微電子

1、生活應(yīng)用方面

隨著信息化時(shí)代的到來，在信息知識(shí)爆炸的年代，微電子技術(shù)下的產(chǎn)品影響著我們生活的方方面面，如我們?nèi)缃褡顬槌Ｓ玫耐ㄐ殴ぞ摺謾C(jī)，上下班坐公交車使用的IC卡，洗衣服用的全自動(dòng)洗衣機(jī)，做飯用的電飯煲，燒水用的電水壺，茶余飯后的欣賞電視節(jié)目。這些和我們生活息息相關(guān)的電子產(chǎn)品都采用了微電子技術(shù)處理而完成其功能性的發(fā)揮，給我們的生活帶來了便捷，帶來了高品質(zhì)的享受。對(duì)提高我們的生活質(zhì)量有著積極的影響。

2、工業(yè)制造應(yīng)用方面

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，給工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)帶來了良好的發(fā)展機(jī)遇。面對(duì)全球性工業(yè)革命的到來，傳統(tǒng)落后的工業(yè)生產(chǎn)制造模式難以滿足社會(huì)生產(chǎn)的需求。為了能夠快速地適應(yīng)新時(shí)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，目前許多的工業(yè)制造企業(yè)都積極地引進(jìn)微電子技術(shù)支持下的設(shè)備來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的精準(zhǔn)度，以此提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展。比如，在汽車制造行業(yè)，以微電子技術(shù)為支持的監(jiān)控系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)。通過微電子的融入研發(fā)了電子引擎監(jiān)控系統(tǒng)，有效地解決了引擎不容易控制的問題；將微電子技術(shù)融入汽車的監(jiān)控系統(tǒng)中，一旦汽車遭遇被盜情況，電子防盜系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)。

3、軍工產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面

微電子技術(shù)不僅在生活、工業(yè)等產(chǎn)業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，而且在軍工產(chǎn)業(yè)中也扮演著重要的角色。眾所周知，在信息化時(shí)代，現(xiàn)代軍事力量的強(qiáng)大與否主要體現(xiàn)在軍事裝備信息化程度的高低。如果一個(gè)國家軍事裝備中融入的現(xiàn)代微電子信息技術(shù)較多，就會(huì)在戰(zhàn)爭(zhēng)中取得先機(jī)。例如，依靠微電子技術(shù)通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制的無人戰(zhàn)斗機(jī)，就是很好應(yīng)用微電子技術(shù)的例子。此外，偵察機(jī)上的數(shù)字地圖裝置能夠?yàn)橐巴庥?xùn)練的士兵提供準(zhǔn)確的天氣、情報(bào)、敵軍位置以及周邊地形等準(zhǔn)確信息數(shù)據(jù)。通過無線計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)將搜集到的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心，為軍事方案的制定提供了重要的支持。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子在國防中的應(yīng)用深度也會(huì)越來越大，為確保國家安定奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1、BGA封裝技術(shù)

BGA封裝技術(shù)誕生于20世紀(jì)90年代，其中文全稱為焊球陣列封裝技術(shù)，由于已經(jīng)有了較長(zhǎng)的發(fā)展歷程，因而在目前的應(yīng)用實(shí)踐中有著較高的技術(shù)成熟度，通過球柱形焊點(diǎn)陣列進(jìn)行I/O端與基板的封裝是其主要的封裝原理。相較于其他常見微電子封裝技術(shù)，BGA封裝技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于陣列密度高、組裝成品率高。在塑料焊球陣列、陶瓷焊球陣列、金屬焊球陣列等多種BGA封裝技術(shù)中，裝芯片焊球陣列封裝將是未來BGA技術(shù)的主要發(fā)展方向。

2、3D封裝技術(shù)

3D封裝技術(shù)是伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而逐漸興起的，目前主要應(yīng)用于手持設(shè)備的高密度立體式組裝之中，是同時(shí)滿足多個(gè)芯片組立體式封裝需求的有效途徑。在現(xiàn)階段市面上常見的各種封裝技術(shù)中，3D封裝技術(shù)具備的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于功能性豐富、封裝密度高、電性能熱性能突出。

3、表面封裝技術(shù)

釬焊技術(shù)是目前使用最廣的一種微電子表面封裝技術(shù)，根據(jù)具體的銜接需要，將需要銜接的物體表面的電子元件與指定的焊盤進(jìn)行釬焊，使原件與焊盤之間產(chǎn)生電路功能是釬焊技術(shù)的主要封裝原理。此種焊接方式下，原件與焊盤的連接是極為可靠的；與此同時(shí)，軟釬焊技術(shù)所使用的釬焊，其內(nèi)包含的釬劑對(duì)于金屬表面雜質(zhì)的去除效果極佳，這對(duì)于焊接過程中釬料潤(rùn)滑度的增加是十分有利的，因而，相較于其他微電子封裝技術(shù)，釬焊技術(shù)的封裝速度明顯更快。

微電子技術(shù)是一門作用于半導(dǎo)體上的微小型集成電路系統(tǒng)的學(xué)科。微電子技術(shù)的關(guān)鍵在于研究集成電路的工作方式以及如何實(shí)際制造應(yīng)用。集成電路的發(fā)展依賴于半導(dǎo)體器件的不斷演化。微電子技術(shù)可在納米級(jí)超小的區(qū)域內(nèi)通過固體內(nèi)的微觀電子運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)信息的處理與傳遞，并且有著很好的集成性。

從本質(zhì)上來看，微電子技術(shù)的核心在于集成電路，它是在各類半導(dǎo)體器件不斷發(fā)展過程中所形成的。在信息化時(shí)代下，微電子技術(shù)對(duì)人類生產(chǎn)、生活都帶來了極大的影響。

與傳統(tǒng)電子技術(shù)相比，微電子技術(shù)具備一定特征，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

①微電子技術(shù)主要是通過在固體

內(nèi)的微觀電子運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)信息處理或信息加工。

②微電子

信號(hào)傳遞能夠在極小的尺度下進(jìn)行。

③微電子技術(shù)可將某個(gè)子系統(tǒng)或電子功能部件集成于芯片當(dāng)中，具有較高的集成性，也具有較為全面的功能性。

④微電子技術(shù)可在晶格級(jí)微區(qū)進(jìn)行工作。

1、工藝尺寸縮小，集成化程度提高

微電子技術(shù)發(fā)展，以其主要特點(diǎn)為契機(jī)，進(jìn)行不斷完善，不斷銼削工藝尺寸，集成化程度日益提高。工藝尺寸縮小的同時(shí)，集成化程度得到提高，集成規(guī)模不斷擴(kuò)大。工藝尺寸的縮小，接觸電阻、遷移率退化及可靠性等方面問題也將隨之而來。針對(duì)此問題，微電子技術(shù)通過超淺結(jié)技術(shù)使電阻降低，采用高遷移率材料預(yù)防遷移退化問題的出現(xiàn)。

2、積極應(yīng)用新材料

微電子技術(shù)選用以硅原料為主制成的芯片，該技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，新材料應(yīng)用比例大，從而為該技術(shù)穩(wěn)定、快速發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

3、廣泛應(yīng)用綠色微電子技術(shù)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求量不斷提高，但能源并非用之不盡的。微電子技術(shù)功耗問題，是該技術(shù)長(zhǎng)期以來一直存在的缺陷，隨著功耗的不斷提高，導(dǎo)致集成電路被損壞。所以，在未來微電子技術(shù)將實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)，也就是對(duì)功耗低的綠色集成電路加大研發(fā)力度。

一、物理規(guī)律限制

微電子技術(shù)的核心在于其集成電路芯片的制造，結(jié)合微電子技術(shù)的發(fā)展歷程來看，先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展都是在不斷的突破集成電路單個(gè)芯片元件的集成數(shù)量，現(xiàn)今，單個(gè)芯片上能夠集成近5億各電子元器件，該集成數(shù)量已經(jīng)超過特大集成規(guī)模的限制，但從物理規(guī)律角度來看，微電子技術(shù)的發(fā)展依然受到其自身客觀限制。在實(shí)際應(yīng)用中通?？梢酝ㄟ^對(duì)電子元器件尺寸的縮小來提升其IC性能，但電子元期間特征尺寸縮小的同時(shí)意味著其氧化層厚度和溝道長(zhǎng)度同樣縮小，這樣克服元器件的“穿通效應(yīng)”就變大人更加困難。例如，當(dāng)量子隧道穿透效應(yīng)增加時(shí)，電子元器件的靜態(tài)功耗會(huì)變大，當(dāng)靜態(tài)功耗值占比達(dá)到電路總功耗某一限值時(shí)，表明該狀態(tài)為晶體管縮小的極限值，但就現(xiàn)今的科技水平來看，依然無法跳出物理規(guī)律的限制。

二、材料限制

微電子技術(shù)一般常使用的材料為硅晶體，該材料由于其自身的特性在一定程度上阻礙了微電子技術(shù)的進(jìn)步?，F(xiàn)今，研究人員開始逐漸借助氧化物半導(dǎo)體材料和超導(dǎo)體材料替代常用的硅晶體材料，此外，使用碳納米管做成的晶體管更是為微電子技術(shù)的革新提供了新的思路。學(xué)者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究得出：新納米管電路中總輸出信號(hào)是大于輸入信號(hào)，該結(jié)論的得出也表明該納米管電路是具有一定的放大功能。目前，有一些學(xué)者提出借助塑料半導(dǎo)體技術(shù)來制備出不易破裂的集成電路，這也為微電子技術(shù)的發(fā)展提供了新方向。

三、工藝技術(shù)限制

1、光刻設(shè)備尺度問題。在微電子技術(shù)工藝中最為關(guān)鍵的設(shè)備為光刻機(jī)（曝光工具），此設(shè)備的制造過程復(fù)雜、成本高且其精密度要求較高，而設(shè)備分辨率以及焦深都會(huì)影響光刻技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)尺寸推進(jìn)至0.05um且停滯較長(zhǎng)時(shí)間后則會(huì)引起集成電路無法快速的進(jìn)入納米時(shí)代。

2、互連引線問題。集成電路板上面積過小或單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量的變多都會(huì)使得相互連線間橫截面積縮小，電阻變大，進(jìn)而造成整體電路=反應(yīng)時(shí)間的增加，從另一方面來說集成電路板尺寸的縮小雖然能夠提升晶體管的工作效率，但卻造成互聯(lián)引線的反映時(shí)間增加，所以，怎么在已有集成規(guī)模條件下將互聯(lián)引線進(jìn)行優(yōu)化是很多專家學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

3、可靠性問題。如前文所述，集成電路在逐漸向著精細(xì)加工與小規(guī)模元器件發(fā)展，但小規(guī)模元器件的使用雖然會(huì)提升整個(gè)電路系統(tǒng)運(yùn)行的效率但卻降低了電子元器件的使用壽命。尤其是在制造工藝方面出現(xiàn)的可靠性問題更是嚴(yán)重影響微電子技術(shù)的發(fā)展。

4、散熱問題。微電子技術(shù)在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的散熱問題主要是由封裝技術(shù)水平?jīng)Q定的，現(xiàn)今，隨著集成化朝著超規(guī)模方向的發(fā)展，在未來集成功能也必然越來越復(fù)雜，所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就需要對(duì)整體電路的總功耗以及封裝技術(shù)間的關(guān)系進(jìn)行衡量。

根據(jù)電原理圖或邏輯圖，運(yùn)用微電子技術(shù)和高密度組裝技術(shù)，將微電子器件和微小型元件組裝成適用的、可生產(chǎn)的電子硬件的技術(shù)過程。

微電子組裝是新一代電子組裝技術(shù)。它是一門新型的電路、工藝、結(jié)構(gòu)、元件、器件緊密結(jié)合的綜合性技術(shù)，涉及到集成電路固態(tài)技術(shù)、厚膜技術(shù)、薄膜技術(shù)、電路技術(shù)、互連技術(shù)、微電子焊接技術(shù)、高密度組裝技術(shù)、散熱技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)和可靠性技術(shù)等領(lǐng)域。

微電子組裝一方面盡可能減小芯片和元件、器件的安裝面積、互連線尺寸和長(zhǎng)度，以提高組裝密度和互連密度；另一方面則盡可能擴(kuò)大基板尺寸和布線層數(shù)，以容納盡可能多的電路器件,完成更多、更重要的功能,從而減少組裝層次和外連接點(diǎn)數(shù)。

微電子組裝高集成度的芯片

采用集成度高的芯片，如集成電路芯片、晶體管芯片、電阻芯片、電容芯片以及其他微型元件、器件（如小型封裝集成電路、晶體管），以取代常規(guī)的元件、器件等。改進(jìn)芯片安裝方法是縮小體積、提高組裝互連密度、提高可靠性的一項(xiàng)重要技

①　倒裝片法和線焊法：屬直接安裝法，安裝面積小，但芯片不能預(yù)測(cè)（老化篩選），影響混合電路或微電子組裝組件的合格率和可靠性。

②　芯片載體法：這是一種可預(yù)測(cè)的微小型芯片封裝型式，四邊和底部都引出焊區(qū)（或引線）,最多達(dá)300多個(gè)。載體有多種結(jié)構(gòu)型式（圖1）。帶有塔狀散熱器的有引線密封的載體和 4芯片的載體。密封陶瓷載體的可靠性高，應(yīng)用廣，其面積約為雙列直插式外殼的1/4～1/20（圖2）。

③　載帶法：一種供芯片安裝、互連、預(yù)測(cè)的特殊軟性印制線路，外形像電影膠卷。其特點(diǎn)是自動(dòng)化生產(chǎn)程度高?，F(xiàn)代采用的技術(shù)有載帶自動(dòng)焊接技術(shù)和凸點(diǎn)載帶自動(dòng)焊接技術(shù)。

微電子組裝微小型高密度互連

包括厚膜混合電路、薄膜混合電路、微波集成電路。

①　密封載體－多層細(xì)線基板組件是采用高密度互連和組裝技術(shù)的一種組件。這種組件的優(yōu)點(diǎn)是：可使用各種基板（如陶瓷基板、被釉鋼基板、印制線路板和酚醛紙板等）；敏感的芯片可封裝在密封載體中，組件不需要大封裝外殼,體積重量遠(yuǎn)小于混合電路;工藝性、可調(diào)試性、可維修性好；散熱性好；用氣相重熔焊技術(shù)可以在基板兩面都安裝載體，提高組裝密度。

②　多層陶瓷基板是現(xiàn)代用得最多的一種基板，絲網(wǎng)印刷厚膜導(dǎo)體線寬一般為0.1～0.2毫米，布線網(wǎng)格間距 0.25～0.5毫米。其制造方法有干法和濕法兩種。干法布線層數(shù)一般不超過10層，濕法布線層數(shù)可做到33層，但其制造工藝比干法復(fù)雜。在一塊基板上可組裝多達(dá)一百多個(gè)芯片（載體、載帶），其功能相當(dāng)于常規(guī)電子組裝的一個(gè)分機(jī)、分系統(tǒng)乃至整機(jī)。這樣，組裝層次和外互連接點(diǎn)數(shù)就大為減少。數(shù)字電路或模擬電路的印制電路板部件可用芯片（載體、載帶）－基板組件實(shí)現(xiàn)微電子組裝，其體積、重量可縮小為原來的五分之一至幾十分之一。

細(xì)線印制板表面安裝技術(shù)也是一種新的微電子組裝方法。

③　有機(jī)聚合物厚膜電路是在酚醛紙板、環(huán)氧玻璃纖維布板等基板上印刷的有機(jī)聚合物厚膜電路。它可與芯片、載體、載帶組裝和焊接，其特點(diǎn)是固化溫度低、價(jià)廉。

④　有機(jī)薄膜多層薄膜電路的互連布線密度比厚膜電路的高，布線網(wǎng)格可達(dá)0.1毫米，甚至更小。

⑤　微波組件包括單芯片微波集成電路和微波功放組件。前者是將微波晶體管和微波集成電路做在一片很小的砷化鎵基片上；后者是將微波晶體管－載體組裝在氧化鋁基板微波集成電路上。L波段輸出功率100瓦，可使發(fā)射機(jī)固態(tài)化、小型化，已用于相控陣?yán)走_(dá)。

IBM3081處理機(jī)熱傳導(dǎo)組件是一種新型的微電子組件。它采用濕法28～33層布線，在90×90毫米陶瓷基板上安裝 118個(gè)大規(guī)模集成高速雙極型邏輯電路芯片和門陣列芯片。每個(gè)芯片有120多個(gè)焊區(qū),按0.25×0.25毫米網(wǎng)格矩陣排列。組件共含35萬個(gè)通孔,厚膜導(dǎo)體最細(xì)0.08毫米，其生產(chǎn)、檢測(cè)、調(diào)試過程全由計(jì)算機(jī)控制。輸入和輸出為1800個(gè)針陣列引線，通過零插拔力插座與大型20層細(xì)線印制板（600×700毫米）互連。由于功耗達(dá)300瓦,采取活塞頂住芯片導(dǎo)熱、水冷、充氦等散熱措施,使所有芯片的結(jié)溫保持。后來日本和美國又研制成功微間隙導(dǎo)熱、風(fēng)冷散熱組件，使組件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、輕巧。

微電子組裝更高級(jí)微電子

70年代末到80年代初，機(jī)載、彈載、艦載電子設(shè)備采用密度更高的微電子組裝產(chǎn)品。例如，有一種機(jī)載計(jì)算機(jī)由 8塊108×150毫米的密封載體-多層陶瓷基板構(gòu)成，體積僅有30×160×230毫米。IBM公司的4381計(jì)算機(jī)采用22個(gè)微間隙導(dǎo)熱風(fēng)冷組件（每個(gè)組件尺寸為64×64毫米，含31～36個(gè)大規(guī)模集成芯片）裝在一塊600×700毫米22層細(xì)線印制板上。只用一塊印制電路板完成常規(guī)電子組裝的一個(gè)機(jī)柜才能完成的中央處理器功能。日本電氣公司的SX-2超級(jí)計(jì)算機(jī)采用先進(jìn)的高速大規(guī)模集成芯片和高速高密度微電子組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了6納秒機(jī)器周期，每秒 13億次浮點(diǎn)運(yùn)算速度。

散熱冷卻技術(shù)

微電子組裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于體積小、電路密度高和功率密度大，新型單芯片功率最大達(dá)12瓦，組件功率密度達(dá)4瓦/厘米2。因此，必須采用高效的冷卻方法。除一般加散熱器風(fēng)冷外，還有冷板、液冷、熱管、沸騰冷卻等方式

微小型連接器

它尺寸小，插腳多，接觸可靠，具有零插拔力或低插拔力。

微電子組裝設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中必須考慮電路劃分、組裝結(jié)構(gòu)、布線設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸延遲、分布參數(shù)的影響、阻抗匹配、串?dāng)_抑制、電源、地系統(tǒng)的壓降、共耦、去耦、屏蔽、散熱等問題。

微電子組裝工藝

主要包括精細(xì)基板制造、芯片安裝、焊接、老化測(cè)試、密封、電路調(diào)試等工藝技術(shù)。

用大規(guī)模、超大規(guī)模、超高速集成電路需要結(jié)合先進(jìn)的組裝技術(shù)，方能做出先進(jìn)的電子設(shè)備?，F(xiàn)代電子設(shè)備，對(duì)微電子組裝的要求越來越高。正在研究中的新的微電子組裝技術(shù)，還有多基板高密度疊裝組件、新的多層細(xì)線基板技術(shù)、散熱技術(shù)、不需焊接的微互連技術(shù)以及聲、光、電結(jié)合的微電子組裝技術(shù)等。