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倒装芯片通孔安装表面安装接插、导线连接等

2、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

3、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 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

4、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

5、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

6、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

7、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 1Level 2Level 1 多晶片互连Level 3Level 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（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 Si

8、ze Package）芯片尺寸封装60年代：TO（Transistor Outline）70年代：DIP80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

9、-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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、，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

15、 电子制造概述1952年，英国雷达研究所的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（Miniaturi

16、zed Electronic 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12月基尔比获诺贝尔

17、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0.8微米，集成度为310万；1995年Intel更进一

18、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 电子制造概述1971年，Intel 4004 CPU，时钟频率为08kHz，特征尺寸为10微

19、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2MHz1978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1

20、3.4万个晶体管第一章 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

21、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，Intel 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