第一章 电子制造概述

1、电子制造技术基础电子制造技术基础 第一章 电子制造概述 第一节 电子制造的基本概念 第二节 集成电路封装技术的概述 1、封装的概念 2、封装的作用 3、封装技术 4、封装技术的演变 第三节 电子制造技术回顾 第一节第一节 电子制造的基本概念电子制造的基本概念 第一章 电子制造概述 广义的电子制造也包括电子产品从市 场分析、经营决策、工程设计、加工 装配、质量控制、销售运输直至售后 服务的全过程。 狭义的电子制造，是指电子产品从硅 片开始到产品系统的物理实现过程。 本课程讲述的主要内容属于狭义的电 子制造。 第一章 电子制造概述 单晶硅片晶片元器件板卡产品系统 半导体 工艺 引线键 合TAP 倒

2、装芯 片 通孔安 装 表面安 装 接插、 导线连 接等 前道工序后道工序 电子封装 电子封装是指从电路设计的完成开始， 根据电路图，将裸芯片、陶瓷、金属、 有机物等物质制造成芯片、元件、板卡、 电路板，最终组装成电子产品的整个过程。 第一章 电子制造概述 单晶硅片晶片元器件板卡产品系统 半导体 工艺 引线键 合TAP 倒装芯 片 通孔安 装 表面安 装 接插、 导线连 接等 前道工序后道工序 电子封装 半导体制造 半导体制造是指利用微细加工技术将各单元元器件按 一定的规律制作在一块微小的半导体片上进而形成半 导体芯片的过程，也称为集成电路制造。 第一章 电子制造概述 前道工序：是从整块硅圆片入

3、手，经过多次重 复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻 等工序，制成三极管、集成电路等半导体元件 及电极等，开发材料的电子功能，以实现所要 求的元器件特性。 后道工序：是从由硅圆片切分好的一个一个的 小晶片入手，进行封装、固定、键合连接、塑 料灌封、引出接线端子、检查、打标、等工序， 制作成器件、部件的封装体，以确保元器件的 可靠性并便于与外电路连接。 电子封装主要是在后道工序中完成。 第一章 电子制造概述 第二节 集成电路封装技术的概述 1 1、封装的概念、封装的概念 2 2、封装的作用、封装的作用 3 3、封装技术、封装技术 4 4、封装技术的演变、封装技术的演变 第一章 电子制造概述

4、电子封装是集成电路芯片生产完成后不可缺 少的一道工序，是器件到系统的桥梁。封装这一 生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大 的影响。 封装所涉及的领域广，它需要从材料到工艺、 从无机到聚合物、从大型生产设备到计算力学等 等许许多多似乎毫不关连的专家的协同努力，是 一门综合性非常强的新型高科技学科。 电子封装 第一章 电子制造概述 1 1、封装的概念、封装的概念 狭义定义：集成电路芯片封装（Packaging,PKG）是 指利用膜技术及微细加工技术，将芯片及其他要素在 框架或基板上布置、粘贴固定及连接，引出接线端子 并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构 的工艺。 广义定义：还包括指

5、封装工程：即将封装体与基板连 接固定，装配成完整的系统或电子设备，并确保整个 系统综合性能的工程。 电子封装工程：指将基板技术、芯片封装体、分立 元件等要素，（按电子设备整机要求）连接和装配 成整机装置或电子设备，并实现电子物理功能的工 程。 第一章 电子制造概述 2 2、封装所实现的功能、封装所实现的功能 封装的目的：保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提 供一个良好的工作条件，以使集成电路具有稳定、正常的功能。 水汽、杂质、 化学物质等 对封装功能大体要求？ 良好的电气性能 封装实现的功能： 1、传递电能，如电源电压的分配和导通。 2、传递电路信号，如将延迟尽可能减小。 3、提供散热途

6、径；4、结构保护与支持。 散热性能， 化学的稳定性一定的机械强度 第一章 电子制造概述 意意 义义 有人将集成电路芯片与各种电路元器件比 作人类的头脑与身体内部的各种器官，而芯片 封装就像是将器官组合成的肌肉骨架，支撑和 保护整个个体；封装的连线像是血管神经，为 整个结构提供电源电压与电路信号传递的路径。 总之：封装是IC到系统的桥梁，控制着 微小系统的尺寸、性能、成本、可靠性。 对封装另外要注意的因素： 1、成本，性价比；尺寸，大小，重量 2、外形与结构； 3、可靠性；机械冲击、温度变化、运输的加速度、使用环境 4、性能 第一章 电子制造概述 技术的层次（共4层）： Level 0：芯片上元

7、器件间的连线工艺 Level 1：又称芯片层次的封装（Chip Level Packaging）, 芯片与封装基板或引脚架之间的封装称为模块工艺； Level 2：将若干个模块与其他电子元器件组成一个电路 卡（Card）的工艺； Level 3：将若干个Card组合在一个主电路板（Board）上， 形成一个部件或者子系统的工艺； 3、封装技术 第一章 电子制造概述 硅片 Level 0 晶片级互连 Level 1 Level 2Level 1 多晶片互 连 Level 3 Level 3 第一章 电子制造概述 传统的封装 第一章 电子制造概述 BGA(球状阵列) 第一章 电子制造概述 PGA（

8、针栅阵列） 第一章 电子制造概述 芯片封装使用的材料芯片封装使用的材料 导热：金属材料 基板：陶瓷、玻璃 密封：高分子、陶瓷 第一章 电子制造概述 90年代: PGA（Pin Grid Array）针栅阵列封装、 BGA（Ball Grid Array）球栅阵列封装、 BGA =CSP（Chip Size Package）芯片尺寸封装 60年代：TO（Transistor Outline） 70年代：DIP 80年代： LCCC（Leadless Ceramic Chip Carrier）无引线陶瓷芯片载 体 PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）塑料短引线芯片载体

9、 SOP、QFP、PQFP（ Plastic Quad Flat Packages） SMT（Surface Mount Package）表面贴装技术 芯片封装的演变芯片封装的演变 第一章 电子制造概述 21世纪以SiP（System-in-Package）系统封 装为代表： MEMS（微电子机械系统封装） 3D-系统封装 SiP-BGA. 芯片封装的演变芯片封装的演变 第一章 电子制造概述 芯片封装的演变图芯片封装的演变图 第一章 电子制造概述 集成电路发展的主要表现集成电路发展的主要表现 1、芯片尺寸越来越大。2、工作频率越来越高。 3、发热量日趋最大。 4、引脚越来越多。 对封装技术的要

10、求： 1、小型化。 2、能适应高发热。 3、集成度提高，并适应大芯片要求。4、高密度化。 5、能适应多引脚。 6、能适应高温环境。 7、具高可靠性。 8、考虑环保要求。 电子制造技术的回顾电子制造技术的回顾 第一章 电子制造概述 现今，以硅为原料的电子组件产值，已经 超过以钢为原料的器物产值，人类的历史 已经正式进入了一个新的时代，也就是硅 的时代。 下面来简单回顾一下电子制造技术的发展 历程。 电子管的发明电子管的发明 第一章 电子制造概述 1941年首个电子管问世。 第一章 电子制造概述 电子管收音机普遍使用五六个电子管，输 出功率只有1瓦左右，而耗电却要四五十瓦， 功能也很有限打开电源开

11、关，要等1分多 钟才会慢慢地响起来。 电子管的问世推动了无线电电子学的蓬勃 发展，但是不可否认的是，电子管十分笨 重，能耗大、寿命短，其制造工艺也十分 复杂。 世界上第一台电子管计算机-ENIAC，使用17,468只电子管 第一章 电子制造概述 第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴 露无遗：处理高频信号的效果不理想，移 动式军用设备上使用的电子管不仅笨拙而 且易出故障。因此，电子管问世不久，由 于其本身固有的弱点和战争的迫切需要， 促使人们努力寻找替代电子管的新型电子 器件。 晶体管的发明晶体管的发明 第一章 电子制造概述 1946年，美国贝尔实验室决定开展半导体的研 究。 半导体研究项目是由

12、肖克莱提议的，他认为贝 尔实验室应该加强固体物理学的基础研究。 肖克莱授命组建半导体研究小组，成员有布拉 顿、巴丁以及其他科学家。肖克莱专长于理论 研究，巴丁是运用基础理论解决实际问题的大 师，而布拉顿则是善于巧妙地进行各种实验的 能手。研究小组选中硅、锗这类半导体作为研 究对象，探索一种能克服电子管缺陷并起到放 大作用的电子器件。 第一章 电子制造概述 晶体管的发明成为人类微电子革命的先 声 晶体管的发明奠定了现代电子技术的基础， 揭开了微电子技术和信息化的序幕，开创 了人类的硅文明时代，由它引起的技术革 命对社会产生的巨大推动作用和深远的影 响在历史上是屈指可数的。 1947年发明的世界上

13、第一只点接触型晶体管 第一章 电子制造概述 由于这一贡献, 巴丁和肖克莱、布拉顿一 起获得了1956年度诺贝尔物理学奖。 肖克莱（中间坐者）、约翰巴丁（左）、布拉顿（右） 晶体管相对于电子管而言的优越性：晶体管相对于电子管而言的优越性： 第一章 电子制造概述 1、可靠性高、寿命长。晶体管是用半导体 制成的，可靠性高，并且平均寿命一般比 电子管长 100倍到1000倍，而电子管容易 老化。此外耐冲击、耐振动，不易损坏。 2、功耗低，至少比电子管的功耗小一个数 量级。一台晶体管收音机只要几节干电池 就可以听半年一年，而这对于电子管收音 机来说，是难以做到的。此外晶体管发热 量小，可以显著降低电子设

14、备的发热量， 减轻电子设备散热冷却的要求。 第一章 电子制造概述 3、体积小，重量轻，装配密度高。晶体管 体积只有电子管的十分之一到百分之一， 其装配密度比电子管的高1-2个数量级，从 而使电子设备小型化。 4、晶体管不需预热，一开机就工作。而电 子管工作前需要预热，加热灯丝以产生自 由电子后才能工作。所以晶体管收音机一 开机就响，而电子管收音机开机后，得等 一会儿才听得到声音。 第一章 电子制造概述 5、适于批量生产，降低生产成本，且易于 实现装配机械化和自动化。 正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞 生之后，便被广泛地应用于工农业生产、 国防建设以及人们日常生活中。1953年， 首批电池式

15、晶体管收音机投放市场，便引 起了一个消费热潮。 第一章 电子制造概述 从电子管到晶体管 第一章 电子制造概述 第一台晶体管计算机TRADIC 集成电路出现的背景集成电路出现的背景 第一章 电子制造概述 晶体管的发明使电子设备体积缩小，耗电 减少，可靠性提高。然而随着电子工业的 迅速发展，晶体管依然满足不了需求，以 计算机为例，IBM公司1955年推出了608计 算机，是世界上第一个投入商用的晶体管 计算机，里面使用了3000多个锗晶体管， 重量达2400磅（约1090kg）。 第一章 电子制造概述 IBM 608 集成电路的发明集成电路的发明 第一章 电子制造概述 1952年，英国雷达研究所的

16、科学家达默在 一次会议上提出：可以把电子线路中的分 立元器件，集中制作在一块半导体晶片上， 一小块晶片就是一个完整电路，这样一来， 电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大 幅提高。这就是初期集成电路的构想。 1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发 明了半导体生产的扩散工艺，这样就为发 明集成电路提供了工艺技术基础。 第一章 电子制造概述 1958年9月，美国德州仪器公司的青年工程 师杰克基尔比（Jack Kilby），成功地将包 括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起， 基于锗材料制作了一个叫做相移振荡器的 简易集成电路，并于1959年2月申请了小型 化的电子电路（Miniaturized El

17、ectronic Circuit）专利（专利号为No.31838743，批 准时间为1964年6月26日），这就是世界上 第一块锗集成电路。 第一章 电子制造概述 1958年杰克基尔比发明的世界上第一块基于锗的集成电路 第一章 电子制造概述 1959年罗伯特诺伊斯发明的基于硅的集成电路 第一章 电子制造概述 2000年，集成电路问世42年以后，人们终 于了解到它给社会带来的巨大影响和推动 作用，基尔比因集成电路的发明被授予了 诺贝尔物理学奖（诺伊斯在1990年因病去 世，而无缘诺贝尔奖）。诺贝尔奖评审委 员会曾经这样评价基尔比：“为现代信息 技术奠定了基础”。 第一章 电子制造概述 2000年

18、12月基尔比获诺贝尔物理学奖 集成电路工艺的发展集成电路工艺的发展 第一章 电子制造概述 集成电路飞速发展的一个很重要的原因就 是制造工艺一直以惊人的速度在发展。特 征尺寸和晶圆片的尺寸是衡量集成电路工 艺水平的关键指标。 特征尺寸通常指集成电路中半导体器件的 最小尺度，如MOS晶体管的栅极长度。 它是衡量集成电路制造和设计水平的重要 尺度。特征尺寸越小，芯片的集成度越高、 速度越快、性能越好。 集成电路特征尺寸的发展： 第一章 电子制造概述 早在1971年，Intel推出第一款CPU 4004， 采用10微米工艺，集成了2300个晶体管； 1993年推出的奔腾处理器芯片特征尺寸就 已降到0.

19、8微米，集成度为310万； 1995年Intel更进一步，奔腾pro处理器特征 尺寸已达到0.6微米，集成度为550万； 1997年的奔腾二代CPU特征尺寸为0.35微米， 集成度已达750万； 第一章 电子制造概述 2002年 Intel引入90纳米工艺，同年 德州仪 器开始采用90纳米 CMOS工艺； 2004年德州仪器发布65纳米工艺； 2007年英特尔45纳米 CPU进入规模量产。 2008年上市的Intel酷睿2 Quad CPU，特征 尺寸为45纳米，集成度达8.2亿。 目前I5、I7 ，特征尺寸为32纳米，22nm 第一章 电子制造概述 近十年微处理器工艺发展 第一章 电子制造概

20、述 1971年，Intel 4004 CPU，时钟频率为08kHz，特征 尺寸为10微米，集成2300个晶体管 第一章 电子制造概述 1972年，Intel 8008微处理器，时钟频率为 200kHz，特征尺寸为10微米，集成3500个晶体管 1974年，Intel 推出的8080微处理器， 特征尺寸为6微米，集成6000个晶体管 第一章 电子制造概述 1974年，Intel 8080微处理器，时钟频率为2MHz 1978年，Intel 推出的8086微处理器， 第一章 电子制造概述 1978年，Intel 8086微处理器，时钟频率为 10MHz，特征尺寸为3微米，集成2.9万个晶体管 第一

21、章 电子制造概述 1982年，Intel 80286微处理器，时钟频率为12MHz， 特征尺寸为1.5微米，集成13.4万个晶体管 第一章 电子制造概述 1985年，Intel 80386微处理器，时钟频率为33MHz， 特征尺寸为1.5微米，集成27.5万个晶体管 1989年，Intel 推出的80486微处理器，特征尺寸 为1微米，集成120万个晶体管 1989年，Intel 80486微处理器，时钟频率为50MHz， 特征尺寸为1微米，集成120万个晶体管 第一章 电子制造概述 1993年，Intel 奔腾微处理器，时钟频率为66MHz， 特征尺寸为0.8微米，集成310万个晶体管 第一

22、章 电子制造概述 1995年，Intel 奔腾 Pro微处理器，时钟频率为200MHz， 特征尺寸为0.6微米，集成550万个晶体管 第一章 电子制造概述 1997年，Intel 奔腾II微处理器，时钟频率为300MHz， 特征尺寸为0.35微米，集成750万个晶体管 第一章 电子制造概述 1998年，Intel 奔腾 II Xexon微处理器，时钟频率 为450MHz，特征尺寸为0.25微米，集成750万个晶体管 第一章 电子制造概述 1999年，Intel 奔腾III微处理器，时钟频率为500MHz， 特征尺寸为0.18微米，集成2800万个晶体管 第一章 电子制造概述 2000年，Int

23、el 奔腾4微处理器，时钟频率为1.4GHz， 特征尺寸为0.18微米，集成4200万个晶体管晶体管 第一章 电子制造概述 2008年上市的Intel酷睿2 Quad CPU，时钟频率为2.83GHz， 特征尺寸为45纳米，晶体管数量已达8.2亿个 IC界的黄金定律：摩尔定律 第一章 电子制造概述 1965年4月，仙童半导体公司的戈登摩尔 （Gorden Moore）在电子学杂志上发 表文章预言：集成电路芯片上集成的晶体 管数量将每年翻一番。 1975年，摩尔又在国际电信联盟的学术年 会上提交了一篇论文，根据当时的实际情 况把增长率修正为每两年翻一番。 第一章 电子制造概述 戈登摩尔（Gordon Moore） 第一章 电子制造概述 微处理器的发展 从PC的另外两个要素DRAM（动态随即 存储器