集成电路技术简介

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1、张长春 副教授,,集成电路技术简介,集成电路与微电子,内容,集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试,电子管vs.晶体管,最早的电子计算机 18000个电子管，1500个继电器，占地150m2,重30吨，耗电140kW,电子管vs.晶体管,分立vs 集成,第一个晶体管,John Bardeen,William Bradford Shockley,Walter Houser Brattain,第一个晶体管 1947年12月23日 贝尔实验室,1958年第一块集成电路：12个器件，Ge晶片,Kilby, TI公司 2000年诺

2、贝尔物理奖,第一块集成电路,摩尔定律,IC上可容纳的晶体管数目，约每 18 个月便会增加一倍，性能也提升一倍,微米时代 3um-2um-1.2um- 亚微米时代 0.8um-0.5um- 深亚微米时代 0.35um-0.25um-0.18um-0.13um- 纳米时代 90nm -65nm-45nm- 32nm,集成电路的尺寸,USB闪存,汽车电子,音响设备,DVD 播放器,手机电视,游戏机,视频电话,流媒体,高清影像,各种IC相关产品无处不在,3C概念,集成电路市场按整机应用划分，可分为 计算机类、消费类、通信类等不同类别。这三类占了整个市场的78%。,集成电路市场产品构成,内容,集成电路的

3、出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试,产业链,整机系统提出应用需求,集成电路设计,计算机与网络、通信（有线、无线、光通信、卫星通信） 数字音视频（电视机、视盘机DVD、MP3播放器、音响） IC卡（身份认证）与电子标签、汽车电子、生物电子、工业自动化 ,EDA工具、服务器、个人计算机(PC)、工程技术人员,集成电路制造,厂房、动力、材料（硅片、化合物半导体材料）、专用设备、仪器（光刻机、刻蚀机、注入机,集成电路封装,集成电路测试,划片机、粘片机、键合机、包封机、切筋打弯机、芯片、塑封料、引线框架、金丝,测试设备、测试程序、测试夹

4、具、测试探针卡、测试、分选、包装,集成电路应用,电脑及网络、通信及终端（手机） 、电视机、DVD、数码相机、其他,产业分工,产业分工,IC 产业主要由设计业、制造业、封测业组成,设计,封装测试,制造,除此之外，还有半导体材料、设备、设计软件工具等附加产业,集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率,Fabless & Foundry,无生产线（Fabless）：IC设计单位不拥有生产线。拥有设计人才和技术 代工（Foundry）：芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路

5、技术发展的一个重要特征。 流片：完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序地固化到芯片上的过程。,Fabless & Foundry,无生产线与代工（F & F）的关系图,Fabless & Foundry,Step1：代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（Pocess Design Kits)通过因特网传送给设计单位。 Step2：设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路与系统知识的基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称模拟）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成通常称之为G

6、DS-格式的版图文件。再通过因特网传送到代工单位。 Step3：代工单位根据设计单位提供的GDS-格式的版图数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。 Step4：在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片” Step5：设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。符合技术要求时，进入系统应用。从而完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。,Fabless & Foundry,Foundry业务地区分布,Fabless & Foundry,MPW：将几到几十种工艺上兼容的芯片

7、拼装到一个宏芯片上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上,MPW意义： 降低研制成本 MPW技术服务中心成为虚拟中心为无生产线IC和代工制造之间建立信息流和物流的多条公共渠道,多项目晶圆（MPW）计划,MPW技术降低成本,多项目晶圆（MPW）计划,MPW技术服务中心成为虚拟中心,多项目晶圆（MPW）计划,1956年五校在北大联合创建半导体专业； 1977年北京大学诞生第一块大规模集成电路； 1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组； 80年代：初步形成三业分离状态，制造业、设计业、封装业； 2001年：成立7个国家集成电路产业化基地 北京、上海、深圳、杭州、无锡、西安、成都,我国微电子

8、技术的发展,我国半导体产业主要集聚地区,我国IC制造骨干企业地区分布,我国微电子技术的发展,内容,集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试,集成电路的分类,数字集成电路 模拟集成电路 射频集成电路 微波/毫米波集成电路,定制 (Custom Design) 人工设计，设计周期长，高性能，高集成度 微处理器，模拟电路，IP核 标准单元 (Standard Cell) 预先设计好的标准单元，设计周期短，性能较好 专用电路 (ASIC) 可编程逻辑器件 (FPGA/PLD) 预先生产的芯片，设计周期最短，低研发成本 原形验证(P

9、rototyping)，可重构计算,根据电路类型：,根据设计方法：,集成电路设计方法的比较,全定制 标准单元 可编程逻辑器件,内容,集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试,模拟集成电路设计流程,模拟电路设计,晶体管级原理图设计,前仿真,布局布线(Layout),物理规则验证 (DRC: Design Rule Check),与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic),寄生参数提取 (PE: Parasitical Extraction),后仿真,GDSII文件,CMOS、双极(Bipola

10、r)、Bi-CMOS,数字集成电路设计流程,数字电路设计,Verilog/VHDL进行 行为级功能设计,行为级功能仿真,综合(Synthesis),门级verilog仿真,布局布线(LAYOUT),物理规则验证 (DRC: Design Rule Check),与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic),GDSII文件,CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor),数字集成电路设计流程,电路设计抽象级别,结构级,系统级,晶体管级,器件物理级,内容,集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计

11、集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试,集成电路材料,集成电路制造,集成电路制造,数字电路 数模混合电路 现代模拟电路,现代IC设计绝大多数采用CMOS工艺,集成电路制造,内容,集成电路的出现 集成电路的产业分工 集成电路的分类 集成电路的设计 集成电路制造 集成电路的封装 集成电路的测试,集成电路封装工艺流程,常用集成电路封装形式,常用集成电路封装发展,封装建模,利用场求解器对QFP封装建模示意,集成电路封装,多芯片组件（MCM）封装技术,多芯片封装是将两片以上的集成电路封装在一个腔体内的一种新技术，称之为MCM（Multi Chip Module）。,PBGA：,TOP VIEW,B

12、OTTOM VIEW,塑料封装工艺流程 以PBGA为例,PBGA的详细制程,贴片,烘烤,离子清除,打线接合,烘烤,植球,助焊剂清除,晶圆植入,晶圆切割,晶片黏结,封模,烘烤,印记,单颗化,包装及运送,Taping,Wafer Mount,Die Saw,Die Attach,Marking,Cure,Molding,Wire Bond,Plasma Cleaning,Cure,Cure,Ball Mount,Flux Clean,Singulation,Packing&Delivery,Singulation,Molding,Solder Ball Attach,Packaging Proce

13、ss,Sawing,Wire Bonding,Die,Die Attach,Wafer,Wire,Packing,Final Test,Solder Ball,Molding Compound,Wafer,切割,贴片,打线&打金线,塑模,贴锡球,单颗化,wafer,钢制框架,1. 晶圆的粘片与切割,Wafer Sawing,割刀,蓝色胶带,DI water 去离子水,* 刀片转速 : 30,00040,000 rpm Full Cutting(105%),* DI Water（去离子水的作用）： 洗去硅的残留碎片 电阻系数 : 1618 Mohm,水的冲洗速度 : 80100 mm/sec 切

14、割方法： : 单步切割（single) 分步切割 (step ) 斜角切割 (bevel),* 易产生的问题 : Die Crack （晶片破裂）,锯口宽度,Blade,绷片：经划片后仍粘贴在塑料薄膜上的圆片，如需要分离成单元功能芯片而又不许脱离塑料薄膜时，则可采用绷片机进行绷片，即把粘贴在薄膜上的圆片连同框架一起放在绷片机上用一个圆环顶住塑料薄膜，并用力把它绷开，粘在其上的圆片也就随之从划片槽处分裂成分离的芯片。这样就可将已经分离的但仍与塑料薄膜保持粘连的芯片连同框架一起送入自动装片机上进行芯片装片。现在装片机通常附带有绷片机构。 分片：当需人工装片时，则需要进行手工分片，即把已经经过划片的

15、圆片倒扣在丝绒布上，背面垫上一张滤纸，再用有机玻璃棒在其上面进行擀压，则圆片由于受到了压应力而沿着划片槽被分裂成分离的芯片。然后仔细地把圆片连同绒布和滤纸一齐反转过来，揭去绒布，芯片就正面朝上地排列在滤纸上，这时便可用真空气镊子将单个芯片取出，并存放在芯片分居盘中备用。,2、绷片和分片,在基板的表面形成与外界通信的薄膜型金属互连线,3、基板的金属化布线,把集成电路芯片核接到外壳底座(如多层陶瓷封装)或带有引线框架的封装基板上的指定位置，为丝状引线的连接提供条件的工艺，称之为装片。由于装片内涵多种工序，所以从工艺角度习惯上又称为粘片、烧结、芯片键合和装架。根据目前各种封装结构和技术要求，装片的方

16、法可归纳为导电胶粘接法、银浆或低温玻璃烧结法和低熔点合金的焊接法等几种，可根据产品的具体要求加以选择。,粘接剂,芯片,金属化布线,芯片,芯片,4、芯片装片,最早的办法是采用拉丝焊、合金焊和点焊。直到1964年集成电路才开始采用热压焊和超声焊。 集成电路的芯片与封装外壳的连接方式，目前可分为有引线控合结构和无引线键合结构两大类。有引线镀合结构就是我们通常所说的丝焊法，即用金丝或铝丝实行金金 键合，金铝银键合或铝铝键合。由于它们都是在一定压力下进行的焊接，所以又称键合为压焊。,5、引线键合,粘接剂,芯片,金属化布线,芯片,金丝,Wire Bonding,密封技术就是指在集成电路制作过程中经过组装和检验合格后对其实行最后封盖，以保证所封闭的空腔中能具有满意的气密性，并且用质谱仪或放射性气体