微电子材料与芯片ppt课件
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微电子技术PPT课件
什么是 IC卡？
IC卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把 集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、 处理和传递数据的载体
特点：
存储信息量大 保密性能强 可以防止伪造和窃用 抗干扰能力强 可靠性高
应用举例：
作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、 考勤卡、医疗卡、住房卡等）
80486
8086
80286
80386
晶体管数
CORE i7
CORE 2 Quad CORE 2 Duo
Pentium 4 Pentium III
1000x106 100x106
Pentium II Pentium
10x106 106
100 000
8008 8080 4004
1970 1975
1980
IC集成度提高的规律
Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月 翻一番 (Gordon E.Moore,1965年)
例：Intel微处理器集成度的发展
酷睿2双核 （2006） 291～410M晶体管 酷睿2四核 （2007） 820M 晶体管 Core i7 六核（2010） >10亿 晶体管
1985
1990
1995
2000
10 000 1 000 2010
9
第1章 信息技术概述
集成电路技术的发展趋势
• 减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸 • 增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片
1999
工艺(μm)
0.18
晶体管(M)
23.8
时钟频率(GHz) 1.2
面积(mm2)
《微电子技术》课件
军事
微电子技术用于制造军事设备 ，如导弹制导系统、雷达、通
信设备等。
微电子技术的发展趋势
纳米技术
随着芯片上元件尺寸的 不断缩小，纳米技术成 为微电子技术的重要发
展方向。
3D集成
通过将多个芯片垂直集 成在一起，实现更高的
性能和更低的功耗。
柔性电子
柔性电子是将电子器件 制造在柔性材料上的技 术，具有可弯曲、可折
将杂质元素引入半导体材料中的 技术。
离子注入掺杂
利用离子注入机将杂质离子注入 到半导体材料中的技术。
化学气相掺杂
利用化学气相沉积的方法，将含 有杂质元素的化合物沉积到半导
体材料中的技术。
04
集成电路设计
集成电路设计流程
需求分析
明确设计要求，分析性能指标，确定设计规 模和复杂度。
逻辑设计
根据规格说明书，进行逻辑设计，包括算法 设计、逻辑电路设计等。
《微电子技术》 ppt课件
contents
目录
• 微电子技术概述 • 微电子器件 • 微电子工艺技术 • 集成电路设计 • 微电子封装技术 • 微电子技术发展面临的挑战与机遇
01
微电子技术概述
微电子技术的定义
微电子技术是一门研究在微小 尺寸下制造电子器件和系统的 技术。
它涉及到利用半导体材料、器 件设计和制造工艺，将电子系 统集成在微小尺寸的芯片上。
02
微电子技术领域的竞争非常激烈，企业需要不断提升自身的技
术水平和产品质量，以获得竞争优势。
客户需求多样化
03
客户需求多样化，要求企业提供更加定制化的产品和服务，以
满足不同客户的需求。
新材料、新工艺的机遇
新材料的应用
微电子技术用于制造军事设备 ，如导弹制导系统、雷达、通
信设备等。
微电子技术的发展趋势
纳米技术
随着芯片上元件尺寸的 不断缩小，纳米技术成 为微电子技术的重要发
展方向。
3D集成
通过将多个芯片垂直集 成在一起，实现更高的
性能和更低的功耗。
柔性电子
柔性电子是将电子器件 制造在柔性材料上的技 术，具有可弯曲、可折
将杂质元素引入半导体材料中的 技术。
离子注入掺杂
利用离子注入机将杂质离子注入 到半导体材料中的技术。
化学气相掺杂
利用化学气相沉积的方法，将含 有杂质元素的化合物沉积到半导
体材料中的技术。
04
集成电路设计
集成电路设计流程
需求分析
明确设计要求，分析性能指标，确定设计规 模和复杂度。
逻辑设计
根据规格说明书，进行逻辑设计，包括算法 设计、逻辑电路设计等。
《微电子技术》 ppt课件
contents
目录
• 微电子技术概述 • 微电子器件 • 微电子工艺技术 • 集成电路设计 • 微电子封装技术 • 微电子技术发展面临的挑战与机遇
01
微电子技术概述
微电子技术的定义
微电子技术是一门研究在微小 尺寸下制造电子器件和系统的 技术。
它涉及到利用半导体材料、器 件设计和制造工艺，将电子系 统集成在微小尺寸的芯片上。
02
微电子技术领域的竞争非常激烈，企业需要不断提升自身的技
术水平和产品质量，以获得竞争优势。
客户需求多样化
03
客户需求多样化，要求企业提供更加定制化的产品和服务，以
满足不同客户的需求。
新材料、新工艺的机遇
新材料的应用
芯片资料PPT
其他领域应用展望
物联网领域
物联网设备需要大量芯片支持， 如传感器芯片、RFID芯片等。
汽车电子领域
汽车智能化、电动化趋势加速， 对芯片需求不断增长，如自动驾 驶芯片、车载娱乐系统芯片等。
医疗器械领域
医疗器械对芯片精度和稳定性要 求极高，如心脏起搏器芯片、医
疗影像设备芯片等。
05
芯片产业链及竞争格局分析
产业链上游：原材料与设备供应商
原材料
主要包括硅片、光刻胶、化学气体、 靶材等，这些原材料的质量直接影响 到芯片的质量和性能。
设备供应商
芯片制造需要高精度的设备，如光刻 机、刻蚀机、离子注入机等，这些设 备的供应商在产业链上游占据重要地 位。
产业链中游：芯片设计与制造企业
芯片设计
芯片设计是芯片产业链的核心环节，需要专业的芯片设计人才和先进的EDA工 具。
行业标准制定
行业组织和企业积极参与芯片标准制定，推动产 业规范化发展。
知识产权保护
加强知识产权保护力度，保障创新者的合法权益 ，促进技术创新和产业发展。
THANKS
感谢观看
混合信号芯片
同时包含模拟和数字 电路的芯片，用于处 理复杂的信号和控制 任务。
芯片主要技术参数解析
封装形式
指芯片封装后的外观和尺寸， 如DIP、QFP、BGA等。
工作电压与电流
芯片正常工作所需的电压和电 流范围。
工艺制程
描述芯片制造过程中所使用的 技术，如纳米级别表示晶体管 尺寸大小。
引脚数
芯片上的引脚数量，决定了芯 片与外部电路的连接能力。
完善的质量检测体系
建立全面的质量检测体系，对பைடு நூலகம்个生 产环节进行严格把关，确保产品符合 质量要求。
第1章 微电子芯片技术材料
2011-7-30
3
电子线路使用的基础元件的演变
真空电子管 电路 晶体管 中小规模集成
大规模超大规模集成电路
2011-7-30
4
电子线路使用的基础元件的演变
• A 真空电子管
第一代 （1946~1956） ） 5千~4万（次/秒） 千 万 秒
在这个阶段产生了广播、电视、 在这个阶段产生了广播、电视、无 线电通信、仪器仪表、 线电通信、仪器仪表、自动化技术 和第一代电子计算机。 和第一代电子计算机。
201： 集成电路：制作在单块半导体材料上并通过连接形成完整电路的各种元器件的集 结的性质。 合。大部分固态器件的功能取决于组成器件结构的一个或者多个PN结的性质。 大部分固态器件的功能取决于组成器件结构的一个或者多个 结的性质
2011-7-30
集成电路中电子部件的典型硅结构
场效应晶体管的分类参见教材P16页 图2-9 页 场效应晶体管的分类参见教材
2011-7-30
8
C－1. 结型场效应晶体管（JFET） － 结型场效应晶体管（ ）
JFET结构图 结构图 源区（ 源区（source） 漏区（drain） 栅区（gate） ） 漏区（ ） 栅区（ ）
C－2. 金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET） － 金属－氧化物－半导体场效应管（ ）
2011-7-30
15
1.1 微电子技术基本知识
1.1.2 集成电路 • 集成电路是指以半导体晶体材料为基片，采用专门的工艺 集成电路是指以半导体晶体材料为基片， 技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部， 技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部，表面 或基片之上的微小型化电路简称微电路。 或基片之上的微小型化电路简称微电路。 • 生产集成电路的原料材料都不贵，但是，制造集成电路的 生产集成电路的原料材料都不贵，但是， 过程却很复杂，对所用的设备要求也很高， 过程却很复杂，对所用的设备要求也很高，所以建立集成 电路产业的投资是很大。 电路产业的投资是很大。 • 衡量集成电路水平的指标之一是集成度： 衡量集成电路水平的指标之一是集成度： – 100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路 – 100~1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路 – 1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 – 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路
《微电子器件》课件
新型微电子器件
随着科技的不断发展，新型微电子器件的研究也 在不断推进。目前，新型微电子器件主要集中在 柔性电子器件、生物可穿戴器件、量子器件等领 域。
生物可穿戴器件
生物可穿戴器件是指能够与人体直接接触并监测 人体生理参数的微电子器件。目前，生物可穿戴 器件的研究重点在于提高其舒适性、准确性和稳 定性。
描述模拟电路性能的参数，表示输入与输出 之间的线性关系。
微电子器件的测试方法与设备
测试方法
包括功能测试、性能测试和可靠性测试等。
测试设备
如示波器、信号发生器、频谱分析仪等。
测试环境
需要控制温度、湿度、电磁干扰等环境因素 。
测试标准
根据不同应用领域制定相应的测试标准。
微电子器件可靠性分析
可靠性定义
02
微电子器件的基本结构与 原理
半导体材料基础
半导体材料的分类
元素半导体、化合物半导体、掺 杂半导体等。
半导体的基本性质
导电性、光学特性、热学特性等。
半导体的能带结构
价带、导带、禁带等概念及其对电 子跃迁的影响。
PN结与二极管
PN结的形成
01
扩散、耗尽层、空间电荷区等概念。
二极管的伏安特性
02
性能和热管理技术。
机械可靠性
微电子器件在受到机械 应力时容易发生损坏， 机械可靠性问题不容忽 视。目前，机械可靠性 的研究重点在于提高微 电子器件的抗冲击和抗
振动性能。
电气可靠性
微电子器件在长时间工 作过程中容易出现电迁 移、氧化等问题，影响 其电气性能。目前，电 气可靠性的研究重点在 于提高微电子器件的稳
柔性电子器件
柔性电子器件具有轻薄、可弯曲、可折叠等特点 ，被广泛应用于可穿戴设备、智能家居等领域。 目前，柔性电子器件的研究重点在于提高其稳定 性、可靠性和生产效率。
随着科技的不断发展，新型微电子器件的研究也 在不断推进。目前，新型微电子器件主要集中在 柔性电子器件、生物可穿戴器件、量子器件等领 域。
生物可穿戴器件
生物可穿戴器件是指能够与人体直接接触并监测 人体生理参数的微电子器件。目前，生物可穿戴 器件的研究重点在于提高其舒适性、准确性和稳 定性。
描述模拟电路性能的参数，表示输入与输出 之间的线性关系。
微电子器件的测试方法与设备
测试方法
包括功能测试、性能测试和可靠性测试等。
测试设备
如示波器、信号发生器、频谱分析仪等。
测试环境
需要控制温度、湿度、电磁干扰等环境因素 。
测试标准
根据不同应用领域制定相应的测试标准。
微电子器件可靠性分析
可靠性定义
02
微电子器件的基本结构与 原理
半导体材料基础
半导体材料的分类
元素半导体、化合物半导体、掺 杂半导体等。
半导体的基本性质
导电性、光学特性、热学特性等。
半导体的能带结构
价带、导带、禁带等概念及其对电 子跃迁的影响。
PN结与二极管
PN结的形成
01
扩散、耗尽层、空间电荷区等概念。
二极管的伏安特性
02
性能和热管理技术。
机械可靠性
微电子器件在受到机械 应力时容易发生损坏， 机械可靠性问题不容忽 视。目前，机械可靠性 的研究重点在于提高微 电子器件的抗冲击和抗
振动性能。
电气可靠性
微电子器件在长时间工 作过程中容易出现电迁 移、氧化等问题，影响 其电气性能。目前，电 气可靠性的研究重点在 于提高微电子器件的稳
柔性电子器件
柔性电子器件具有轻薄、可弯曲、可折叠等特点 ，被广泛应用于可穿戴设备、智能家居等领域。 目前，柔性电子器件的研究重点在于提高其稳定 性、可靠性和生产效率。
微电子技术绪论PPT课件
光刻技术的分辨率、对比度、均匀度等对微电子器件的 性能有着重要影响，需要精确控制和优化。
光刻技术包括接触式、接近式、扫描式等几种方式，不 同的方式适用于不同的工艺要求和节点。
未来发展方向包括探索更先进的光刻技术和方法，以提 高分辨率、降低成本和提高可靠性。
04
微电子封装与测试
封装技术
芯片贴装技术
集成电路
集成电路的基本概念
集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在一块衬底上，实 现一定的电路或系统功能。
集成电路的制造工艺
集成电路的制造需要经过多个复杂工艺步骤，包括光刻、掺杂、刻 蚀和镀膜等，以确保电路性能的稳定性和可靠性。
集成电路的应用
集成电路被广泛应用于计算机、通信、消费电子和汽车电子等领域， 对现代科技的发展起着至关重要的作用。
晶体管
1 2 3
晶体管的基本结构
晶体管由三个电极（集电极、基极和发射极）构 成，其工作原理是通过控制基极电流来调节集电 极和发射极之间的电流。
晶体管的类型
晶体管分为NPN和PNP两种类型，其工作电压和 电流大小各不相同，根据实际需求选择合适的晶 体管类型。
晶体管的应用
晶体管是构成各种电子电路的基本元件，广泛应 用于信号放大、开关控制和逻辑运算等领域。
系统集成创新
系统集成创新
随着微电子器件的集成度不断提高，系统集成创新成为了一个重要的研究方向。通过将不同的器件和电路集成在一个 芯片上，可以实现更复杂的功能和更高的性能。
3D集成技术
3D集成技术是指将多个芯片堆叠在一起，并通过垂直互联实现高速信号传输。这种技术可以显著提高芯片的集成度 和性能，同时降低能耗和成本。
掺杂技术分为非故意掺杂和故意掺杂两种，非故 意掺杂是指在制造过程中不可避免地引入杂质， 而故意掺杂则是为了实现特定的电路功能而人为 地引入杂质。
光刻技术包括接触式、接近式、扫描式等几种方式，不 同的方式适用于不同的工艺要求和节点。
未来发展方向包括探索更先进的光刻技术和方法，以提 高分辨率、降低成本和提高可靠性。
04
微电子封装与测试
封装技术
芯片贴装技术
集成电路
集成电路的基本概念
集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在一块衬底上，实 现一定的电路或系统功能。
集成电路的制造工艺
集成电路的制造需要经过多个复杂工艺步骤，包括光刻、掺杂、刻 蚀和镀膜等，以确保电路性能的稳定性和可靠性。
集成电路的应用
集成电路被广泛应用于计算机、通信、消费电子和汽车电子等领域， 对现代科技的发展起着至关重要的作用。
晶体管
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晶体管的基本结构
晶体管由三个电极（集电极、基极和发射极）构 成，其工作原理是通过控制基极电流来调节集电 极和发射极之间的电流。
晶体管的类型
晶体管分为NPN和PNP两种类型，其工作电压和 电流大小各不相同，根据实际需求选择合适的晶 体管类型。
晶体管的应用
晶体管是构成各种电子电路的基本元件，广泛应 用于信号放大、开关控制和逻辑运算等领域。
系统集成创新
系统集成创新
随着微电子器件的集成度不断提高，系统集成创新成为了一个重要的研究方向。通过将不同的器件和电路集成在一个 芯片上，可以实现更复杂的功能和更高的性能。
3D集成技术
3D集成技术是指将多个芯片堆叠在一起，并通过垂直互联实现高速信号传输。这种技术可以显著提高芯片的集成度 和性能，同时降低能耗和成本。
掺杂技术分为非故意掺杂和故意掺杂两种，非故 意掺杂是指在制造过程中不可避免地引入杂质， 而故意掺杂则是为了实现特定的电路功能而人为 地引入杂质。
第2章微电子概论IC制造材料
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第2章微电子概论IC制造材料
2.1.4 绝缘材料
SiO2、Si0N和Si3N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。
功能包括： （1） 充当离子注入及热扩散的掩膜。 （2）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受
外界影响。 （3）电隔离：器件之间、有源层及导线层之间的绝
缘层；在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘。
件的速度更快，功率更低。
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第2章微电子概论IC制造材料
•2.1 集成电路材料
•2.2 半导体基础知识
•2.3 PN结与结型二极管
•2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理 •2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理
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第2章微电子概论IC制造材料
•2.2.1 半导体（固体）的晶体结构
用来制作集成电路的硅、锗和砷化镓等都是晶体。 砷化镓材料是一种面心立方；而硅和锗都是金刚石结 构。
而玻璃、橡胶等都是非晶体。
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第2章微电子概论IC制造材料
晶格
（a）砷化镓材料的闪锌矿结构
PPT文档演模板
（b）硅材料的金刚石结构
第2章微电子概论IC制造材料
电子共有化
• 晶体中大量原子 有规则排列，晶体中形成了如图所
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第2章微电子概论IC制造材料
2.1.4 绝缘材料
随着连线的几何尺寸持续地缩小，需要低介电常数的 层间绝缘介质，以减小连线间的寄生电容和串扰。对 于250nm技术的产品，人们采用介电常数为3.6的SiOF 介质材料；对于180 nm技术的产品，人们则采用介电 常数小于3.0的介质材料。
通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在 500—0.005 ·cm 多晶硅被广泛用于电子工业。在MOS及双极器件中，多 晶硅用于制作栅极、形成源极与漏极（双极器件的基区 与发射区）的欧姆接触、基本连线、高值电阻等。
03-微电子芯片技术47页PPT
电容的状态决定着内存基本存储单 元的逻辑状态： 充满电荷的电容器代表逻辑“1”； “空”的电容器代表逻辑“0”。
晶体管控制电容空或满。一个存储 单元只能存储一位二进制数码“1” 或“0”，
10
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的结构示意图
得它的运行非常的稳定。
不存在类似软盘,硬盘,光盘等的高速
旋转的盘片,所以它的体积往往可以做得
很小。
朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”（ 专利号：ZL 99 1 17225.6；美国专利号US6829672。）
8
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
SiO2介电率为3.9；PZT介电率料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又能 提供有效的电荷存储，尽管其面积和存储电压在继续下降。
9
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的单元
所有的DRAM基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容组成。大量存储 单元组成存储矩阵。
5
§2. 微电子芯片技术发展对材料的需求
§2.1 概述 §2.2 衬底材料 §2.3 栅结构材料 §2.4 存储电容材料 §2.5 局域互连材料 §2.6 金属互连材料 §2.7 钝化材料
6
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/半导体存储器
钝化材料 金属连线 电容介质 金属连线 铁电层
硅化物位线
MOS
输入信号线是字线 输出信号线是位线
晶体管控制电容空或满。一个存储 单元只能存储一位二进制数码“1” 或“0”，
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的结构示意图
得它的运行非常的稳定。
不存在类似软盘,硬盘,光盘等的高速
旋转的盘片,所以它的体积往往可以做得
很小。
朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”（ 专利号：ZL 99 1 17225.6；美国专利号US6829672。）
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
SiO2介电率为3.9；PZT介电率料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又能 提供有效的电荷存储，尽管其面积和存储电压在继续下降。
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的单元
所有的DRAM基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容组成。大量存储 单元组成存储矩阵。
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§2. 微电子芯片技术发展对材料的需求
§2.1 概述 §2.2 衬底材料 §2.3 栅结构材料 §2.4 存储电容材料 §2.5 局域互连材料 §2.6 金属互连材料 §2.7 钝化材料
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/半导体存储器
钝化材料 金属连线 电容介质 金属连线 铁电层
硅化物位线
MOS
输入信号线是字线 输出信号线是位线
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▪ Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用
微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯 片。包括6000余种DNA基因片段。
.
33
电、光 、声、 热、磁 力等外 界信号
信息输 入与模/ 数传输
信 息 处 理
信息输 出与数/ 模转换
执 行 器 、 显
的采集
示
—各种
器
传感器
等 信息存储
一个微电子芯片上 23
六十年代的集成电路设计
•微米级工艺 •基于晶体管级互连 •主流CAD：图形编辑
Vdd A
B
Out
.
24
八十年代的电子系统设计
PE
系统 L2
IO
MEM
Math
• PCB集成
• 工艺无关
Bus Controller
Graphics
集成电路芯片
.
•亚微米级工艺 •依赖工艺 •基于标准单元互连 •主流CAD:门阵列
集成电路中电子部件的典型硅结构
.
13
集成电路的发展
1958年Texas Instruments 的 Jack Kilby 设计与制作了 第一块集成电路。
20世纪60年代，双极型晶体管占据集成电路市场的主要 份额
1975年，数字MOS器件成为集成电路的主流 器件特征尺寸、集成度、硅片面积增加 3G―――3T
一般意义上的系统集成芯片
广义上的系统集成芯片
.
34
微电子技术的发展总结
时期
元件
运算速度
特点
第一代
电子管
每秒几千次
体积大，造价昂贵
第二代 第三代
晶体管
每秒几十万次
体积小、成本低
集成电路
几十万次到几百万 体积进一步减小，可靠
次
性提高
第四代
大规模、超大 几百万次到几十亿 规模集成电路 万次
体积更小、速度更快
.
10
10
目前主要的无铅焊料
Sn-Ag系（Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等） 熔点高（217-221℃） 成本高（Sn-Pb的二倍） 能耗大
Sn-Zn系（Sn-Zn、Sn-Zn-Bi等） ▪ 熔点低（198-199℃） ▪ 成本低（与Sn-Pb相当） ▪ 资源丰富
.
11
11
▪ 集成电路：
▪ Integrated Circuit，缩写IC
盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技 术条件下实现更高性能的系统指标
▪ 若采用SOC方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统 复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 ~ 0.18m工艺制 作的IC所实现的同样系统的性能
▪ 与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所 需要的晶体管数目可以有数量级的降低
金属：
Al，Cu，Au
SiO2 P型硅
N型硅
最基本的NMOS单元
多晶硅
其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等
.
5
5
封装体的主要类型
引线框架型 BGA型
ＤＩＰ（Dual Inline PackagＳe）ＯＰ（ Small Outline L-Leaded Package ） ＱＦＮ（ Quad Flat Non-Leaded PackagＱe Ｆ）Ｐ（ Quad Flat Package ）
X光铸模+压 塑技术 (LIGA)
微系统
国防、航空航天、生物医学、环境 监控、汽车都有广泛应用。 2000年有120-140亿美元市场
相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长
分子和原子级加工
.
从底层向上
31
MEMS技术和DNA芯片
▪ 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、
信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
条件
▪ 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为
EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品 开发等 ▪ 在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大 问题，尚未解决
.
18
▪ 第二个关键技术：互连技术
▪ 铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在 0.13um以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使 用时的可靠性问题还有待研究开发
标准单元
25
世纪之交的e
PCI Interface
VRAM
DSP
Processor Glue
Core
Glue Processor Core
Motion
Graphics MPEG
SCSI
MEMORY
Cache/SRAM or even DRAM
ＢＧＡ（ Ball Grid Array ）FC-BGA（ Flip Chip BGA ）
µ BGA
.
6
CSP（ Chip Scale Package ）
6
引线框架型封装材料
芯片
导电性粘接剂
金线
金属引线 芯片
封装树脂
塑封树脂
外腿
金属衬底
内腿
引. 线框架
7
7
BGA型封装的材料
金丝
芯片
塑封树脂
焊球
8
Solder Paste S. older Ball Solder Joint
9
铅的危害
Pb+1/2O2→PbO PbO+H2SO4→PbSO4+H2O PbO+HNO3→Pb(NO3)+H2O PbO+2HCl→PbCl2+H2O
SO2，NO2， Cl2
酸性雨
土壌汚染
鉛含有飲料 水
含铅电子垃圾
铅污染地下水
与引线框架型封 装不同的地方
.
BGA基板
8
焊料及焊球
焊料作为电子封装技术中最基本的互连材料，在实现 封装和保证可靠性方面承担着极为重要的角色
焊料
Au Wire
Chip
SnPb Plated Lead
DIE Chip
BT (Bismaleimide TriazinPe) CB
PCB
9
Substrate
▪ 衡量集成电路水平的指标之一是集成度：
▪ 100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路 ▪ 100~1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路 ▪ 1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 ▪ 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路
.
16
微电子技术的三个发展方向
▪ 21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向
.
35
我国年微电子发展现状
▪ 我国IC骨干企业地区分布及销售情况
13%
3%
17%
上海
江苏
北京
67%
浙江
.
36
6.4.2 IC制造一般构造与技术过 ▪ 集成电路设计与制造程的主要流程框架
求系 统 需
设计
掩膜版
单晶、外 延材料
芯片制 造过程
.
芯片检测 封装 测试
▪ 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极 管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照 一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶 片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内， 执行特定电路或系统功能.
.
12
▪ 集成电路
集成电路：制作在单块半导体材料上并通过连接形成完整电路的各种元器件 的集合。大部分固态器件的功能取决于组成器件结构的一个或者多个PN结 的性质。
▪ 特征尺寸继续等比例缩小 ▪ 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) ▪ 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学
科，例如MEMS（微机电系统）、DNA芯片等
.
17
微电子器件的特征尺寸继续缩小
▪ 第一个关键技术层次：微细加工
▪ 目前0.25m和0.18 m已开始进入大生产 ▪ 0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完成开发，具备大生产的
▪ SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地
设计
▪ SOC的优势
▪ 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题
▪ 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度
▪ 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器
▪ 使DRAM和CPU之间的速度接近
.
27
▪ SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全
6.4 微电子材料与芯片
6.4.1 微电子芯片发展概述
.
1
6.4.1 微电子芯片发展概述
微电子技术：
以集成电路为核心的电子技术。是在电子 电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成 和发展起来的。
它的每一创新都使社会化信息程度得到发 展。
.
2
全球IC市场发展状况
销售额（B US$）
$300 $250 $200 $150 $100
▪ MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉
及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
.
32
MEMS技术和DNA芯片
▪ 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片
上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯 片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发 现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、 疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有 极其重要的作用
IBM CPU
SOC DRAM
传输 反向多路器
DRAM
DRAM
MPEG解码
声频
视频
接口
接口
微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯 片。包括6000余种DNA基因片段。
.
33
电、光 、声、 热、磁 力等外 界信号
信息输 入与模/ 数传输
信 息 处 理
信息输 出与数/ 模转换
执 行 器 、 显
的采集
示
—各种
器
传感器
等 信息存储
一个微电子芯片上 23
六十年代的集成电路设计
•微米级工艺 •基于晶体管级互连 •主流CAD：图形编辑
Vdd A
B
Out
.
24
八十年代的电子系统设计
PE
系统 L2
IO
MEM
Math
• PCB集成
• 工艺无关
Bus Controller
Graphics
集成电路芯片
.
•亚微米级工艺 •依赖工艺 •基于标准单元互连 •主流CAD:门阵列
集成电路中电子部件的典型硅结构
.
13
集成电路的发展
1958年Texas Instruments 的 Jack Kilby 设计与制作了 第一块集成电路。
20世纪60年代，双极型晶体管占据集成电路市场的主要 份额
1975年，数字MOS器件成为集成电路的主流 器件特征尺寸、集成度、硅片面积增加 3G―――3T
一般意义上的系统集成芯片
广义上的系统集成芯片
.
34
微电子技术的发展总结
时期
元件
运算速度
特点
第一代
电子管
每秒几千次
体积大，造价昂贵
第二代 第三代
晶体管
每秒几十万次
体积小、成本低
集成电路
几十万次到几百万 体积进一步减小，可靠
次
性提高
第四代
大规模、超大 几百万次到几十亿 规模集成电路 万次
体积更小、速度更快
.
10
10
目前主要的无铅焊料
Sn-Ag系（Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等） 熔点高（217-221℃） 成本高（Sn-Pb的二倍） 能耗大
Sn-Zn系（Sn-Zn、Sn-Zn-Bi等） ▪ 熔点低（198-199℃） ▪ 成本低（与Sn-Pb相当） ▪ 资源丰富
.
11
11
▪ 集成电路：
▪ Integrated Circuit，缩写IC
盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技 术条件下实现更高性能的系统指标
▪ 若采用SOC方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统 复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 ~ 0.18m工艺制 作的IC所实现的同样系统的性能
▪ 与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所 需要的晶体管数目可以有数量级的降低
金属：
Al，Cu，Au
SiO2 P型硅
N型硅
最基本的NMOS单元
多晶硅
其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等
.
5
5
封装体的主要类型
引线框架型 BGA型
ＤＩＰ（Dual Inline PackagＳe）ＯＰ（ Small Outline L-Leaded Package ） ＱＦＮ（ Quad Flat Non-Leaded PackagＱe Ｆ）Ｐ（ Quad Flat Package ）
X光铸模+压 塑技术 (LIGA)
微系统
国防、航空航天、生物医学、环境 监控、汽车都有广泛应用。 2000年有120-140亿美元市场
相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长
分子和原子级加工
.
从底层向上
31
MEMS技术和DNA芯片
▪ 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、
信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
条件
▪ 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为
EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品 开发等 ▪ 在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大 问题，尚未解决
.
18
▪ 第二个关键技术：互连技术
▪ 铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在 0.13um以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使 用时的可靠性问题还有待研究开发
标准单元
25
世纪之交的e
PCI Interface
VRAM
DSP
Processor Glue
Core
Glue Processor Core
Motion
Graphics MPEG
SCSI
MEMORY
Cache/SRAM or even DRAM
ＢＧＡ（ Ball Grid Array ）FC-BGA（ Flip Chip BGA ）
µ BGA
.
6
CSP（ Chip Scale Package ）
6
引线框架型封装材料
芯片
导电性粘接剂
金线
金属引线 芯片
封装树脂
塑封树脂
外腿
金属衬底
内腿
引. 线框架
7
7
BGA型封装的材料
金丝
芯片
塑封树脂
焊球
8
Solder Paste S. older Ball Solder Joint
9
铅的危害
Pb+1/2O2→PbO PbO+H2SO4→PbSO4+H2O PbO+HNO3→Pb(NO3)+H2O PbO+2HCl→PbCl2+H2O
SO2，NO2， Cl2
酸性雨
土壌汚染
鉛含有飲料 水
含铅电子垃圾
铅污染地下水
与引线框架型封 装不同的地方
.
BGA基板
8
焊料及焊球
焊料作为电子封装技术中最基本的互连材料，在实现 封装和保证可靠性方面承担着极为重要的角色
焊料
Au Wire
Chip
SnPb Plated Lead
DIE Chip
BT (Bismaleimide TriazinPe) CB
PCB
9
Substrate
▪ 衡量集成电路水平的指标之一是集成度：
▪ 100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路 ▪ 100~1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路 ▪ 1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 ▪ 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路
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微电子技术的三个发展方向
▪ 21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向
.
35
我国年微电子发展现状
▪ 我国IC骨干企业地区分布及销售情况
13%
3%
17%
上海
江苏
北京
67%
浙江
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6.4.2 IC制造一般构造与技术过 ▪ 集成电路设计与制造程的主要流程框架
求系 统 需
设计
掩膜版
单晶、外 延材料
芯片制 造过程
.
芯片检测 封装 测试
▪ 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极 管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照 一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶 片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内， 执行特定电路或系统功能.
.
12
▪ 集成电路
集成电路：制作在单块半导体材料上并通过连接形成完整电路的各种元器件 的集合。大部分固态器件的功能取决于组成器件结构的一个或者多个PN结 的性质。
▪ 特征尺寸继续等比例缩小 ▪ 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) ▪ 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学
科，例如MEMS（微机电系统）、DNA芯片等
.
17
微电子器件的特征尺寸继续缩小
▪ 第一个关键技术层次：微细加工
▪ 目前0.25m和0.18 m已开始进入大生产 ▪ 0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完成开发，具备大生产的
▪ SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地
设计
▪ SOC的优势
▪ 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题
▪ 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度
▪ 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器
▪ 使DRAM和CPU之间的速度接近
.
27
▪ SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全
6.4 微电子材料与芯片
6.4.1 微电子芯片发展概述
.
1
6.4.1 微电子芯片发展概述
微电子技术：
以集成电路为核心的电子技术。是在电子 电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成 和发展起来的。
它的每一创新都使社会化信息程度得到发 展。
.
2
全球IC市场发展状况
销售额（B US$）
$300 $250 $200 $150 $100
▪ MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉
及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
.
32
MEMS技术和DNA芯片
▪ 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片
上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯 片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发 现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、 疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有 极其重要的作用
IBM CPU
SOC DRAM
传输 反向多路器
DRAM
DRAM
MPEG解码
声频
视频
接口
接口