一文解析微电子制造和封装技术

作者：张丹(南京大学电子科学与工程学院)

随着电子产品的高集成、小型化、高性能等发展趋势，对微电子技术的需求越来越高。微电子技术作为信息社会的重要支柱性产业，正扮演者越来越重要的作用。集成电路制造和封装技术作为微电子技术的发展核心，更是发展的关键。本文对微电子制造和封装技术的发展历程、技术现状以及发展方向进行了简要探讨，只有继续积极布局和推进微电子技术的发展，才能让我国在信息社会中处于领先。

微电子技术作为当今工业信息社会发展最快、最重要的技术之一，是电子信息产业的“心脏”。而微电子技术的重要标志，正是半导体集成电路技术的飞速进步和发展。多年来，随着我国对微电子技术的重视和积极布局投入，结合社会良好的创新发展氛围，我国的微电子技术得到了迅速的发展和进步。目前我国自主制造的集成芯片在射频通信、雷达电子、数字多媒体处理器中已经得到了广泛应用。但总体来看，我国的核心集成电路基础元器件的研发水平、制造能力等还和发展较早的发达国家存在一定差距，唯有继续积极布局，完善创新体系，才能逐渐与世界先进水平接轨。集成电路技术，主要包括电路设计、制造工艺、封装检测几大技术体系，随着集成电路产业的深入发展，制造和封装技术已经成为微电子产业的重要支柱。本文将对微电子技术的制造和封装技术的发展和应用进行简要说明与研究。

1 微电子制造技术

集成电路制造工艺主要可以分为材料工艺和半导体工艺。材料工艺包括各种圆片的制备，包括从单晶拉制到外延的多个工艺，传统Si晶圆制造的主要工艺包括单晶拉制、切片、研磨抛光、外延生长等工序，而GaAs的全离子注入工艺所需要的是抛光好的单晶片(衬底片)，不需要外延。半导体工艺总体可以概括为图形制备、图形转移和扩散形成特征区等三大步。图形制备是以光刻工艺为主，目前最具代表性的光刻工艺制程是28nm。图形转移是将光刻形成的图形转移到电路载体，如介质、半导体和金属中，以实现集成电路的电气功能。注入或扩散是通过引入外来杂质，在半导体某些区域实现有效掺杂，形成不同载流子类型或不同浓度分布的结构和功能。

从历史进程来看，硅和锗是最早被应用于集成电路制造的半导体材料。随着半导体材料和微电子制造技术的发展，以GaAs为代表的第二代半导体材料逐渐被广泛应用。直到现在第三代半导体材料GaN和SiC已经凭借其大功率、宽禁带等特性在迅速占据市场。在这三代半导体材料的迭代发展中，其特征尺寸逐渐由毫米缩小到当前的14纳米、7纳米水平，而在当前微电子制造技术的持续发展中，材料和设备正在成为制造能力提升的决定性因素，包括光刻设备、掩模制造技术设备和光刻胶材料技术等。材料的研发能力、设备制造和应用能力的提升直接决定着当下和未来微电子制造水平的提升。

总之，推动微电子制造技术发展的动力来自于应用设计需求和其自身的发展需要。从长远看，新材料的出现带来的优越特性，是带动微电子器件及其制造技术的提升的重要表现形式。较为典型的例子是GaN半导体材料及其器件的技术突破直接推动了蓝光和白光LED的诞生，以及高频大功率器件的迅速发展。作为微电子器件服务媒介，信息技术的发展需求依然是微电子制造技术发展的重要动力。信号的生成、存储、传输和处理等在超高速、高频、大容量等技术要求下飞速发展，也会持续推动微电子制造技术在加工技术、制造能力等方面相应提升。微电子制造技术发展的第二个主要表现形式是自身能力的提升，其主要来自于制造设备技术、应用能力的迅速发展和相应配套服务材料技术的同步提升。

2 微电子封装技术

微电子封装的技术种类很多，按照封装引脚结构不同可以分为通孔插装式和表面安装式。通常来说集成电路封装技术的发展可以分为三个阶段：第一阶段，20世纪70年代，当时微电子封装技术主要是以引脚插装型封装技术为主。第二阶段，20世纪80年代，SMT技术逐渐走向成熟，表面安装技术由于其可适应更短引脚节距和高密度电路的特点逐渐取代引脚直插技术。第三阶段，20世纪90年代，随着电子技术的不断发展以及集成电路技术的不断进步，对于微电子封装技术的要求越来越高，促使出现了BGA、CSP、MCM等多种封装技术。使引脚间距从过去的1.27mm、0.635mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm发展，封装密度也越来越大，CSP的芯片尺寸与封装尺寸之比已经小于1.2。

目前，元器件尺寸已日益逼近极限。由于受制于设备能力、PCB设计和加工能力等限制，元器件尺寸已经很难继续缩小。但是在当今信息时代，依然在持续对电子设备提出更轻薄、高性能的需求。在此动力下，依然推动着微电子封装继续向MCM、SIP、SOC封装继续发展，实现IC封装和板级电路组装这两个封装层次的技术深度融合将是目前发展的重点方向。

芯片级互联技术是电子封装技术的核心和关键。无论是芯片装连还是电子封装技术都是在基板上进行操作，因此这些都能够运用到互联的微技术，微互联技术是封装技术的核心，现在的微互联技术主要包含以下几个：引线键合技术，是把半导体芯片与电子封装的外部框架运用一定的手段连接起来的技术，工艺成熟，易于返工，依然是目前应用最广泛的芯片互连技术；载体自动焊技术，载体自动焊技术可通过带盘连续作业，用聚合物做成相应的引脚，将相应的晶片放入对应的键合区，最后通过热电极把全部的引线有序地键合到位置，载体自动焊技术的主要优点是组装密度高，可互连器件的引脚多，间距小，但设备投资大、生产线长、不易返工等特性限制了该技术的应用。倒装芯片技术是把芯片直接倒置放在相应的基片上，焊区能够放在芯片的任意地方，可大幅提高I/O数量，提高封装密度。但凸点制作技术要求高、不能返工等问题也依然有待继续研究，芯片倒装技术是目前和未来最值得研究和应用的芯片互连技术。总之，微电子封装技术经历了从通孔插装式封装、表面安装式封装、窄间距表面安装焊球阵列封装、芯片级封装等发展阶段。目前最广泛使用的微电子封装技术是表面安装封装和芯片尺寸封装及其互连技术，随着电子器件体积继续缩小，I/O数量越来越多，引脚间距越来越密，安装难度越来越大，同时，在此基础上，以及高频高密度电路广泛应用于航天及其他军用电子，需要适应的环境越来越苛刻，封装技术的可靠性问题也被摆上了新的高度。

3 结语

如果说集成电路设计是微电子产业的大脑，其制造与封测技术则是微电子产业的脊梁。随着国家和社会各界对微电子集成电路产业的高度重视和积极布局，我国的集成电路制造和封装技术日益强大的同时，为微电子行业的发展注入了强大内核和支撑，也体现着我国在科技强国的指引下高精尖产业蓬勃发展的不竭动力。总之，在科学技术是第一生产力的时代，微电子技术作为现代信息型社会的重要基础和核心产业，必将占据时代的高点，而继续坚定不移地推动微电子技术的发展和进步，是实现现代化的必由之路。因此，微电子技术在当下和未来对推动社会进步必将发挥不可替代的关键作用。

编辑：黄飞