集成电路技术基础知识课件.pptx

1、通信终端新技术通信终端新技术通信终端新技术第第2 2讲讲 集成电路的基本认识集成电路的基本认识模块二模块二 集成电路技术集成电路技术通信终端新技术2通信终端新技术各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路通信终端新技术集成电路芯片显微照片集成电路芯片显微照片通信终端新技术目录CONTENTS5通信终端技术与装备通信终端新技术6通信终端新技术 集成电路（Integrated Circuit,简称IC）是20世纪60年代初期发展起来的一种新型半导半导体体器件器件。把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成集成在一小块硅片上，然后焊接封装封装在一个管壳内的电子器

2、件。通信终端新技术集成电路特点 集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定稳定工作工作 时间也可大大提高。通信终端新技术集成电路发展19521952年年5 5月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的设想。月，英国科学家达默第一次提出了集成电路

3、的设想。19581958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路研制出了世界上第一块集成电路第第一块集成电路：一块集成电路：TI公司的公司的Kilby12个器件，个器件，Ge晶片晶片获得2000年Nobel物理奖通信终端新技术19591959年年 美国仙童美国仙童/ /飞兆公司（飞兆公司（ FairchildsFairchilds）的）的R.Noicy R.Noicy 诺诺依斯开发出用于依斯开发出用于ICIC的的SiSi平面工艺技术，从而推动了平面工艺技术，从而推动了ICIC制制造业的大发展。造业的大发展。19

4、591959年年仙童公司制造的仙童公司制造的IC 诺诺伊斯伊斯集成电路发展通信终端新技术第一阶段：1962年制造出集成了12个晶体管的小规模小规模集成电路（SSI）芯片。第二阶段：1966年制造出集成度为1001000个晶体管的中规模中规模集成电路（MSI）芯片。第三阶段：19671973年，制造出集成度为1000100 000个晶体管的大规大规模模集成电路（LSI）芯片。第四阶段：1977年研制出在30mm2的硅晶片上集成了15万个晶体管的超大规超大规模模集成电路（VLSI）芯片。第五阶段：1993年制造出集成了1000万个晶体管的16MB FLASH与256MB DRAM的特大规模特大规模

5、集成电路（ULSI）芯片。第六阶段：1994年制造出集成了1亿个晶体管的1GB DRAM巨大规模巨大规模集成电路（GSI）芯片。集成电路发展通信终端新技术vIC在各个发展阶段的在各个发展阶段的主要特征数据主要特征数据 发展发展 阶段阶段主要特征主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33-11栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯

6、片面积芯片面积(mm2)150通信终端新技术vIntel 公司第一代公司第一代CPU4004电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHz通信终端新技术vIntel 公司公司CPU386TM电路规模：电路规模：275,000个晶体个晶体管管生产工艺：生产工艺：1.5um最快速度：最快速度：33MHz通信终端新技术vIntel 公司最新一代公司最新一代CPUPentium 4电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz通信终端新技术 摩尔摩尔定律：定律： 集成电路的集

7、成度每18个月就翻一番，特征尺寸每3年缩小1/2。戈登戈登摩尔先生摩尔先生集成电路发展通信终端新技术 1. 特征尺寸特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度定的沟道几何长度)描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进取决

8、于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是模化生产是0.18m、0.13m工艺，工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转目前将大部分芯片生产制程转换到换到0.09 m 。通信终端新技术 2. 晶片直径晶片直径(Wafer Diameter) 为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。

9、片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在吋，正在向向12吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从2吋吋12吋按比例画出的圆。由吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从尺寸从2吋吋12吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆通信终端新技术 3.DRAM 的容量的容量 RAM (Random-Access Memory)随机存取存储器随机存取存储器 分为分为动态存储器动态存储器DRAM (Dynamic )和静态存储器和静态存储器SRAM(S

10、tatic)通信终端新技术20通信终端新技术按功能结构分类：模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路按制作工艺分类：半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。按导电类型不同分类：双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。集成电路分类通信终端新技术按集成度高低分类： SSIC 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits) MSIC 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits) LSIC 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits) VLSI

11、C 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)集成电路分类通信终端新技术23电感通信终端新技术24通信终端新技术25通信终端新技术26通信终端新技术27通信终端新技术28通信终端新技术29通信终端新技术30通信终端新技术31通信终端新技术32通信终端新技术33通信终端新技术34通信终端新技术35通信终端新技术36电容通信终端新技术37通信终端新技术38通信终端新技术39通信终端新技术40通信终端新技术41通信终端新技术42通信终端新技术43通信终端新技术44通信终端新技术45通信终端新技术46通信终端新技术47通信终端新技术48交流/直流通信终

12、端新技术49通信终端新技术50通信终端新技术51通信终端新技术52通信终端新技术53通信终端新技术54通信终端新技术55通信终端新技术56通信终端新技术57通信终端新技术58通信终端新技术集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测测试试 系统需求系统需求通信终端新技术集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是

13、Sing off设计创意设计创意 + 仿真验证仿真验证集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：通信终端新技术集成电路制造工艺 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等 制膜：制作各种材料的薄膜通信终端新技术集成电路工艺 图形转换： 光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀 掺杂： 离子注入 退火 扩散 制膜： 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 CVD：APCVD、LPCVD、PECVD PVD：蒸发、溅射通信终端新技术芯片制造过程通信终端新技术由氧化、淀积、离子注入或

14、蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次通信终端新技术国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景通信终端新技术净化厂房净化厂房通信终端新技术芯片制造净化区域走廊通信终端新技术Here in 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. 投投影

15、影式式光光刻刻机机通信终端新技术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 SemiTool in 1995. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅硅片片清清洗洗装装置置通信终端新技术As we

16、 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 fully operational in January of 1996. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉通信终端新技术Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle.

17、 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉装装片片工工序序通信终端新技术Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序取片工序（已生长（已生长Si3N4）通信终端新技术2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is cur

18、rently 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.PVD通信终端新技术通信终端新技术化学化学汽相汽相沉积沉积CVD 通信终端新技术Accuracy in metrology is ne

19、ver 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 measurement and mapping tool. We also use outside l

20、aboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 检检测测工工序序通信终端新技术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 our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and on

21、e 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. 去去离离子子水水生生产产装装置置通信终端新技术离子注入通信终端新技术检查晶圆 通信终端新技术80通信终端新技术 封装技术是一种将集成电路打包的封装技术是一种将集成电路打包

22、的技术技术。是是微电子微电子器件的两个基本组成部分之一：器件的两个基本组成部分之一： 微电子器件微电子器件 ： 芯片（管芯）芯片（管芯）+ + 封装（外壳封装（外壳）通信终端新技术封装作用：封装作用： 电功能：传递芯片的电信号 机械化学保护功能：保护芯片与引线 散热功能：散发芯片内产生的热量 防潮 抗辐照 防电磁干扰通信终端新技术IC Package （IC的封装形式）Package-封装体：封装体：指芯片（指芯片（Die）和不同类型的框架（）和不同类型的框架（L/F）和塑封料（）和塑封料（EMC）形成的不同外形的封装体。形成的不同外形的封装体。IC Package种类很多，可以按以下标准分类

23、：种类很多，可以按以下标准分类： 按封装材料划分为：按封装材料划分为： 金属封装、陶瓷封装、塑料封装金属封装、陶瓷封装、塑料封装 按照和按照和PCB板连接方式分为：板连接方式分为： PTH封装和封装和SMT封装封装 按照封装外型可分为：按照封装外型可分为： SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等；等；Company Logo通信终端新技术IC Package （IC的封装形式） 按封装材料划分为：按封装材料划分为： 金属封装陶瓷封装 塑料封装金属封装主要用于军工或航天技术，无金属封装主要用于军工或航天技术，无商业化产品；商业化产品；陶瓷封装优于金属封装，也用于军事产陶瓷

24、封装优于金属封装，也用于军事产品，占少量商业化市场；品，占少量商业化市场；塑料封装用于消费电子，因为其成本低，塑料封装用于消费电子，因为其成本低，工艺简单，可靠性高而占有绝大部分的工艺简单，可靠性高而占有绝大部分的市场份额；市场份额；Company Logo通信终端新技术IC Package （IC的封装形式） 按与按与PCB板的连接方式划分为：板的连接方式划分为： PTHSMTPTH-Pin Through Hole, 通孔式；通孔式；SMT-Surface Mount Technology，表面贴装式。表面贴装式。目前市面上大部分目前市面上大部分IC均采为均采为SMT式式的的SMTComp

25、any Logo通信终端新技术IC Package （IC的封装形式） 按封装外型可分为：按封装外型可分为： SOT 、QFN 、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP等；等； 决定封装形式的两个关键因素决定封装形式的两个关键因素: 封装效率。芯片面积封装效率。芯片面积/封装面积，尽量接近封装面积，尽量接近1:1； 引脚数。引脚数越多，越高级，但是工艺难度也相应增加；引脚数。引脚数越多，越高级，但是工艺难度也相应增加； 其中，其中，CSP由于采用了由于采用了Flip Chip技术和裸片封装，达到了技术和裸片封装，达到了 芯片面积芯片面积/封装面积封装面积=1:1，为目前最高级的技术；，为

26、目前最高级的技术；封装形式和工艺逐步高级和复杂封装形式和工艺逐步高级和复杂Company Logo通信终端新技术IC Package （IC的封装形式） QFNQuad Flat No-lead Package 四方无引脚扁平封装四方无引脚扁平封装 SOICSmall Outline IC 小外形小外形IC封装封装 TSSOPThin Small Shrink Outline Package 薄小外形封装薄小外形封装 QFPQuad Flat Package 四方引脚扁平式封装四方引脚扁平式封装 BGABall Grid Array Package 球栅阵列式封装球栅阵列式封装 CSPChip

27、 Scale Package 芯片尺寸级封装芯片尺寸级封装 Company Logo通信终端新技术1BGA 球栅阵列封装2CSP 芯片缩放式封装3COB 板上芯片贴装4COC 瓷质基板上芯片贴装5MCM 多芯片模型贴装6LCC 无引线片式载体7CFP 陶瓷扁平封装8PQFP 塑料四边引线封装9SOJ 塑料J形线封装10SOP 小外形外壳封装11TQFP 扁平簿片方形封装12TSOP 微型簿片式封装13CBGA 陶瓷焊球阵列封装14CPGA 陶瓷针栅阵列封装15CQFP 陶瓷四边引线扁平16CERDIP 陶瓷熔封双列17PBGA 塑料焊球阵列封装18SSOP 窄间距小外型塑封19WLCSP 晶圆

28、片级芯片规模封装20FCOB 板上倒装片通信终端新技术IC Package Structure（IC结构图）TOP VIEWSIDE VIEWLead Frame 引线框架引线框架Gold Wire 金金 线线Die Pad 芯片焊盘芯片焊盘Epoxy 银浆银浆Mold Compound 环氧树脂环氧树脂Company Logo通信终端新技术Raw Material in Assembly(封装原材料)【Wafer】晶圆晶圆Company Logo通信终端新技术Raw Material in Assembly(封装原材料)【Lead Frame】引线框架引线框架提供电路连接和提供电路连接和Di

29、e的固定作用；的固定作用；主要材料为铜，会在上面进行镀银、主要材料为铜，会在上面进行镀银、 NiPdAu等材料；等材料；L/F的制程有的制程有Etch和和Stamp两种；两种；易氧化，存放于氮气柜中，湿度小易氧化，存放于氮气柜中，湿度小 于于40%RH;除了除了BGA和和CSP外，其他外，其他Package都会采用都会采用Lead Frame， BGA采用的是采用的是Substrate；Company Logo通信终端新技术Raw Material in Assembly(封装原材料)【Gold Wire】焊接金线焊接金线实现芯片和外部引线框架的电性和物实现芯片和外部引线框架的电性和物 理连接

30、；理连接；金线采用的是金线采用的是99.99%的高纯度金；的高纯度金；同时，出于成本考虑，目前有采用铜同时，出于成本考虑，目前有采用铜 线和铝线工艺的。优点是成本降低，线和铝线工艺的。优点是成本降低， 同时工艺难度加大，良率降低；同时工艺难度加大，良率降低；线径决定可传导的电流；线径决定可传导的电流；0.8mil， 1.0mil，1.3mils，1.5mils和和2.0mils；Company Logo通信终端新技术Raw Material in Assembly(封装原材料)【Mold Compound】塑封料塑封料/环氧树脂环氧树脂主要成分为：环氧树脂及各种添加剂（固化剂，改性剂，脱主要成

31、分为：环氧树脂及各种添加剂（固化剂，改性剂，脱 模剂，染色剂，阻燃剂等）；模剂，染色剂，阻燃剂等）；主要功能为：在熔融状态下将主要功能为：在熔融状态下将Die和和Lead Frame包裹起来，包裹起来， 提供物理和电气保护，防止外界干扰；提供物理和电气保护，防止外界干扰；存放条件：零下存放条件：零下5保存，常温下需回温保存，常温下需回温24小时；小时；Company Logo通信终端新技术Raw Material in Assembly(封装原材料)成分为环氧树脂填充金属粉末（成分为环氧树脂填充金属粉末（Ag）；）；有三个作用：将有三个作用：将Die固定在固定在Die Pad上；上； 散热作用

32、，导电作用；散热作用，导电作用；-50以下存放，使用之前回温以下存放，使用之前回温24小时小时；【Epoxy】银浆银浆Company Logo通信终端新技术 1、直插式 2、表面贴装式 3、芯片尺寸封装通信终端新技术直直插式插式To封装：DIP封装通信终端新技术DIPDIP封装特点封装特点： (1)适合PCB的穿孔安装，操作方便； (2)比TO型封装易于对PCB布线； (3)芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大； (4)外部引脚容易在芯片的插拔过程当中损坏，不太适用于高可靠性场合； (5)DIP封装还有一个致命的缺陷，那就是它只适用于引脚数目小于100 的中小规模集成电路。 通信终端

33、新技术直直插式插式 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面芯片面积与封装面积之积与封装面积之比比R R，这个比值越接近l越好。 以采用40根I/O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积R=（33）/（15.2450）=1:86，离l相差很远。这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。通信终端新技术表面表面贴装式贴装式QFP封装TSOP封装通信终端新技术表面贴装式表面贴装式(QFP)(QFP)QFPQFP的特点是：的特点是： (1)用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，操作方便；(2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用；(3

34、)可靠性高。(4)引脚从直插式改为了欧翘状，引脚间距可以更密，引脚可以更细。(5)QFP的引脚间距目前已从1.27 mm发展到了0.3 mm，也是他的极限距离，限制了组装密度的提高。通信终端新技术 以0.5mm焊区中心距、208根I/O引脚QFP封装的CPU为例，如果外形尺寸为28mm28mm，芯片尺寸为lOmm10mm，则芯片面积封装面积R=(10 10)(28 28)=l:7.8，由此可见QFP封装比DIP封装的尺寸大大减小。 表面贴装式表面贴装式(QFP)(QFP)通信终端新技术芯片尺寸封装芯片尺寸封装双列直插式封装（DIP）的裸芯片面积与封装面积之比为1:80,表面贴装技术SMT中的Q

35、FP为1:7，CSP小于1:1.2通信终端新技术IC芯片芯片引线架引线架导线丝导线丝铝膜铝膜外引线外引线封装树脂封装树脂塑料基板塑料基板塑料封装塑料封装DIP工艺工艺导电粘导电粘胶胶芯片尺寸封装芯片尺寸封装通信终端新技术焊料微球凸点焊料微球凸点IC芯片芯片CSP芯片尺寸封装芯片尺寸封装通信终端新技术CSP封装具有以下特点： (1)满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要； (2)解决丁IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题； (3)封装面积缩小，延迟时间大大缩小。 芯片尺寸封装芯片尺寸封装通信终端新技术MCM组装Multi chip module芯片芯片封装体封装体芯片芯片封装外壳封装外壳印制板印制板单芯片封装电路板单芯片封装电路板多芯片封装电路板多芯片封装电路板可大幅度减小封体积可大幅度减小封体积通信终端新技术IC芯片芯片内引线内引线封装树脂封装树脂印制板印制板绝缘胶绝缘胶焊料微球焊料微球三维封装通信终端新技术108