第一章 電子制造概述

1、電子制造技術(shù)基礎(chǔ)電子制造技術(shù)基礎(chǔ) 第一章 電子制造概述 第一節(jié) 電子制造的基本概念第二節(jié) 集成電路封裝技術(shù)的概述 1、封裝的概念 2、封裝的作用 3、封裝技術(shù) 4、封裝技術(shù)的演變第三節(jié) 電子制造技術(shù)回顧第一節(jié)第一節(jié) 電子制造的基本概念電子制造的基本概念第一章 電子制造概述廣義的電子制造也包括電子產(chǎn)品從市場分析、經(jīng)營決策、工程設(shè)計(jì)、加工裝配、質(zhì)量控制、銷售運(yùn)輸直至售后服務(wù)的全過程。狹義的電子制造，是指電子產(chǎn)品從硅片開始到產(chǎn)品系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)過程。本課程講述的主要內(nèi)容屬于狹義的電子制造。第一章 電子制造概述單晶硅片晶片元器件板卡產(chǎn)品系統(tǒng)半導(dǎo)體工藝引線鍵合TAP倒裝芯片通孔安裝表面安裝接插、導(dǎo)線連接等

2、前道工序后道工序電子封裝電子封裝是指從電路設(shè)計(jì)的完成開始，根據(jù)電路圖，將裸芯片、陶瓷、金屬、有機(jī)物等物質(zhì)制造成芯片、元件、板卡、電路板，最終組裝成電子產(chǎn)品的整個過程。第一章 電子制造概述單晶硅片晶片元器件板卡產(chǎn)品系統(tǒng)半導(dǎo)體工藝引線鍵合TAP倒裝芯片通孔安裝表面安裝接插、導(dǎo)線連接等前道工序后道工序電子封裝半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體制造是指利用微細(xì)加工技術(shù)將各單元元器件按一定的規(guī)律制作在一塊微小的半導(dǎo)體片上進(jìn)而形成半導(dǎo)體芯片的過程，也稱為集成電路制造。第一章 電子制造概述前道工序：是從整塊硅圓片入手，經(jīng)過多次重復(fù)的制膜、氧化、擴(kuò)散，包括照相制版和光刻等工序，制成三極管、集成電路等半導(dǎo)體元件及電極等，開發(fā)材料

3、的電子功能，以實(shí)現(xiàn)所要求的元器件特性。后道工序：是從由硅圓片切分好的一個一個的小晶片入手，進(jìn)行封裝、固定、鍵合連接、塑料灌封、引出接線端子、檢查、打標(biāo)、等工序，制作成器件、部件的封裝體，以確保元器件的可靠性并便于與外電路連接。電子封裝主要是在后道工序中完成。第一章 電子制造概述第二節(jié) 集成電路封裝技術(shù)的概述1 1、封裝的概念、封裝的概念2 2、封裝的作用、封裝的作用3 3、封裝技術(shù)、封裝技術(shù)4 4、封裝技術(shù)的演變、封裝技術(shù)的演變第一章 電子制造概述 電子封裝是集成電路芯片生產(chǎn)完成后不可缺少的一道工序，是器件到系統(tǒng)的橋梁。封裝這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)對微電子產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力都有極大的影響。 封裝所涉及的領(lǐng)

4、域廣，它需要從材料到工藝、從無機(jī)到聚合物、從大型生產(chǎn)設(shè)備到計(jì)算力學(xué)等等許許多多似乎毫不關(guān)連的專家的協(xié)同努力，是一門綜合性非常強(qiáng)的新型高科技學(xué)科。 電子封裝第一章 電子制造概述1 1、封裝的概念、封裝的概念狹義定義：集成電路芯片封裝（Packaging,PKG）是指利用膜技術(shù)及微細(xì)加工技術(shù)，將芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出接線端子并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝。廣義定義：還包括指封裝工程：即將封裝體與基板連接固定，裝配成完整的系統(tǒng)或電子設(shè)備，并確保整個系統(tǒng)綜合性能的工程。電子封裝工程：指將基板技術(shù)、芯片封裝體、分立元件等要素，（按電子設(shè)備整機(jī)要求）連

5、接和裝配成整機(jī)裝置或電子設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)電子物理功能的工程。第一章 電子制造概述2 2、封裝所實(shí)現(xiàn)的功能、封裝所實(shí)現(xiàn)的功能封裝的目的：保護(hù)芯片不受或少受外界環(huán)境的影響，并為之提供一個良好的工作條件，以使集成電路具有穩(wěn)定、正常的功能。水汽、雜質(zhì)、化學(xué)物質(zhì)等對封裝功能大體要求？良好的電氣性能封裝實(shí)現(xiàn)的功能：1、傳遞電能，如電源電壓的分配和導(dǎo)通。2、傳遞電路信號，如將延遲盡可能減小。3、提供散熱途徑；4、結(jié)構(gòu)保護(hù)與支持。散熱性能，化學(xué)的穩(wěn)定性一定的機(jī)械強(qiáng)度第一章 電子制造概述意意 義義 有人將集成電路芯片與各種電路元器件比作人類的頭腦與身體內(nèi)部的各種器官，而芯片封裝就像是將器官組合成的肌肉骨架，支撐和保

6、護(hù)整個個體；封裝的連線像是血管神經(jīng)，為整個結(jié)構(gòu)提供電源電壓與電路信號傳遞的路徑。 總之：封裝是IC到系統(tǒng)的橋梁，控制著微小系統(tǒng)的尺寸、性能、成本、可靠性。對封裝另外要注意的因素：1、成本，性價(jià)比；尺寸，大小，重量2、外形與結(jié)構(gòu)；3、可靠性；機(jī)械沖擊、溫度變化、運(yùn)輸?shù)募铀俣取⑹褂铆h(huán)境4、性能第一章 電子制造概述技術(shù)的層次（共4層）：Level 0：芯片上元器件間的連線工藝Level 1：又稱芯片層次的封裝（Chip Level Packaging）,芯片與封裝基板或引腳架之間的封裝稱為模塊工藝；Level 2：將若干個模塊與其他電子元器件組成一個電路卡（Card）的工藝；Level 3：將若干個

7、Card組合在一個主電路板（Board）上，形成一個部件或者子系統(tǒng)的工藝；3、封裝技術(shù)第一章 電子制造概述硅片Level 0 晶片級互連Level 1Level 2Level 1 多晶片互連Level 3Level 3第一章 電子制造概述傳統(tǒng)的封裝第一章 電子制造概述BGA(球狀陣列)第一章 電子制造概述PGA（針柵陣列）第一章 電子制造概述芯片封裝使用的材料芯片封裝使用的材料導(dǎo)熱：金屬材料基板：陶瓷、玻璃密封：高分子、陶瓷第一章 電子制造概述90年代: PGA（Pin Grid Array）針柵陣列封裝、BGA（Ball Grid Array）球柵陣列封裝、 BGA =CSP（Chip Si

8、ze Package）芯片尺寸封裝60年代：TO（Transistor Outline）70年代：DIP80年代：LCCC（Leadless Ceramic Chip Carrier）無引線陶瓷芯片載體PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）塑料短引線芯片載體SOP、QFP、PQFP（ Plastic Quad Flat Packages）SMT（Surface Mount Package）表面貼裝技術(shù)芯片封裝的演變芯片封裝的演變第一章 電子制造概述21世紀(jì)以SiP（System-in-Package）系統(tǒng)封裝為代表：MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)封裝）3D-系統(tǒng)封裝SiP

9、-BGA.芯片封裝的演變芯片封裝的演變第一章 電子制造概述芯片封裝的演變圖芯片封裝的演變圖第一章 電子制造概述集成電路發(fā)展的主要表現(xiàn)集成電路發(fā)展的主要表現(xiàn)1、芯片尺寸越來越大。2、工作頻率越來越高。3、發(fā)熱量日趨最大。 4、引腳越來越多。對封裝技術(shù)的要求：1、小型化。 2、能適應(yīng)高發(fā)熱。3、集成度提高，并適應(yīng)大芯片要求。4、高密度化。5、能適應(yīng)多引腳。 6、能適應(yīng)高溫環(huán)境。7、具高可靠性。 8、考慮環(huán)保要求。電子制造技術(shù)的回顧電子制造技術(shù)的回顧第一章 電子制造概述現(xiàn)今，以硅為原料的電子組件產(chǎn)值，已經(jīng)超過以鋼為原料的器物產(chǎn)值，人類的歷史已經(jīng)正式進(jìn)入了一個新的時(shí)代，也就是硅的時(shí)代。下面來簡單回顧一

10、下電子制造技術(shù)的發(fā)展歷程。電子管的發(fā)明電子管的發(fā)明第一章 電子制造概述1941年首個電子管問世。第一章 電子制造概述電子管收音機(jī)普遍使用五六個電子管，輸出功率只有1瓦左右，而耗電卻要四五十瓦，功能也很有限打開電源開關(guān)，要等1分多鐘才會慢慢地響起來。電子管的問世推動了無線電電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，但是不可否認(rèn)的是，電子管十分笨重，能耗大、壽命短，其制造工藝也十分復(fù)雜。世界上第一臺電子管計(jì)算機(jī)-ENIAC，使用17,468只電子管第一章 電子制造概述第二次世界大戰(zhàn)中，電子管的缺點(diǎn)更加暴露無遺：處理高頻信號的效果不理想，移動式軍用設(shè)備上使用的電子管不僅笨拙而且易出故障。因此，電子管問世不久，由于其本身固有

11、的弱點(diǎn)和戰(zhàn)爭的迫切需要，促使人們努力尋找替代電子管的新型電子器件。晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明第一章 電子制造概述1946年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室決定開展半導(dǎo)體的研究。半導(dǎo)體研究項(xiàng)目是由肖克萊提議的，他認(rèn)為貝爾實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該加強(qiáng)固體物理學(xué)的基礎(chǔ)研究。肖克萊授命組建半導(dǎo)體研究小組，成員有布拉頓、巴丁以及其他科學(xué)家。肖克萊專長于理論研究，巴丁是運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問題的大師，而布拉頓則是善于巧妙地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的能手。研究小組選中硅、鍺這類半導(dǎo)體作為研究對象，探索一種能克服電子管缺陷并起到放大作用的電子器件。第一章 電子制造概述晶體管的發(fā)明成為人類微電子革命的先聲晶體管的發(fā)明奠定了現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，揭開了微電子

12、技術(shù)和信息化的序幕，開創(chuàng)了人類的硅文明時(shí)代，由它引起的技術(shù)革命對社會產(chǎn)生的巨大推動作用和深遠(yuǎn)的影響在歷史上是屈指可數(shù)的。1947年發(fā)明的世界上第一只點(diǎn)接觸型晶體管第一章 電子制造概述由于這一貢獻(xiàn), 巴丁和肖克萊、布拉頓一起獲得了1956年度諾貝爾物理學(xué)獎。肖克萊（中間坐者）、約翰巴?。ㄗ螅?、布拉頓（右）晶體管相對于電子管而言的優(yōu)越性：晶體管相對于電子管而言的優(yōu)越性：第一章 電子制造概述1、可靠性高、壽命長。晶體管是用半導(dǎo)體制成的，可靠性高，并且平均壽命一般比電子管長 100倍到1000倍，而電子管容易老化。此外耐沖擊、耐振動，不易損壞。2、功耗低，至少比電子管的功耗小一個數(shù)量級。一臺晶體管收音

13、機(jī)只要幾節(jié)干電池就可以聽半年一年，而這對于電子管收音機(jī)來說，是難以做到的。此外晶體管發(fā)熱量小，可以顯著降低電子設(shè)備的發(fā)熱量，減輕電子設(shè)備散熱冷卻的要求。第一章 電子制造概述3、體積小，重量輕，裝配密度高。晶體管體積只有電子管的十分之一到百分之一，其裝配密度比電子管的高1-2個數(shù)量級，從而使電子設(shè)備小型化。 4、晶體管不需預(yù)熱，一開機(jī)就工作。而電子管工作前需要預(yù)熱，加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子后才能工作。所以晶體管收音機(jī)一開機(jī)就響，而電子管收音機(jī)開機(jī)后，得等一會兒才聽得到聲音。 第一章 電子制造概述5、適于批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，且易于實(shí)現(xiàn)裝配機(jī)械化和自動化。正因?yàn)榫w管的性能如此優(yōu)越，晶體管誕生之后

14、，便被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)以及人們?nèi)粘Ｉ钪小?953年，首批電池式晶體管收音機(jī)投放市場，便引起了一個消費(fèi)熱潮。第一章 電子制造概述從電子管到晶體管第一章 電子制造概述第一臺晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC集成電路出現(xiàn)的背景集成電路出現(xiàn)的背景第一章 電子制造概述晶體管的發(fā)明使電子設(shè)備體積縮小，耗電減少，可靠性提高。然而隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，晶體管依然滿足不了需求，以計(jì)算機(jī)為例，IBM公司1955年推出了608計(jì)算機(jī)，是世界上第一個投入商用的晶體管計(jì)算機(jī)，里面使用了3000多個鍺晶體管，重量達(dá)2400磅（約1090kg）。第一章 電子制造概述IBM 608集成電路的發(fā)明集成電路的發(fā)明第一章

15、 電子制造概述1952年，英國雷達(dá)研究所的科學(xué)家達(dá)默在一次會議上提出：可以把電子線路中的分立元器件，集中制作在一塊半導(dǎo)體晶片上，一小塊晶片就是一個完整電路，這樣一來，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高。這就是初期集成電路的構(gòu)想。1956年，美國材料科學(xué)專家富勒和賴斯發(fā)明了半導(dǎo)體生產(chǎn)的擴(kuò)散工藝，這樣就為發(fā)明集成電路提供了工藝技術(shù)基礎(chǔ)。第一章 電子制造概述1958年9月，美國德州儀器公司的青年工程師杰克基爾比（Jack Kilby），成功地將包括鍺晶體管在內(nèi)的五個元器件集成在一起，基于鍺材料制作了一個叫做相移振蕩器的簡易集成電路，并于1959年2月申請了小型化的電子電路（Miniaturi

16、zed Electronic Circuit）專利（專利號為No.31838743，批準(zhǔn)時(shí)間為1964年6月26日），這就是世界上第一塊鍺集成電路。第一章 電子制造概述1958年杰克基爾比發(fā)明的世界上第一塊基于鍺的集成電路第一章 電子制造概述1959年羅伯特諾伊斯發(fā)明的基于硅的集成電路第一章 電子制造概述2000年，集成電路問世42年以后，人們終于了解到它給社會帶來的巨大影響和推動作用，基爾比因集成電路的發(fā)明被授予了諾貝爾物理學(xué)獎（諾伊斯在1990年因病去世，而無緣諾貝爾獎）。諾貝爾獎評審委員會曾經(jīng)這樣評價(jià)基爾比：“為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。第一章 電子制造概述2000年12月基爾比獲諾貝爾

17、物理學(xué)獎集成電路工藝的發(fā)展集成電路工藝的發(fā)展第一章 電子制造概述集成電路飛速發(fā)展的一個很重要的原因就是制造工藝一直以驚人的速度在發(fā)展。特征尺寸和晶圓片的尺寸是衡量集成電路工藝水平的關(guān)鍵指標(biāo)。 特征尺寸通常指集成電路中半導(dǎo)體器件的最小尺度，如MOS晶體管的柵極長度。它是衡量集成電路制造和設(shè)計(jì)水平的重要尺度。特征尺寸越小，芯片的集成度越高、速度越快、性能越好。集成電路特征尺寸的發(fā)展：第一章 電子制造概述早在1971年，Intel推出第一款CPU 4004，采用10微米工藝，集成了2300個晶體管；1993年推出的奔騰處理器芯片特征尺寸就已降到0.8微米，集成度為310萬；1995年Intel更進(jìn)一

18、步，奔騰pro處理器特征尺寸已達(dá)到0.6微米，集成度為550萬；1997年的奔騰二代CPU特征尺寸為0.35微米，集成度已達(dá)750萬；第一章 電子制造概述2002年 Intel引入90納米工藝，同年 德州儀器開始采用90納米 CMOS工藝；2004年德州儀器發(fā)布65納米工藝；2007年英特爾45納米 CPU進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)。2008年上市的Intel酷睿2 Quad CPU，特征尺寸為45納米，集成度達(dá)8.2億。目前I5、I7 ，特征尺寸為32納米，22nm第一章 電子制造概述近十年微處理器工藝發(fā)展第一章 電子制造概述1971年，Intel 4004 CPU，時(shí)鐘頻率為08kHz，特征尺寸為10微

19、米，集成2300個晶體管第一章 電子制造概述1972年，Intel 8008微處理器，時(shí)鐘頻率為200kHz，特征尺寸為10微米，集成3500個晶體管1974年，Intel 推出的8080微處理器，特征尺寸為6微米，集成6000個晶體管第一章 電子制造概述1974年，Intel 8080微處理器，時(shí)鐘頻率為2MHz1978年，Intel 推出的8086微處理器，第一章 電子制造概述1978年，Intel 8086微處理器，時(shí)鐘頻率為10MHz，特征尺寸為3微米，集成2.9萬個晶體管第一章 電子制造概述1982年，Intel 80286微處理器，時(shí)鐘頻率為12MHz，特征尺寸為1.5微米，集成1

20、3.4萬個晶體管第一章 電子制造概述1985年，Intel 80386微處理器，時(shí)鐘頻率為33MHz，特征尺寸為1.5微米，集成27.5萬個晶體管1989年，Intel 推出的80486微處理器，特征尺寸為1微米，集成120萬個晶體管1989年，Intel 80486微處理器，時(shí)鐘頻率為50MHz，特征尺寸為1微米，集成120萬個晶體管第一章 電子制造概述1993年，Intel 奔騰微處理器，時(shí)鐘頻率為66MHz，特征尺寸為0.8微米，集成310萬個晶體管第一章 電子制造概述1995年，Intel 奔騰 Pro微處理器，時(shí)鐘頻率為200MHz，特征尺寸為0.6微米，集成550萬個晶體管第一章

21、電子制造概述1997年，Intel 奔騰II微處理器，時(shí)鐘頻率為300MHz，特征尺寸為0.35微米，集成750萬個晶體管第一章 電子制造概述1998年，Intel 奔騰 II Xexon微處理器，時(shí)鐘頻率為450MHz，特征尺寸為0.25微米，集成750萬個晶體管第一章 電子制造概述1999年，Intel 奔騰III微處理器，時(shí)鐘頻率為500MHz，特征尺寸為0.18微米，集成2800萬個晶體管第一章 電子制造概述2000年，Intel 奔騰4微處理器，時(shí)鐘頻率為1.4GHz，特征尺寸為0.18微米，集成4200萬個晶體管晶體管第一章 電子制造概述2008年上市的Intel酷睿2 Quad CPU，時(shí)鐘頻率為2.83GHz，特征尺寸為45納米，晶體管數(shù)量已達(dá)8.2億個IC界的黃金定律：摩爾定律第一章 電子制造概述1965年4月，仙童半導(dǎo)體公司的戈登摩爾（Gorden Moore）在電子學(xué)雜志上發(fā)表文章預(yù)言：集成電路芯片上集成的晶體管數(shù)量將每年翻一番。1975年，摩爾又在國際電信聯(lián)盟的學(xué)術(shù)年會上提交了一篇論文，根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況把增長率修正為每兩年翻一番。第一章 電子制造概述戈登摩爾（Gordon Moore）第一章 電子制造概述微處理器的發(fā)展從PC的另外兩個要素DRAM（動態(tài)