現(xiàn)代芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)展望

趙世彧

摘要：芯片即是大規(guī)模集成電路的一支分流，它對(duì)半導(dǎo)體材料的依賴性極強(qiáng)，芯片的制造可以說(shuō)離不開(kāi)半導(dǎo)體材料的參與。芯片是制成元器件的基礎(chǔ)，大多數(shù)的芯片都以硅片作基底來(lái)對(duì)集成電路進(jìn)行功能的設(shè)計(jì)和儲(chǔ)備，因?yàn)榛椎牟牧现苯佑绊懼酒墓δ?。針?duì)不同的集成電路元器件，這些元器件之間都彼此存在差異，他們功能不同，就可能有不同的連接線、開(kāi)關(guān)控制器、電阻、電容、等器件。芯片不是最小的的單位，比芯片還小的單位有晶圓，而正是由于晶圓的組合，才能構(gòu)成多功能高精密的芯片。

關(guān)鍵詞：集成電路制造，芯片，電子設(shè)備，核心部件

引言

隨著新一代電子裝備在高頻寬帶、輕量化、多功能等方面的需求日益迫切，以共燒陶瓷多層基板和微組裝工藝為代表的多芯片組件集成技術(shù)已接近二維組裝的極限，在組裝面積、集成度等方面面臨巨大挑戰(zhàn)，亟需新型封裝形式尤其是新型封裝基板以滿足裝備發(fā)展的需求。基于器件預(yù)埋的新型封裝基板可以有效實(shí)現(xiàn)高集成封裝。通過(guò)在板內(nèi)埋置有源/無(wú)源器件降低器件占用的基板面積和體積，通過(guò)垂直互連技術(shù)縮短互連長(zhǎng)度并降低引線互連的寄生效應(yīng)。

1集成電路芯片

大規(guī)模集成電路芯片，它不僅有鮮明的自身特點(diǎn)，由數(shù)量眾多的晶圓構(gòu)成外，還有著極小的自身體積。另外，芯片的元器件也是較為特殊的，芯片的元器件不僅密度大，還具備極為耐用的高效性能，在對(duì)芯片進(jìn)行元件替換的過(guò)程中，芯片的替換性極強(qiáng)，而且方便快捷。但是芯片也存在一定的不足和缺陷。例如，芯片的使用性能較為單一，可維修度性能不強(qiáng)，在對(duì)芯片進(jìn)行維修的過(guò)程中，投入的資本往往超出預(yù)算，很多時(shí)候比投資新的芯片更耗費(fèi)資本。為此，選擇更優(yōu)的芯片投資結(jié)構(gòu)。芯片用途廣泛，它在結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還將場(chǎng)景多樣化因素充分考慮，并通過(guò)對(duì)電子元件的單獨(dú)利用，以及與其他元件配合使用，從而使得電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與芯片充分結(jié)合，互補(bǔ)利用。芯片使用廣泛，涉及層面寬廣，在眾多領(lǐng)域中都占據(jù)著重要地位，如互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、現(xiàn)代電子設(shè)備領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、國(guó)家新型開(kāi)發(fā)領(lǐng)域等。同時(shí)，芯片在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技建設(shè)等領(lǐng)域占著不可或缺的地位，是國(guó)家開(kāi)發(fā)建設(shè)的先鋒，當(dāng)然，也是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)。

2預(yù)埋芯片封裝基板結(jié)構(gòu)

預(yù)埋芯片混合集成封裝基板是在多層共燒陶瓷基板的腔體中埋置芯片，并通過(guò)金凸點(diǎn)將芯片焊盤垂直引出，腔體中填充BCB介質(zhì)并將表面異質(zhì)拋光平坦化。混合基板架構(gòu)如圖1所示。該封裝基板具備諸多優(yōu)點(diǎn)：1）多層共燒陶瓷基板布線層數(shù)多，可集成無(wú)源器件和制作腔體;2）芯片被埋置在腔體內(nèi)部，具有很好的屏蔽環(huán)境;3）采用小尺寸的金凸點(diǎn)垂直互連代替引線互連，有效縮短了互連長(zhǎng)度，降低了傳輸損耗;4）腔體填充BCB并平坦化，基板表面積可得到有效利用并適用于后續(xù)高精密薄膜布線。

3芯片的制造流程

3.1材料準(zhǔn)備

第一環(huán)節(jié)，材料準(zhǔn)備環(huán)節(jié)：芯片的制造對(duì)材料的選擇要求較高，硅，硅等化學(xué)元素是制造芯片基地的常用原料，也是多年來(lái)備受歡迎的原料，經(jīng)過(guò)多年的芯片制造探究發(fā)現(xiàn)，利用硅，硅等化學(xué)元素進(jìn)行芯片的制造，不僅能更好地發(fā)揮芯片的效能，還可增強(qiáng)芯片的耐用性能和使用壽命，降低芯片的阻力，保障芯片自身的優(yōu)勢(shì)，為芯片的使用拓寬領(lǐng)域，其次，硅，硅等化學(xué)元素大多來(lái)自石材，采集成本較小，且原材料較豐富，石材的加工提純也便于操作，提純后的原材料具備高純度硅，這對(duì)芯片的制造取得了及其豐富的多晶體原材料，硅，硅等化學(xué)元素之所以被大量用來(lái)制造芯片，一部分原因也是因?yàn)樵撔┎牧暇哂袠O強(qiáng)的物理結(jié)構(gòu)，并且化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，是半導(dǎo)體材料中不可多得的良品。當(dāng)然，硅，硅等化學(xué)元素大多只是作為主要的原材料，很多芯片根據(jù)性能的要求還會(huì)搭配不同的輔助材料，例如銅、銀、鎳等材料，從而豐富芯片的廣泛用途。

3.2預(yù)埋芯片垂直互連

作為預(yù)埋芯片封裝基板的關(guān)鍵工藝步驟，基板腔體中埋置芯片并填充BCB介質(zhì)需要采用垂直互連的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的引出。根據(jù)模擬芯片的厚度和多層共燒陶瓷基板腔體深度的對(duì)比，并綜合考慮貼裝和平坦化的工藝影響，垂直互連金凸點(diǎn)的高度設(shè)計(jì)為60?80?m。此外，模擬芯片焊盤尺寸為100?m，凸點(diǎn)直徑小于焊盤尺寸，一般為80?m。具體采用半自動(dòng)球焊機(jī)在芯片焊盤上進(jìn)行金絲球焊，制作垂直互連金凸點(diǎn)，首先用電火花將金屬絲燒制成球狀，在超聲熱壓的作用下焊接到芯片焊盤表面，再扯斷金屬絲。這種凸點(diǎn)制作方式可應(yīng)對(duì)各種類型的焊盤布局，尤其是在處理單個(gè)芯片時(shí)靈活性極高。

3.3晶體生長(zhǎng)

第二環(huán)節(jié)，晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)：硅晶片的設(shè)計(jì)和安置是該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)，硅晶片上安放電路晶體是保證芯片下面環(huán)節(jié)正常開(kāi)展的基礎(chǔ)，在晶體處于高光、高溫條件下，晶體表面便會(huì)不停地進(jìn)行生長(zhǎng)分裂，在此過(guò)程結(jié)束之前，晶體需要處在一個(gè)極為干燥且無(wú)污染無(wú)腐蝕的環(huán)境中，避免晶體反應(yīng)環(huán)節(jié)遭受不利影響，從而影響了芯片的制造。直到此環(huán)節(jié)結(jié)束，晶體生長(zhǎng)成熟后，才可運(yùn)用激光手段對(duì)晶體進(jìn)行切割，保證晶體表面的晶圓成型，并且在最終的處理環(huán)節(jié)得到制造需要的晶圓毛坯。

3.4異質(zhì)表面平坦化

在預(yù)埋芯片多層共燒陶瓷基板腔體填充BCB后，需要進(jìn)行平坦化工藝。平坦化的目的在于：1）基板平坦化。腔體位置填充的BCB介質(zhì)層鼓凸，必須經(jīng)過(guò)減薄、拋光處理才能滿足后續(xù)薄膜工藝的平整度要求。2）電學(xué)連接。BCB介質(zhì)中制作的金凸點(diǎn)頂端被介質(zhì)覆蓋，需要通過(guò)減薄、拋光將金凸點(diǎn)頂部露出，以便電路實(shí)現(xiàn)電連接?；灞砻姘鄬庸矡沾苫?BCB/Au三種材料，異質(zhì)材料同時(shí)拋光時(shí)去除速度不同，在材料分界處很可能出現(xiàn)凸起、裂痕等現(xiàn)象。本研究從多個(gè)方面改善優(yōu)化異質(zhì)拋光工藝：1）設(shè)計(jì)方面，考慮到減薄加工量，在多層共燒陶瓷基板的表層增加1?2層生料，作為平坦化工藝的犧牲層。2）工藝方面，采用減薄和拋光兩步工序?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)拋光。選擇325目數(shù)的金剛石砂輪，調(diào)節(jié)砂輪轉(zhuǎn)速、減薄量和進(jìn)給速度等參數(shù)。選擇COMPOL-80拋光液和suba-400拋光墊，在優(yōu)化載荷壓力和拋光時(shí)間等工藝條件下進(jìn)行表面平坦化工藝研究。使用光學(xué)輪廓儀對(duì)拋光后的預(yù)埋芯片基板表面進(jìn)行測(cè)量分析

4芯片的發(fā)展趨勢(shì)

芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，芯片由眾多的器件相互結(jié)合構(gòu)成，并且這些器件彼此之間的結(jié)合度極高、密集程度也極高。芯片還通過(guò)在集成器上安置多個(gè)元器件來(lái)使得芯片的性能得到更好應(yīng)用，保障芯片性能的適應(yīng)性和耐磨性。對(duì)于芯片技術(shù)范疇的芯片性能設(shè)計(jì)，芯片尺寸的大小和評(píng)估測(cè)量，都對(duì)芯片的內(nèi)部構(gòu)造起到關(guān)鍵指導(dǎo)作用。當(dāng)然，目前的芯片生產(chǎn)還存在一定的不足和缺陷，但隨著芯片生產(chǎn)精密的不斷提升，芯片的元器件尺寸不斷科學(xué)改善，誤差的不斷減小，現(xiàn)如今的芯片中元器件的各種問(wèn)題也得到了明顯的改善，例如：芯片的損壞、短路、斷路、并路等問(wèn)題。隨著芯片布線精密的提高，芯片的內(nèi)部連線也越來(lái)越精準(zhǔn)，芯片之間的各元件連接都得到保障，連線誤差減小，芯片的單一的電源性對(duì)信號(hào)的接收能力增強(qiáng)，芯片的單層布線也得到同步提升，因此，芯片更好地此進(jìn)入了民用市場(chǎng)，芯片的普遍運(yùn)用，使得芯片產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)π酒睦靡膊粩嗉哟?。在芯片的基礎(chǔ)上，隨著新材料的投資運(yùn)用，未來(lái)的芯片制造將會(huì)得到更多的原材料作為基地進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，從而日漸滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)芯片的要求。

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