微電子概述

微電子技術(shù)是一門作用于半導體上的微小型集成電路系統(tǒng)的學科。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際制造應用。集成電路的發(fā)展依賴于半導體器件的不斷演化。微電子技術(shù)可在納米級超小的區(qū)域內(nèi)通過固體內(nèi)的微觀電子運動來實現(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，它是在各類半導體器件不斷發(fā)展過程中所形成的。在信息化時代下，微電子技術(shù)對人類生產(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)的微觀電子運動來實現(xiàn)信息處理或信息加工。

②微電子

信號傳遞能夠在極小的尺度下進行。

③微電子技術(shù)可將某個子系統(tǒng)或電子功能部件集成于芯片當中，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)可在晶格級微區(qū)進行工作。

1、生活應用方面

隨著信息化時代的到來，在信息知識爆炸的年代，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，上下班坐公交車使用的IC卡，洗衣服用的全自動洗衣機，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。對提高我們的生活質(zhì)量有著積極的影響。

2、工業(yè)制造應用方面

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，給工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)帶來了良好的發(fā)展機遇。面對全球性工業(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生產(chǎn)的需求。為了能夠快速地適應新時代工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，目前許多的工業(yè)制造企業(yè)都積極地引進微電子技術(shù)支持下的設備來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的精準度，以此提高市場競爭優(yōu)勢，進而實現(xiàn)企業(yè)的長期發(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)會立即發(fā)出警報。

3、軍工產(chǎn)業(yè)應用方面

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，在信息化時代，現(xiàn)代軍事力量的強大與否主要體現(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，就會在戰(zhàn)爭中取得先機。例如，依靠微電子技術(shù)通過遠程計算機控制的無人戰(zhàn)斗機，就是很好應用微電子技術(shù)的例子。此外，偵察機上的數(shù)字地圖裝置能夠為野外訓練的士兵提供準確的天氣、情報、敵軍位置以及周邊地形等準確信息數(shù)據(jù)。通過無線計算機網(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用深度也會越來越大，為確保國家安定奠定了堅實基礎。

1、BGA封裝技術(shù)

BGA封裝技術(shù)誕生于20世紀90年代，其中文全稱為焊球陣列封裝技術(shù)，由于已經(jīng)有了較長的發(fā)展歷程，因而在目前的應用實踐中有著較高的技術(shù)成熟度，通過球柱形焊點陣列進行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)是伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而逐漸興起的，目前主要應用于手持設備的高密度立體式組裝之中，是同時滿足多個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，軟釬焊技術(shù)所使用的釬焊，其內(nèi)包含的釬劑對于金屬表面雜質(zhì)的去除效果極佳，這對于焊接過程中釬料潤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。

1、工藝尺寸縮小，集成化程度提高

微電子技術(shù)發(fā)展，以其主要特點為契機，進行不斷完善，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，集成化程度得到提高，集成規(guī)模不斷擴大。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防遷移退化問題的出現(xiàn)。

2、積極應用新材料

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，新材料應用比例大，從而為該技術(shù)穩(wěn)定、快速發(fā)展奠定良好基礎。

3、廣泛應用綠色微電子技術(shù)

隨著時代的進步，社會經(jīng)濟快速發(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)長期以來一直存在的缺陷，隨著功耗的不斷提高，導致集成電路被損壞。所以，在未來微電子技術(shù)將實現(xiàn)綠色發(fā)展目標，也就是對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芯片元件的集成數(shù)量，現(xiàn)今，單個芯片上能夠集成近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。在實際應用中通?？梢酝ㄟ^對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意味著其氧化層厚度和溝道長度同樣縮小，這樣克服元器件的“穿通效應”就變大人更加困難。例如，當量子隧道穿透效應增加時，電子元器件的靜態(tài)功耗會變大，當靜態(tài)功耗值占比達到電路總功耗某一限值時，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)的進步?，F(xiàn)今，研究人員開始逐漸借助氧化物半導體材料和超導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。學者經(jīng)過實驗研究得出：新納米管電路中總輸出信號是大于輸入信號，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，有一些學者提出借助塑料半導體技術(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、光刻設備尺度問題。在微電子技術(shù)工藝中最為關(guān)鍵的設備為光刻機（曝光工具），此設備的制造過程復雜、成本高且其精密度要求較高，而設備分辨率以及焦深都會影響光刻技術(shù)的應用，當尺寸推進至0.05um且停滯較長時間后則會引起集成電路無法快速的進入納米時代。

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)量的變多都會使得相互連線間橫截面積縮小，電阻變大，進而造成整體電路=反應時間的增加，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)引線進行優(yōu)化是很多專家學者研究的重點課題。

3、可靠性問題。如前文所述，集成電路在逐漸向著精細加工與小規(guī)模元器件發(fā)展，但小規(guī)模元器件的使用雖然會提升整個電路系統(tǒng)運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雜，所以，在進行設計時就需要對整體電路的總功耗以及封裝技術(shù)間的關(guān)系進行衡量。

根據(jù)電原理圖或邏輯圖，運用微電子技術(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)、計算機輔助設計、計算機輔助生產(chǎn)、計算機輔助測試技術(shù)和可靠性技術(shù)等領域。

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、互連線尺寸和長度，以提高組裝密度和互連密度；另一方面則盡可能擴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，但芯片不能預測（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：這是一種可預測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300多個。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、預測的特殊軟性印制線路，外形像電影膠卷。其特點是自動化生產(chǎn)程度高?，F(xiàn)代采用的技術(shù)有載帶自動焊接技術(shù)和凸點載帶自動焊接技術(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雜。在一塊基板上可組裝多達一百多個芯片（載體、載帶），其功能相當于常規(guī)電子組裝的一個分機、分系統(tǒng)乃至整機。這樣，組裝層次和外互連接點數(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聚合物厚膜電路。它可與芯片、載體、載帶組裝和焊接，其特點是固化溫度低、價廉。

④　有機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)射機固態(tài)化、小型化，已用于相控陣雷達。

IBM3081處理機熱傳導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。每個芯片有120多個焊區(qū),按0.25×0.25毫米網(wǎng)格矩陣排列。組件共含35萬個通孔,厚膜導體最細0.08毫米，其生產(chǎn)、檢測、調(diào)試過程全由計算機控制。輸入和輸出為1800個針陣列引線，通過零插拔力插座與大型20層細線印制板（600×700毫米）互連。由于功耗達300瓦,采取活塞頂住芯片導熱、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熱、風冷散熱組件，使組件結(jié)構(gòu)更為簡單、輕巧。

微電子組裝更高級微電子

70年代末到80年代初，機載、彈載、艦載電子設備采用密度更高的微電子組裝產(chǎn)品。例如，有一種機載計算機由 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計算機采用22個微間隙導熱風冷組件（每個組件尺寸為64×64毫米，含31～36個大規(guī)模集成芯片）裝在一塊600×700毫米22層細線印制板上。只用一塊印制電路板完成常規(guī)電子組裝的一個機柜才能完成的中央處理器功能。日本電氣公司的SX-2超級計算機采用先進的高速大規(guī)模集成芯片和高速高密度微電子組裝技術(shù)實現(xiàn)了6納秒機器周期，每秒 13億次浮點運算速度。

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12瓦，組件功率密度達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。

微電子組裝設計

在設計中必須考慮電路劃分、組裝結(jié)構(gòu)、布線設計、信號傳輸延遲、分布參數(shù)的影響、阻抗匹配、串擾抑制、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

主要包括精細基板制造、芯片安裝、焊接、老化測試、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)合先進的組裝技術(shù)，方能做出先進的電子設備?，F(xiàn)代電子設備，對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。