微系统技术介绍

微系统概述2Contents1、什么是微系统(MICROSYSTEMS)2、微系统相关技术基础2.1、微电子技术(MicroelectronicsTechnology)2.2、射频与无线电技术(RFandWirelessTechnologies)2.3、光学技术(OpticalTechnology)2.4、MEMS技术(MEMSTechnology)3、什么是微系统封装(MicroSystemPackaging)4、什么是微电子封装(MicroelectronicPackaging)5、微电子封装发展进程(Development)6、微系统封装技术的地位和作用(Role)7、微系统封装中的技术挑战(TheChallenge)12/31/2024231

WhatIsMICROSYSTEMS微系统是以微电子技术、射频与无线电技术、光学(或光电子学)技术、微机电系统(MEMS)等技术为核心，从系统工程的高度出发，通过封封、互连等精细加工技术，在框架、基板等载体上制造、装配、集成微小型化功能装置。我们所讨论的微系统大量应用于信息工程领域，因此微系统也可以称为信息工程微系统。这些微系统包括计算器、个人电脑、移动电话、视频产品等消费类电子产品，以及计算产品、通信产品、汽车、航空航天产品、医疗电子等信息类产品，当今人类活动与技术进步都与这些各种各样的集成多功能微小系统密切相关。12/31/202431

WhatIsMICROSYSTEMSLeveldemandedControlLogicCircuitActuatorParameterstobeControlledSensorAmicrosystemisdefinedasanintelligentminiaturizedsystemcomprisingsensing,processingand/oractuatingfunctions.Thesewouldnormallycombinetwoormoreofthefollowing:electrical,mechanical,optical,chemical,biological,magneticorotherproperties,integratedontoasingleormultichiphybrid.微系统构成Microsensorsdetectchangesintheparametertobecontrolled,electroniccontrollogicthenoperatesmicroactuatorsbasedoninformationfromthesensors,tobringtheparametertobecontrolledwithinthedesiredlimits.12/31/20244微系统的构成：一个完整的微系统由传感器模块、执行元件模块、信号处理模块、外部环境接口模块以及定位机构、支撑机构、工具等机械结构等部分构成。1

WhatIsMICROSYSTEMS微系统构成12/31/202451

WhatIsMICROSYSTEMS微系统构成12/31/202467微系统能迎来真正的蓬勃发展很大程度上归功于微电子技术的进步，因为超大规模集成电路的诞生为集成系统实现微型化提供了制造条件。对于微系统的关键技术-微制造技术来说，微电子工程中的微细加工技术只是一个重要的基础部分，并不是全部，这是由微系统与微电子电路结构方面的差异决定的。微系统可能包含一些可动构件以及传感器等，是光机电等多功能复杂系统高度集中的立体结构，而集成电路加工技术主要是平面二维的或浅表层，而且主要是对硅材料的加工。微系统与集成电路制造的关系1

WhatIsMICROSYSTEMS12/31/202478因此，微系统的整个制造过程，即芯片加工、集成组装、封装测试等要比集成电路制造过程复杂得多。微系统技术的发展已经使许多高速信息处理、大容量存储、超低功耗的电子产品成为现实，未来的微系统产品将覆盖人类生活的方方面面。ThedevelopmentofMicro-systemtechnologyhasmanyelectronicproductsbecomeareality，suchashigh-speedinformationprocessing,largecapacitystorage,ultra-lowpower,thefutureofmicro-systemproductswillcoverallaspectsofhumanlife.微系统与集成电路制造的关系（Cont.）1

WhatIsMICROSYSTEMS12/31/202489SmartWatchesTypical微系统产品1

WhatIsMICROSYSTEMS12/31/2024910MultimediaPersonalCommunicationTerminal1

WhatIsMICROSYSTEMSTypical微系统产品12/31/20241011MedicalSpinalCageVsadek1

WhatIsMICROSYSTEMSTypical微系统产品12/31/20241112Micro-robot1

WhatIsMICROSYSTEMSTypical微系统产品12/31/202412131、什么是微系统(MICROSYSTEMS)2、微系统相关技术基础2.1、微电子技术(MicroelectronicsTechnology)2.2、射频与无线电技术(RFandWirelessTechnologies)2.3、光学技术(OpticalTechnology)2.4、MEMS技术(MEMSTechnology)3、什么是微系统封装(MicroSystemPackaging)4、什么是微电子封装(MicroelectronicPackaging)5、微电子封装发展进程(Development)6、微系统封装技术的地位和作用(Role)7、微系统封装中的技术挑战(TheChallenge)Contents12/31/20241314MicrosystemsProductsAndRelatedTechnologiesRelations2

微系统相关技术基础12/31/2024142

微系统相关技术基础12/31/20241516定义：微电子技术是基于半导体材料采用微米级加工工艺制造微小

型化电子元器件和微型化电路的技术。微电子技术特点：技术渗透力强、附加价值高。微电子器件与电路由原材料加工到成为产品，附加价值大幅度增加。市场敏感、更新周期短。集成电路以集成度每三年增加四倍、特征尺寸每三年缩小1.414倍的摩尔定律发展。技术密集、信息含量大。微电子技术包括相关的设计、制造和封装技术，融合了材料、器件物理、计算机、光学、化学、真空、精密机械、理化分析等科学技术的最新成就。微电子技术2

微系统相关技术基础12/31/20241617射频与无线电技术射频和无线频段一般指10kHz-1000GHz，其技术发展可以追溯到1901年Marconi进行的无线电首次发送试验。无线传播的优点使人们彻底从电线电缆连接中解放出来，使得人们可以在任何地点、任何时候进行通信联系、信息操作。小型化、多功能、便携式、低成本射频装置成为无线通信推广应用的关键，也成为微系统技术应用的重要领域。同时，采用先进射频模件的汽车防撞系统、全球定位导航系统(GPS)等一大批非通信类新型微系统日益受到市场的青睐。2

微系统相关技术基础12/31/2024172

微系统相关技术基础射频与无线电技术RF/WirelessApplications1812/31/2024812/31/202419光学技术光学技术包括光信号的获取、处理、传输和显示，其中光电子技术是光学技术的重要部分。人类正步入以互联网链接、海量数据处理为代表的信息社会，为克服传统的信号传输手段越来越不能适应技术发展的瓶颈，光纤技术得到了飞速发展。现有光纤技术就可以在一根单模光纤上以10Tbit/s的速度传送信息；采用波分复用（WDM）技术，可以大幅度提高光信号传输的容量，并实现在同根光缆上传输不同波长（不同颜色）的光信号。预计到2010年，光纤光缆不仅在主干通信网络上得到应用，而且可能在城市网、社区网，甚至家庭接人上得到应用，这将大大改变人类的生活质量和生活方式。2

微系统相关技术基础19ThePotentialOfOpticalTechnologyDeveloping2

微系统相关技术基础光学技术12/31/20242012/31/202421微机电系统技术（MicroElectroMechanicalSystems）IntheUnitedStates,thetechnologyisknownasmicroElectroMechanicalsystems(MEMS);inEuropeitiscalledmicrosystemstechnology(MST).MEMSisaportfoliooftechniquesandprocessestodesignandcreateminiaturesystems;Itisaphysicalproductoftenspecializedanduniquetoafinalapplication-onecanseldombyagenericMEMSproductfromtheelectronicshop;MEMSisawayofmakingthings.Thesethingsmergethefunctionsofsensingandactuationwithcomputationandcommunicationtolocallycontrolphysicalparametersatthemicroscale.2

微系统相关技术基础2122微机电系统技术（MicroElectroMechanicalSystems）2

微系统相关技术基础MEMSisaclassofsystemsthatarephysicallysmall.Thesesystemshavebothelectricalandmechanicalcomponents.MEMSoriginallyusedmodifiedintegratedcircuit(computerchip)fabricationtechniquesandmaterialstocreatetheseverysmallmechanicaldevices.Todaytherearemanymorefabricationtechniquesandmaterialsavailable.SensorsandactuatorsarethetwomaincategoriesofMEMS.Sensorsarenon-invasivewhileactuatorsmodifytheenvironment.Microsensorsareusefulbecausetheirphysicalsizeallowsthemtobelessinvasive.Microactuatorsareusefulbecausetheamountofworktheyperformontheenvironmentissmallandthereforecanbeveryprecise.12/31/2024222

微系统相关技术基础2312/31/20242324微机电系统技术（MicroElectroMechanicalSystems）2

微系统相关技术基础SensorsandactuatorsarethetwomaincategoriesofMEMS.

Sensorsarenon-invasivewhileactuatorsmodifytheenvironment.Microsensorsareusefulbecausetheirphysicalsizeallowsthemtobelessinvasive.Microactuatorsareusefulbecausetheamountofworktheyperformontheenvironmentissmallandthereforecanbeveryprecise.12/31/20242425微机电系统技术-Sensors2

微系统相关技术基础Microsensorsmeasuretheenvironmentwithoutmodifyingit.Microsensorsareusefulbecausetheirsmallphysicalsizeallowsthemtobelessinvasiveandworkinsmallerareas.Sofar,microengineeringasamanufacturingtechnologyhasbeenappliedmostsuccessfullytosensors.Thepay-offintermsofminiaturization,improvedperformance,andreducedproductioncosthavetransformedthemarketinpressuresensorsinparticular.典型的传感器应用：Microphones

/Accelerometers/Vibrationanalyzers/Flowmeters/Gassensors/Radiationdetectors/Chemicalsensors/Ionsensors.12/31/20242512/31/202426微机电系统技术-Actuators2

微系统相关技术基础Actuationreferstotheactofeffectingortransmittingmechanicalmotion,forces,andworkbyadeviceonitssurroundingsinresponsetotheapplicationofabiasvoltageorcurrent.Microactuatorsinteractwiththeenvironment.Thefirstapplicationsthatwereidentifiedformicroengineeringweresensors.Thenotionofusingthesetechniquesforactuatorshasdevelopedfromthem.典型的传感器应用：Micropumps/Pressurepulseinkjetactuators/Thermalinkjets,etc.2627微机电系统技术应用（一）2

微系统相关技术基础MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等；已经制造出尖端直径为5

m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。12/31/20242712/31/202428CCDcamera:driversandoccupantsstatus rainsensor(humidity):windbrushactionInfraRed,ultrasound,lasersensor:obstacledetection,navigationicealert,twilight,radiation,humidity,rain,batterycharge,intrusion,engine/steeringtorqueetc.Temperatures:external/internal/treatedair,exhaust(recirculated)gases,fuel,oils,seats,tiresetc.

Pressuresensor(MAP,GASfromEGR,Barometric,Cylinders,ABSoil,Brakeoil,Engineoil,Gearoil)Speed/Positionsensor:engineRPM,Wheelspeed,SteeringspeedMassflow:engineintakeair,treatedair,fuelInertial:navigationPosition:accelerator,pedal,butterfly,crankshaft,camshaft,mirrors,seats,steering,wheelsInclination:bodytrimOdorsensor,CO,NOxsensor:autoairconditioningOxygensensorAir,damperAir,tireSideimpactAcceleration:engineoscillation,bodyvertical/horizontalacceleration,crashdetection-airbag,knockdetection,ABS,Steeringsystem,suspensionsystem2912/31/202493012/31/20243031微机电系统技术应用（二）2

微系统相关技术基础在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段；光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统。12/31/20243112/31/20243212/31/202433美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅15cm12/31/202434351、什么是微系统(MICROSYSTEMS)2、微系统相关技术基础2.1、微电子技术(MicroelectronicsTechnology)2.2、射频与无线电技术(RFandWirelessTechnologies)2.3、光学技术(OpticalTechnology)2.4、MEMS技术(MEMSTechnology)3、什么是微系统封装(MicroSystemPackaging)4、什么是微电子封装(MicroelectronicPackaging)5、微电子封装发展进程(Development)6、微系统封装技术的地位和作用(Role)7、微系统封装中的技术挑战(TheChallenge)Contents12/31/202435363

什么是微系统封装微系统封装技术是指将若干个功能芯片，辅以必要的配件和装配平台，按照系统最优的原则集成、组合、构建成应用产品的相关工程技术。微系统封装技术包括微电子封装技术、光电子封装技术、射频封装技术、MEMS封装技术和多功能系统集成封装等多个方面的封装技术。12/31/20243637微系统封装的分类从系统的角度看，微系统封装包括了芯片级封装(或称零级封装)、器件级封装(或称一级封装)、板级封装(或称二级封装，也称实装)、母板级封装或系统级封装(或称三级封装)等多个层面。3

什么是微系统封装12/31/20243738从技术角度看，微系统封装包括了基础芯片技术(即微电子芯片、光电子芯片、MEMS芯片、射频芯片等)、系统工程技术和系统封装技术三个方面的技术。“芯片”是各种功能元素，“系统”指的是所有目标产品，“封装”则把“芯片”和其他元件连接到系统基板上、形成目标产品。微系统封装的分类3

什么是微系统封装12/31/20243839TherelationshipbetweenthesystemandPackaginginMicro-chippackagingsystem3

什么是微系统封装微系统封装的分类12/31/20243940上图中芯片和封装交叠区域指的是将芯片进行器件级封装后得到的“封装好的器件”，计算机中的微处理器、大量的存储器等IC产品都是“封装好的器件”；封装和系统交叠区域通常不包含“大脑”(芯片或器件)、不具备控制与处理功能的板级系统，或称系统电路板部分；而芯片和系统的交叠区域称为亚产品，当今飞速发展的片上系统(即SOC)就属于这个范畴。这些亚产品往往具备部分系统功能，并且一般不含有复杂的封装成分。这些亚产品的设计主要是为了满足各种系统应用的需要，其性能指标主要由芯片的功能、集成度决定，而与封装与否没有直接的关系。微系统封装的分类3

什么是微系统封装12/31/202440411、什么是微系统(MICROSYSTEMS)2、微系统相关技术基础2.1、微电子技术(MicroelectronicsTechnology)2.2、射频与无线电技术(RFandWirelessTechnologies)2.3、光学技术(OpticalTechnology)2.4、MEMS技术(MEMSTechnology)3、什么是微系统封装(MicroSystemPackaging)4、什么是微电子封装(MicroelectronicPackaging)5、微电子封装发展进程(Development)6、微系统封装技术的地位和作用(Role)7、微系统封装中的技术挑战(TheChallenge)Contents12/31/202441424

什么是微电子封装微电子封装技术约占微系统封装90%的市场份额微电子封装技术是微系统封装技术的重要技术基础，其本身也是微电子系统技术的重要组成部分。微电子封装技术要求在最小影响微电子芯片电气性能的同时对这些芯片和元器件提供保护、供电、冷却，并提供与外部世界的电气与机械联系等。12/31/20244243TheThreeProcessOfElectronicsManufacturing

4

什么是微电子封装12/31/20244312/31/202444如上图所示，整个加工制造阶段可以大致分为三个过程，其中前两个过程属于半导体器件级的范畴，分别称为“前工程”和“后工程”。这里所谓的“前”、“后”是以硅圆片(wafer)切分成芯片((chip)为分界点。电子封装则是虚线方框内的两个加工过程，即器件级封装和系统级封装两个部分。4

什么是微电子封装4445前工程就是从整块硅圆片入手，经过多次重复的制膜、氧化、沉积、注人(掺杂扩散)和金属布线等工艺，包括照相制版和光刻等工序，制成电路或元器件，实现器件特性。后工程则是从硅圆片切分好的一个个芯片人手，进行装片、固定、键合连接、包封、引出接线端子和打标检查等工序，完成作为器件、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。电子工程的系统级封装技术包括实装技术和基板技术，是指将封装好的器件与基板连接固定，装配成完整的系统或电子机器设备，以确保整个系统综合性能的工程。在一些高密度封装工程中，也可以将未完成器件级封装的裸芯片直接安装到基板上。4

什么是微电子封装12/31/20244512/31/202446TheControlSummaryMicroelectronicPackagingTechnologyAtAllStagesOfProject4

什么是微电子封装46471、什么是微系统(MICROSYSTEMS)2、微系统相关技术基础2.1、微电子技术(MicroelectronicsTechnology)2.2、射频与无线电技术(RFandWirelessTechnologies)2.3、光学技术(OpticalTechnology)2.4、MEMS技术(MEMSTechnology)3、什么是微系统封装(MicroSystemPackaging)4、什么是微电子封装(MicroelectronicPackaging)5、微电子封装发展进程(Development)6、微系统封装技术的地位和作用(Role)7、微系统封装中的技术挑战(TheChallenge)Contents12/31/202447485微电子封装发展进程微电子封装技术的封装历史可分为三个主要阶段:第一阶段，在20世纪70年代前，以插装型封装为主。第二阶段，20世纪70年代后的表面安装类型的四边引线封装为主。第三阶段，在20世纪90年代以后，以面阵列封装形式为主。12/31/20244812/31/2024495微电子封装发展进程49501、什么是微系统(MICROSYSTEMS)2、微系统相关技术基础2.1、微电子技术(MicroelectronicsTechnology)2.2、射频与无线电技术(RFandWirelessTechnologies)2.3、光学技术(OpticalTechnology)2.4、MEMS技术(MEMSTechnology)3、什么是微系统封装(MicroSystemPackaging)4、什么是微电子封装(MicroelectronicPa