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大規(guī)模集成電路張俊LSI設(shè)計流程2需求需求分析需求規(guī)格系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)規(guī)格軟件規(guī)格硬件規(guī)格軟件設(shè)計C功能設(shè)計RTL邏輯設(shè)計GATE版圖設(shè)計可測性設(shè)計GDSTESTPattern制造、測試、封裝regreg+reg半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈3目前微電子產(chǎn)業(yè)已逐漸演變?yōu)樵O(shè)計,制造和封裝三個相對獨立的產(chǎn)業(yè)。本講的內(nèi)容41晶圓制造2掩膜制造3晶圓加工4芯片封裝
第十二講芯片制造與封裝長晶5“切克勞斯基法”生長單晶硅◆“切克勞斯基法”:將一塊稱為籽晶的單晶硅浸入熔融硅中,然后在旋轉(zhuǎn)籽晶的同時緩慢地把其從熔融硅中拉起。結(jié)果,就形成圓柱形的大單晶棒。◆液態(tài)物質(zhì)降溫到凝固點以下,有些原子/分子會趨于固體結(jié)構(gòu)的排列,形成較小的核心(晶粒),控制晶粒取向,可得到單晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。硅融化、提純6晶棒78英寸晶片的晶棒重達(dá)200kg,需要3天時間來生長切割8切下的晶圓要經(jīng)過清潔、磨光等步驟以去除雜質(zhì),使平面光滑。本講的內(nèi)容91晶圓制造2掩膜制造3晶圓加工4芯片封裝
第十二講芯片制造與封裝光刻工藝11掩膜制作12◆特殊的石英玻璃上,涂敷一層能吸收紫外線的鉻層(氧化鉻或氧化鐵),再用光刻法制造◆光刻主要步驟涂膠曝光顯影顯影蝕刻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖形產(chǎn)生光阻顯影去除光阻尺寸測量初始清洗缺陷檢測缺陷補(bǔ)償再次清洗加附蒙版最后檢查本講的內(nèi)容131晶圓制造2掩膜制造3晶圓加工4芯片封裝
第十二講芯片制造與封裝晶圓加工14沉積(薄膜形成)加工(蝕刻/摻雜)光刻沉積(Deposition)15◆CVD:-制作晶片的第一步是在晶圓上沉積一層不導(dǎo)電的二氧化硅。在晶片的后續(xù)制作過程中,二氧化硅層的成長、沉積會進(jìn)行很多次。
-在高溫下使晶圓曝氧可以使二氧化硅層成長。然后使用化學(xué)氣相沉積方法使二氧化硅層沉積在晶圓表面。◆
熱氧化法◆PVD法(物理氣相沉積法)光刻(Photolithography)16Si-substrate(a)SiliconbasematerialSi-substrate(c)StepperexposureUV-lightPatternedopticalmaskExposedresist(b)AfteroxidationanddepositionofnegativephotoresistPhotoresistSiO2Si-substrateSiO2Si-substrate(d)Afterdevelopmentandetchingofresist,chemicalorplasmaetchofSiO2HardenedresistChemicalorplasmaetch加工(蝕刻/摻雜)17Si-substrateSiO2Si-substrateSiO2HardenedresistSi-substrateSiO2Hardenedresist蝕刻(Etching)摻雜Si-substrateSiO2摻雜(擴(kuò)散)18◆擴(kuò)散原理雜質(zhì)原子在高溫(1000-1200度)下從硅晶片表面的高濃度區(qū)向襯底內(nèi)部的低濃度區(qū)逐漸擴(kuò)散。擴(kuò)散濃度與溫度有關(guān):(1000-1200度擴(kuò)散快)擴(kuò)散19◆擴(kuò)散分類及設(shè)備:按照雜質(zhì)在室溫下的形態(tài)分為:液態(tài)源擴(kuò)散、氣態(tài)源擴(kuò)散、固態(tài)源擴(kuò)散電路連線20進(jìn)行電連接。導(dǎo)電金屬(鋁或銅)在晶圓表面沉積。使用光刻和蝕刻制程去除沒有用的金屬?,F(xiàn)在復(fù)雜的晶片都需要很多層絕緣體。一個正常運作的晶片需要連接數(shù)以百萬計的傳導(dǎo)線路,包括層上水平連接和各層之間的垂直連接。多層21加工后的晶圓22晶圓測試、切割23測試24有40000針腳的12英寸晶圓探針卡切割25本講的內(nèi)容261晶圓制造2掩膜制造3晶圓加工4芯片封裝
第十二講芯片制造與封裝封裝27封裝形式28Package--封裝體:指芯片(Die)和不同類型的框架(L/F)和塑封料(EMC)形成的不同外形的封裝體。ICPackage種類很多,可以按以下標(biāo)準(zhǔn)分類:◆按封裝材料劃分為:金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝◆按照和PCB板連接方式分為:PTH封裝和SMT封裝◆按照封裝外型可分為:SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等;封裝形式29◆按封裝材料劃分為:
金屬封裝主要用于軍工或航天技術(shù),無商業(yè)化產(chǎn)品;陶瓷封裝優(yōu)于金屬封裝,也用于軍事產(chǎn)品,占少量商業(yè)化市場;塑料封裝用于消費電子,因為其成本低,工藝簡單,可靠性高而占有絕大部分的市場份額;金屬封裝陶瓷封裝塑料封裝封裝形式30◆按與PCB板的連接方式劃分為:
PTHPTH-PinThroughHole,通孔式;SMT-SurfaceMountTechnology,表面貼裝式。目前市面上大部分IC均采為SMT式的SMT封裝形式31◆按封裝外型可分為:DIP、SOT、QFN、SOIC、TSSOP、QFP、PGA、BGA、CSP等;◆決定封裝形式的兩個關(guān)鍵因素:封裝效率。芯片面積/封裝面積,盡量接近1:1;引腳數(shù)。引腳數(shù)越多,越高級,但是工藝難度也相應(yīng)增加;其中,CSP由于采用了FlipChip技術(shù)和裸片封裝,達(dá)到了芯片面積/封裝面積接近1:1,為目前最高級的技術(shù);DIP(Dual-inlinePackage)32雙列直插式或封裝雙入線封裝,DRAM或小規(guī)模集成電路的封裝形式。QFP-(QuadFlatPackage)33方型扁平式封裝PGA(PinGridArray)34陣列引腳封裝PGA(PinGridArray)35PGA(PinGridArray)36BGA-BallGridArray37球柵陣列式封裝Ball38引線框架(ReadFrame)39提供電路連接和Die的固定作用;主要材料為銅,會在上面進(jìn)行鍍銀、
NiPdAu等材料;L/F的制程有Etch和Stamp兩種;易氧化,存放于氮氣柜中,濕度小于40%RH;除了BGA和CSP外,其他Package都會采用ReadFrame,BGA采用的是Substrate;焊接金線(GoldWire)40實現(xiàn)芯片和外部引線框架的電性和物理連接;金線采用的是99.99%的高純度金;同時,出于成本考慮,目前有采用銅線和鋁線工藝的。優(yōu)點是成本降低,同時工藝難度加大,良率降低;線徑?jīng)Q定可傳導(dǎo)的電流;0.8mils,1.0mils,1.3mils,1.5mils和2.0mils;Multi-ChipModules41MCM42IBMPower5CPUusingMCM-Ctechnologyasa95x95mmmodule封裝流程43FOL/前段EOL/中段Plating/電鍍EOL/后段FinalTest/測試44BackGrinding磨片WaferWaferMount晶圓安裝WaferSaw晶圓切割WaferWash晶圓清洗DieAttach芯片粘接EpoxyCure銀漿固化WireBond引線焊接2ndOptical第二道光檢3rdOptical第三道光檢EOLFOL–FrontofLine前段工藝引線焊接(WireBonding)45陶瓷劈刀Capillary內(nèi)穿金線,并且在打火桿EFO的作用下,高溫?zé)?;金線在Cap施加的一定壓力作用下,形成BondBall;金線在Cap施加的一定壓力作用下,形成Wedge;引線焊接(WireBonding)46EFO打火桿在磁嘴前燒球Cap下降到芯片的Pad上,加Force和Power形成第一焊點Cap牽引金線上升Cap運動軌跡形成良好的WireLoopCap下降到LeadFrame形成焊接Cap側(cè)向劃開,將金線切斷,形成魚尾Cap上提,完成一次動作47EOL–EndofLine后段工藝Molding注塑EOLLaserMark激光打字PMC高溫固化De-flash/Plating去溢料/電鍍Trim/Form切筋/成型4thOptical第四道光檢Note:JustForTSSOP/SOIC/QFPpackageAnnealing電鍍退火注塑(Molding)48-L/F置于模具中,每個Die位于Cavity中,模具合模。-塊狀EMC放入模具孔中-高溫下,EMC開始熔化,順著軌道流向Cavity中-從底部開始,逐漸覆蓋芯片-完全覆蓋包裹完畢,成型固化注塑(Molding)49為了防止外部環(huán)境的沖擊,利用EMC
把WireBonding完成后的產(chǎn)品封裝起
來的過程,并需要加熱硬化。BeforeMoldingAfterMolding激光打字(LaserMark)50在產(chǎn)品(Package)的正面或者背面激光刻字。內(nèi)容有:產(chǎn)品名稱,生產(chǎn)日期,生產(chǎn)批次等;BeforeAfter模后固化51用于Molding后塑封料的固化,保護(hù)IC內(nèi)部結(jié)構(gòu),消除內(nèi)部應(yīng)力。
CureTemp:175+/-5°C;CureTime:8HrsESPECOven4hrs去溢料52BeforeAfter目的:De-flash的目的在于去除Molding后在管體周圍Lead之間
多余的溢料;
方法:弱酸浸泡,高壓水沖洗;電鍍(Plating)53BeforePlatingAfterPlating◆利用金屬和化學(xué)的方法,在Leadframe的表面鍍上一層鍍層,以防止外界環(huán)境的影響(潮濕和熱)。并且使元器件在PCB板上容易焊接及提高導(dǎo)電性?!綦婂円话阌袃煞N類型:
Pb-Free:無鉛電鍍,采用的是>99.95%的高純度的錫(Tin),為目前普遍采用的技術(shù),符合Rohs的要求;
Tin-Lead:鉛錫合金。Tin占85%,Lead占15%,由于不符合Rohs,目前基本被淘汰;電鍍退火54目的:讓無鉛電鍍后的產(chǎn)品在高溫下烘烤一段時間,目的在于
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