微電子制造和封裝技術(shù)發(fā)展研究

張丹

摘? ?要：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。

關(guān)鍵詞：微電子? 半導(dǎo)體制造? 封裝技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN405? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（c）-0070-02

Abstract：It is quite important to microelectronics as electronic products are becoming more and more integrating， tiny and provided with higher performance. Microelectronics are playing more and more important role in progressing of society as core industry of information times. While manufacturing and packaging technology of IC is the key section of microelectronic， it is necessary to keep on promoting microelectronic technology to achieve the lead in information society. This article tells the progressing of manufacturing and packaging technology of microelectronics， including its actuality and future.

Key Words：Microelectronics;Semiconductor Manufacturing;Packaging Technology

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ΑＰ盘?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)可通過帶盤連續(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?，在科學(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。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋奇.淺談微電子技術(shù)的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（3）：153.

[2] 程曉芳.微電子技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].山西電子技術(shù)，2012（4）：93-94.

[3] 許正中，李歡.我國(guó)微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)科學(xué)基金，2010（3）：155-160.