大规模集成电路-

大规模集成电路张俊LSI设计流程2需求需求分析需求规格系统设计系统体系结构设计系统规格软件规格硬件规格软件设计C功能设计RTL逻辑设计GATE版图设计可测性设计GDSTESTPattern制造、测试、封装regreg+reg半导体产业链3目前微电子产业已逐渐演变为设计，制造和封装三个相对独立的产业。本讲的内容41晶圆制造2掩膜制造3晶圆加工4芯片封装

第十二讲芯片制造与封装长晶5“切克劳斯基法”生长单晶硅◆“切克劳斯基法”:将一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融硅中，然后在旋转籽晶的同时缓慢地把其从熔融硅中拉起。结果，就形成圆柱形的大单晶棒。◆液态物质降温到凝固点以下，有些原子/分子会趋于固体结构的排列，形成较小的核心（晶粒），控制晶粒取向，可得到单晶结构的半导体。硅融化、提纯6晶棒78英寸晶片的晶棒重达200kg，需要3天时间来生长切割8切下的晶圆要经过清洁、磨光等步骤以去除杂质，使平面光滑。本讲的内容91晶圆制造2掩膜制造3晶圆加工4芯片封装

第十二讲芯片制造与封装光刻工艺11掩膜制作12◆特殊的石英玻璃上，涂敷一层能吸收紫外线的鉻层（氧化鉻或氧化铁），再用光刻法制造◆光刻主要步骤涂胶曝光显影显影蚀刻数据转换图形产生光阻显影去除光阻尺寸测量初始清洗缺陷检测缺陷补偿再次清洗加附蒙版最后检查本讲的内容131晶圆制造2掩膜制造3晶圆加工4芯片封装

第十二讲芯片制造与封装晶圆加工14沉积（薄膜形成）加工（蚀刻/掺杂）光刻沉积（Deposition）15◆CVD：-制作晶片的第一步是在晶圆上沉积一层不导电的二氧化硅。在晶片的后续制作过程中，二氧化硅层的成长、沉积会进行很多次。

-在高温下使晶圆曝氧可以使二氧化硅层成长。然后使用化学气相沉积方法使二氧化硅层沉积在晶圆表面。◆

热氧化法◆PVD法（物理气相沉积法）光刻（Photolithography）16Si-substrate(a)SiliconbasematerialSi-substrate(c)StepperexposureUV-lightPatternedopticalmaskExposedresist(b)AfteroxidationanddepositionofnegativephotoresistPhotoresistSiO2Si-substrateSiO2Si-substrate(d)Afterdevelopmentandetchingofresist,chemicalorplasmaetchofSiO2HardenedresistChemicalorplasmaetch加工（蚀刻/掺杂）17Si-substrateSiO2Si-substrateSiO2HardenedresistSi-substrateSiO2Hardenedresist蚀刻（Etching）掺杂Si-substrateSiO2掺杂（扩散）18◆扩散原理杂质原子在高温（1000-1200度）下从硅晶片表面的高浓度区向衬底内部的低浓度区逐渐扩散。扩散浓度与温度有关：（1000-1200度扩散快）扩散19◆扩散分类及设备：按照杂质在室温下的形态分为：液态源扩散、气态源扩散、固态源扩散电路连线20进行电连接。导电金属（铝或铜）在晶圆表面沉积。使用光刻和蚀刻制程去除没有用的金属。现在复杂的晶片都需要很多层绝缘体。一个正常运作的晶片需要连接数以百万计的传导线路，包括层上水平连接和各层之间的垂直连接。多层21加工后的晶圆22晶圆测试、切割23测试24有40000针脚的12英寸晶圆探针卡切割25本讲的内容261晶圆制造2掩膜制造3晶圆加工4芯片封装

第十二讲芯片制造与封装封装27封装形式28Package--封装体：指芯片（Die）和不同类型的框架（L/F）和塑封料（EMC）形成的不同外形的封装体。ICPackage种类很多，可以按以下标准分类：◆按封装材料划分为：金属封装、陶瓷封装、塑料封装◆按照和PCB板连接方式分为：PTH封装和SMT封装◆按照封装外型可分为：SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等；封装形式29◆按封装材料划分为：

金属封装主要用于军工或航天技术，无商业化产品；陶瓷封装优于金属封装，也用于军事产品，占少量商业化市场；塑料封装用于消费电子，因为其成本低，工艺简单，可靠性高而占有绝大部分的市场份额；金属封装陶瓷封装塑料封装封装形式30◆按与PCB板的连接方式划分为：

PTHPTH-PinThroughHole,通孔式；SMT-SurfaceMountTechnology，表面贴装式。目前市面上大部分IC均采为SMT式的SMT封装形式31◆按封装外型可分为：DIP、SOT、QFN、SOIC、TSSOP、QFP、PGA、BGA、CSP等；◆决定封装形式的两个关键因素:封装效率。芯片面积/封装面积，尽量接近1:1；引脚数。引脚数越多，越高级，但是工艺难度也相应增加；其中，CSP由于采用了FlipChip技术和裸片封装，达到了芯片面积/封装面积接近1:1，为目前最高级的技术；DIP（Dual-inlinePackage)32双列直插式或封装双入线封装，DRAM或小规模集成电路的封装形式。QFP-（QuadFlatPackage）33方型扁平式封装PGA(PinGridArray)34阵列引脚封装PGA(PinGridArray)35PGA(PinGridArray)36BGA-BallGridArray37球栅阵列式封装Ball38引线框架（ReadFrame）39提供电路连接和Die的固定作用；主要材料为铜，会在上面进行镀银、

NiPdAu等材料；L/F的制程有Etch和Stamp两种；易氧化，存放于氮气柜中，湿度小于40%RH;除了BGA和CSP外，其他Package都会采用ReadFrame，BGA采用的是Substrate；焊接金线（GoldWire）40实现芯片和外部引线框架的电性和物理连接；金线采用的是99.99%的高纯度金；同时，出于成本考虑，目前有采用铜线和铝线工艺的。优点是成本降低，同时工艺难度加大，良率降低；线径决定可传导的电流；0.8mils，1.0mils，1.3mils，1.5mils和2.0mils；Multi-ChipModules41MCM42IBMPower5CPUusingMCM-Ctechnologyasa95x95mmmodule封装流程43FOL/前段EOL/中段Plating/电镀EOL/后段FinalTest/测试44BackGrinding磨片WaferWaferMount晶圆安装WaferSaw晶圆切割WaferWash晶圆清洗DieAttach芯片粘接EpoxyCure银浆固化WireBond引线焊接2ndOptical第二道光检3rdOptical第三道光检EOLFOL–FrontofLine前段工艺引线焊接（WireBonding）45陶瓷劈刀Capillary内穿金线，并且在打火杆EFO的作用下，高温烧球；金线在Cap施加的一定压力作用下，形成BondBall；金线在Cap施加的一定压力作用下，形成Wedge；引线焊接（WireBonding）46EFO打火杆在磁嘴前烧球Cap下降到芯片的Pad上，加Force和Power形成第一焊点Cap牵引金线上升Cap运动轨迹形成良好的WireLoopCap下降到LeadFrame形成焊接Cap侧向划开，将金线切断，形成鱼尾Cap上提，完成一次动作47EOL–EndofLine后段工艺Molding注塑EOLLaserMark激光打字PMC高温固化De-flash/Plating去溢料/电镀Trim/Form切筋/成型4thOptical第四道光检Note：JustForTSSOP/SOIC/QFPpackageAnnealing电镀退火注塑（Molding）48-L/F置于模具中，每个Die位于Cavity中，模具合模。-块状EMC放入模具孔中-高温下，EMC开始熔化，顺着轨道流向Cavity中-从底部开始，逐渐覆盖芯片-完全覆盖包裹完毕，成型固化注塑（Molding）49为了防止外部环境的冲击，利用EMC

把WireBonding完成后的产品封装起

来的过程，并需要加热硬化。BeforeMoldingAfterMolding激光打字（LaserMark）50在产品（Package）的正面或者背面激光刻字。内容有：产品名称，生产日期，生产批次等；BeforeAfter模后固化51用于Molding后塑封料的固化，保护IC内部结构，消除内部应力。

CureTemp：175+/-5°C；CureTime：8HrsESPECOven4hrs去溢料52BeforeAfter目的：De-flash的目的在于去除Molding后在管体周围Lead之间

多余的溢料；

方法：弱酸浸泡，高压水冲洗；电镀（Plating）53BeforePlatingAfterPlating◆利用金属和化学的方法，在Leadframe的表面镀上一层镀层，以防止外界环境的影响（潮湿和热）。并且使元器件在PCB板上容易焊接及提高导电性。◆电镀一般有两种类型：

Pb-Free：无铅电镀，采用的是>99.95%的高纯度的锡（Tin），为目前普遍采用的技术，符合Rohs的要求；

Tin-Lead：铅锡合金。Tin占85%，Lead占15%，由于不符合Rohs，目前基本被淘汰；电镀退火54目的：让无铅电镀后的产品在高温下烘烤一段时间，目的在于