型封裝技術(shù)為主。第二階段，20世紀(jì)80年代，SMT技術(shù)逐漸走向成熟，表面安裝技術(shù)由于其可適應(yīng)更短引腳節(jié)距和高密度電路的特點(diǎn)逐漸取代引腳直插技術(shù)。第三階段，20世紀(jì)90年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于微電子封裝技術(shù)的要求越來(lái)越高，促使出現(xiàn)了BGA、CSP、MCM等多種封裝技術(shù)。使引腳間距從過(guò)去的1.27mm、0.635mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm發(fā)展，封裝密度也越來(lái)越大，CSP的芯片尺寸與封裝尺寸之比已經(jīng)小于1.2。

目前，元器件尺寸已日益逼近極限。由于受制于設(shè)備能力、PCB設(shè)計(jì)和加工能力等限制，元器件尺寸已經(jīng)很難繼續(xù)縮小。但是在當(dāng)今信息時(shí)代，依然在持續(xù)對(duì)電子設(shè)備提出更輕薄、高性能的需求。在此動(dòng)力下，依然推動(dòng)著微電子封裝繼續(xù)向MCM、SIP、SOC封裝繼續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)IC封裝和板級(jí)電路組裝這兩個(gè)封裝層次的技術(shù)深度融合將是目前發(fā)展的重點(diǎn)方向。

芯片級(jí)互聯(lián)技術(shù)是電子封裝技術(shù)的核心和關(guān)鍵。無(wú)論是芯片裝連還是電子封裝技術(shù)都是在基板上進(jìn)行操作，因此這些都能夠運(yùn)用到互聯(lián)的微技術(shù)，微互聯(lián)技術(shù)是封裝技術(shù)的核心，現(xiàn)在的微互聯(lián)技術(shù)主要包含以下幾個(gè)：引線鍵合技術(shù)，是把半導(dǎo)體芯片與電子封裝的外部框架運(yùn)用一定的手段連接起來(lái)的技術(shù)，工藝成熟，易于返工，依然是目前應(yīng)用最廣泛的芯片互連技術(shù)；載體自動(dòng)焊技術(shù)，載體自動(dòng)焊技術(shù)可通過(guò)帶盤(pán)連續(xù)作業(yè)，用聚合物做成相應(yīng)的引腳，將相應(yīng)的晶片放入對(duì)應(yīng)的鍵合區(qū)，最后通過(guò)熱電極把全部的引線有序地鍵合到位置，載體自動(dòng)焊技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是組裝密度高，可互連器件的引腳多，間距小，但設(shè)備投資大、生產(chǎn)線長(zhǎng)、不易返工等特性限制了該技術(shù)的應(yīng)用。倒裝芯片技術(shù)是把芯片直接倒置放在相應(yīng)的基片上，焊區(qū)能夠放在芯片的任意地方，可大幅提高I/O數(shù)量，提高封裝密度。但凸點(diǎn)制作技術(shù)要求高、不能返工等問(wèn)題也依然有待繼續(xù)研究，芯片倒裝技術(shù)是目前和未來(lái)最值得研究和應(yīng)用的芯片互連技術(shù)。總之，微電子封裝技術(shù)經(jīng)歷了從通孔插裝式封裝、表面安裝式封裝、窄間距表面安裝焊球陣列封裝、芯片級(jí)封裝等發(fā)展階段。目前最廣泛使用的微電子封裝技術(shù)是表面安裝封裝和芯片尺寸封裝及其互連技術(shù)，隨著電子器件體積繼續(xù)縮小，I/O數(shù)量越來(lái)越多，引腳間距越來(lái)越密，安裝難度越來(lái)越大，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，以及高頻高密度電路廣泛應(yīng)用于航天及其他軍用電子，需要適應(yīng)的環(huán)境越來(lái)越苛刻，封裝技術(shù)的可靠性問(wèn)題也被擺上了新的高度。

3 結(jié)語(yǔ)

如果說(shuō)集成電路設(shè)計(jì)是微電子產(chǎn)業(yè)的大腦，其制造與封測(cè)技術(shù)則是微電子產(chǎn)業(yè)的脊梁。隨著國(guó)家和社會(huì)各界對(duì)微電子集成電路產(chǎn)業(yè)的高度重視和積極布局，我國(guó)的集成電路制造和封裝技術(shù)日益強(qiáng)大的同時(shí)，為微電子行業(yè)的發(fā)展注入了強(qiáng)大內(nèi)核和支撐，也體現(xiàn)著我國(guó)在科技強(qiáng)國(guó)的指引下高精尖產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的不竭動(dòng)力?？傊诳茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的時(shí)代，微電子技術(shù)作為現(xiàn)代信息型社會(huì)的重要基礎(chǔ)和核心產(chǎn)業(yè)，必將占據(jù)時(shí)代的高點(diǎn)，而繼續(xù)堅(jiān)定不移地推動(dòng)微電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的必由之路。因此，微電子技術(shù)在當(dāng)下和未來(lái)對(duì)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步必將發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。

編輯：黃飛

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