1、通信終端新技術第2講 集成電路的基本認識模塊二 集成電路技術2各種封裝好的集成電路集成電路芯片顯微照片目錄CONTENTS集成電路的概念與發(fā)展5集成電路的封裝技術集成電路的生產工藝過程典型元器件與集成電路通信終端技術與裝備010203046集成電路的概念與發(fā)展01集成電路（Integrated Circuit,簡稱IC）是20世紀60年代初期發(fā)展起來的一種新型半導體器件。把構成具有一定功能的電路所需的半導體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內的電子器件。集成電路特點集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優(yōu)點，同

2、時成本低，便于大規(guī)模生產。它不僅在工、民用電子設備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應用，同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。用集成電路來裝配電子設備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設備的穩(wěn)定工作 時間也可大大提高。集成電路發(fā)展1952年5月，英國科學家達默第一次提出了集成電路的設想。1958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾比為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路第一塊集成電路：TI公司的Kilby12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎1959年 美國仙童/飛兆公司（ Fairchilds）的R.Noicy 諾依斯開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術，從而

3、推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1959年仙童公司制造的IC 諾伊斯集成電路發(fā)展第一階段：1962年制造出集成了12個晶體管的小規(guī)模集成電路（SSI）芯片。第二階段：1966年制造出集成度為1001000個晶體管的中規(guī)模集成電路（MSI）芯片。第三階段：19671973年，制造出集成度為1000100 000個晶體管的大規(guī)模集成電路（LSI）芯片。第四階段：1977年研制出在30mm2的硅晶片上集成了15萬個晶體管的超大規(guī)模集成電路（VLSI）芯片。第五階段：1993年制造出集成了1000萬個晶體管的16MB FLASH與256MB DRAM的特大規(guī)模集成電路（ULSI）芯片。第六階段：1994年制

4、造出集成了1億個晶體管的1GB DRAM巨大規(guī)模集成電路（GSI）芯片。集成電路發(fā)展IC在各個發(fā)展階段的主要特征數(shù)據(jù) 發(fā)展 階段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件數(shù)/芯片102-103103-105105-107107-108特征線寬(um)10-55-33-11柵氧化層厚度(nm)120-100100-4040-1515-10結深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面積(mm2)150Intel 公司第一代CPU4004電路規(guī)模：2300個晶體管生產工藝：10um最快速度：108KHzIntel 公司CPU38

5、6TM電路規(guī)模：275,000個晶體管生產工藝：1.5um最快速度：33MHzIntel 公司最新一代CPUPentium 4電路規(guī)模：4千2百萬個晶體管生產工藝：0.13um最快速度：2.4GHz摩爾定律： 集成電路的集成度每18個月就翻一番，特征尺寸每3年縮小1/2。戈登摩爾先生集成電路發(fā)展 1. 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定義為器件中最小線條寬度(對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度)描述集成電路工藝技術水平的三個技術指標減小特征尺寸是提高集成度、改進器件性能的關鍵。特征尺寸的減小主要取決于光刻技術的改

6、進。集成電路的特征尺寸向深亞微米發(fā)展，目前的規(guī)?；a是0.18m、0.13m工藝， Intel目前將大部分芯片生產制程轉換到0.09 m 。 2. 晶片直徑(Wafer Diameter) 為了提高集成度，可適當增大芯片面積。然而，芯片面積的增大導致每個圓片內包含的芯片數(shù)減少，從而使生產效率降低，成本高。采用更大直徑的晶片可解決這一問題。晶圓的尺寸增加，當前的主流晶圓的尺寸為8吋，正在向12吋晶圓邁進。下圖自左到右給出的是從2吋12吋按比例畫出的圓。由此，我們對晶圓尺寸的增加有一個直觀的印象。尺寸從2吋12吋成比例增加的晶圓3.DRAM 的容量 RAM (Random-Access Memo

7、ry)隨機存取存儲器 分為動態(tài)存儲器DRAM (Dynamic )和靜態(tài)存儲器SRAM(Static)20典型元器件與集成電路02按功能結構分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù)/模混合集成電路按制作工藝分類：半導體集成電路和膜集成電路。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。按導電類型不同分類：雙極型集成電路和單極型集成電路，他們都是數(shù)字集成電路。集成電路分類按集成度高低分類：SSIC 小規(guī)模集成電路(Small Scale Integrated circuits)MSIC 中規(guī)模集成電路(Medium Scale Integrated circuits)LSIC 大規(guī)模集成電路(Larg

8、e Scale Integrated circuits)VLSIC 超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integrated circuits)集成電路分類23電感24252627282930313233343536電容373839404142434445464748交流/直流49505152535455565758集成電路的生產工藝03集成電路設計與制造的主要流程框架設計芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試 系統(tǒng)需求集成電路芯片設計過程框架From 吉利久教授是功能要求行為設計（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化網(wǎng)表時序仿真布局布線版圖后仿真否是否否是Sing off設

9、計創(chuàng)意 + 仿真驗證集成電路的設計過程：集成電路制造工藝圖形轉換：將設計在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉移到半導體單晶片上摻雜：根據(jù)設計的需要，將各種雜質摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等制膜：制作各種材料的薄膜集成電路工藝圖形轉換：光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻刻蝕：干法刻蝕、濕法刻蝕摻雜：離子注入 退火擴散制膜：氧化：干氧氧化、濕氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸發(fā)、濺射芯片制造過程由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝 光刻 蝕硅片測試和封裝用掩膜版重復20-30次國外某集成電路工廠外景凈化廠房芯片制造凈化區(qū)域走廊Here in

10、 the Fab Two Photolithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers. 投影式光刻機Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and

11、SemiTool in 1995. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅片清洗裝置As we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became

12、 fully operational in January of 1996. 12英寸氧化擴散爐Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle. 12英寸氧化擴散爐裝片工序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧化擴散爐取片工序（已生長Si3N4）2,500 a

13、dditional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment

14、.PVD化學汽相沉積CVD化學汽相沉積CVD Accuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film m

15、easurement and mapping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 檢測工序Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One. Here you can see one of o

16、ur 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air systems feeding this fab (left picture), as well as one of our waste air scrubber units (right picture). Both are inside the building for easier maintenance, longer life and better control. 去離子水生產裝置離子注入檢查晶圓 80集成電路的封裝技術04封裝技術是一種將集成電路打包的技

17、術。是微電子器件的兩個基本組成部分之一： 微電子器件 ： 芯片（管芯）+ 封裝（外殼）封裝作用：電功能：傳遞芯片的電信號機械化學保護功能：保護芯片與引線散熱功能：散發(fā)芯片內產生的熱量防潮抗輻照防電磁干擾IC Package （IC的封裝形式）Package-封裝體：指芯片（Die）和不同類型的框架（L/F）和塑封料（EMC）形成的不同外形的封裝體。IC Package種類很多，可以按以下標準分類： 按封裝材料劃分為： 金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝 按照和PCB板連接方式分為： PTH封裝和SMT封裝 按照封裝外型可分為： SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等；Comp

18、any LogoIC Package （IC的封裝形式） 按封裝材料劃分為： 金屬封裝陶瓷封裝 塑料封裝金屬封裝主要用于軍工或航天技術，無商業(yè)化產品；陶瓷封裝優(yōu)于金屬封裝，也用于軍事產品，占少量商業(yè)化市場；塑料封裝用于消費電子，因為其成本低，工藝簡單，可靠性高而占有絕大部分的市場份額；Company LogoIC Package （IC的封裝形式） 按與PCB板的連接方式劃分為： PTHSMTPTH-Pin Through Hole, 通孔式；SMT-Surface Mount Technology，表面貼裝式。目前市面上大部分IC均采為SMT式的SMTCompany LogoIC Packa

19、ge （IC的封裝形式） 按封裝外型可分為： SOT 、QFN 、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP等； 決定封裝形式的兩個關鍵因素: 封裝效率。芯片面積/封裝面積，盡量接近1:1； 引腳數(shù)。引腳數(shù)越多，越高級，但是工藝難度也相應增加； 其中，CSP由于采用了Flip Chip技術和裸片封裝，達到了 芯片面積/封裝面積=1:1，為目前最高級的技術；封裝形式和工藝逐步高級和復雜Company LogoIC Package （IC的封裝形式） QFNQuad Flat No-lead Package 四方無引腳扁平封裝 SOICSmall Outline IC 小外形IC封裝 TSSOP

20、Thin Small Shrink Outline Package 薄小外形封裝 QFPQuad Flat Package 四方引腳扁平式封裝 BGABall Grid Array Package 球柵陣列式封裝 CSPChip Scale Package 芯片尺寸級封裝 Company Logo1BGA 球柵陣列封裝2CSP 芯片縮放式封裝3COB 板上芯片貼裝4COC 瓷質基板上芯片貼裝5MCM 多芯片模型貼裝6LCC 無引線片式載體7CFP 陶瓷扁平封裝8PQFP 塑料四邊引線封裝9SOJ 塑料J形線封裝10SOP 小外形外殼封裝11TQFP 扁平簿片方形封裝12TSOP 微型簿片式封裝

21、13CBGA 陶瓷焊球陣列封裝14CPGA 陶瓷針柵陣列封裝15CQFP 陶瓷四邊引線扁平16CERDIP 陶瓷熔封雙列17PBGA 塑料焊球陣列封裝18SSOP 窄間距小外型塑封19WLCSP 晶圓片級芯片規(guī)模封裝20FCOB 板上倒裝片IC Package Structure（IC結構圖）TOP VIEWSIDE VIEWLead Frame 引線框架Gold Wire 金 線Die Pad 芯片焊盤Epoxy 銀漿Mold Compound 環(huán)氧樹脂Company LogoRaw Material in Assembly(封裝原材料)【W(wǎng)afer】晶圓Company LogoRaw Ma

22、terial in Assembly(封裝原材料)【Lead Frame】引線框架提供電路連接和Die的固定作用；主要材料為銅，會在上面進行鍍銀、 NiPdAu等材料；L/F的制程有Etch和Stamp兩種；易氧化，存放于氮氣柜中，濕度小 于40%RH;除了BGA和CSP外，其他Package都會采用Lead Frame， BGA采用的是Substrate；Company LogoRaw Material in Assembly(封裝原材料)【Gold Wire】焊接金線實現(xiàn)芯片和外部引線框架的電性和物 理連接；金線采用的是99.99%的高純度金；同時，出于成本考慮，目前有采用銅 線和鋁線工藝

23、的。優(yōu)點是成本降低， 同時工藝難度加大，良率降低；線徑決定可傳導的電流；0.8mil， 1.0mil，1.3mils，1.5mils和2.0mils；Company LogoRaw Material in Assembly(封裝原材料)【Mold Compound】塑封料/環(huán)氧樹脂主要成分為：環(huán)氧樹脂及各種添加劑（固化劑，改性劑，脫 模劑，染色劑，阻燃劑等）；主要功能為：在熔融狀態(tài)下將Die和Lead Frame包裹起來， 提供物理和電氣保護，防止外界干擾；存放條件：零下5保存，常溫下需回溫24小時；Company LogoRaw Material in Assembly(封裝原材料)成分為環(huán)氧樹脂填充金屬粉末（Ag）；有三個作用：將Die固定在Die Pad上； 散熱作用，導電作用；-50以下存放，使用之前回溫24小時；【Epoxy】銀漿Company Logo1、直插式2、表面貼裝式3、芯片尺寸封裝直插式To封裝：DIP封裝DIP封裝特點：(1)適合PCB的穿孔安裝，操作方便；(2)比TO型封裝易于對PCB布線； (3)芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大；(4)外部引腳容易在芯片的插拔過程當中損壞，不太適用于高可靠性場合；(5)DIP封裝還有一個致命的缺陷，那就是它只適用于引腳