微电子封装课程导论

发展方向
交通 物流 网络
人类社会发展的必然趋势—信息化
100
50
1750
1800
1850
1900
1950
2000
2050
三次工业革命
信息化社会必然催生出信息产业
2005年，全球信息产业近2万亿美元，已成为全球最大的产业。其 中微电子制造（IC）达5千亿美元，约占信息产业的25%。
市场规模 模（百亿 亿美元/年 年）
李
明
丁冬雁
胡安民
高立明
凌慧琴
杭弢
我们的全家福
主要参考书
1.《微电子制造科学原理与工程技术》
（ 美 ） Stephen A. Campbell 著 ， 曾 莹 等 译 ， 电 子 工 业 出 版 社 ， 2003.4出版。
2.《VLSI制造技术》
庄达人 编著，（台湾）高立图书有限公司， 1995.7出版。
设备制造技术
键合、塑封、冲压成型、 焊接等封装专用设备
所涉及的专业—是典型的交叉学科
微电子技术是一门多学科交叉、应用性强的综合性技术
电子学 机械学 材料学
物理学
封装技术所涉及的 专业知识
高分子化学
光 学
焊接学
电化学
微电子制造与材料的关系
器件原理
基本原理与结构 半导体材料及特性
A
芯片制造
光刻与薄膜制造技术 大马士革铜互连技术
印刷板上组装 仪器设备组装
仪器设备内互连 1000微米
微电子制造前道工程——芯片的制造
微电子制造后道工程——芯片的封装
印刷线路板上的组装
表 面 贴 装 法 引 脚 插 入 法
QFP/BGA等
焊浆印刷
贴 装
再流焊
电路基板
再流条件 235+-5℃,10sec
DIP等
插 装
波峰焊
完成后
电路基板 焊料环流 液态焊锡温度 約240℃
电子产品的解剖
电 产品是智能化商品 电子产品是智能化商品
信息系统 执行系统

发光 发声 发热 电 电磁波 运动 化学反应
情报收集 信息储存 信息处理 信息指令
大脑 心脏 脏 信息 能量
感知系统

信息 能量
能量系统

光信息 声信息 电磁信息 热信息 压力 位移 化学环境
Flash Spacer xRAM Spacer WB Logic Silicon Overmold #2 Flex substrate
Package to Package Interconnect
(Intel)
(Intel)
Intel的3维叠层互连技术
电子产品（集成电路）制造技术
硅片制造 半导体芯片 半导体 片 电子封装 晶体管制造与互连 晶体管制 与 60-500纳米 封装体内互连 20-500微米 基板上互连 100-1000微米
200 150 100 50 0 1990 1995
信息产业
汽车工业 钢铁工业
2000
2005
信息产业构成
信息产业
信息的处理与应用 信息的载体与传输

因特网 银行管理 电子商务 等等

计算机 手机 电视机 等等
应用软件 设计
电子产品 制造
信息产业与微电子制造

如果把信息产业看作摩天 大厦的话 那么电子制造 大厦的话，那么电子制造 就是使这座大厦得以顶天 立地的基石。
信息化的重要性
人体


血液循环系统： 能量供给、供热散热 营养供给、废物排放 神经网络系统 控制肌肉活动 协调组织器官 接受外来情报 测知环境变化
人体中的两大系统

执行器官 嘴—吃喝、表达 鼻—呼吸 手—动作 脚—动作
神经系统（高度发达）
神经 神 网络

感知器官

B
器件原理
C
芯片制造
微电子材料
D
电子封装
可靠性
电子封装
封装结构与功能 制造工艺与材料特性
可靠性
失效与材料的关系 可靠性测试技术
微电子制造知识构成
材料科学与工程：20% 材料基础 材料物理与化学 材料物 与化学 材料选择、加工与失效分析 设计与制造学科：~25% 25%
微电子学 微互连与电子制造 精密成型(形)制造, 检测技术 封装制造中的基础热问题 封装器件和系统的热设计和热管理
现代微电子封装材料及封装技术
第1部分 课程导论 李 明
材料科学与工程学院
课程背景、目的与要求 信息化社会与微电子产品 微电子产品的核心 基本制造过程与知识构成 微电子制造产业特点
信息社会与电子产品的关系
信息化生活
什么是信息化社会？

生活信息化 管理信息化 交通信息化 商务信息化
(Sharp)
(Intel)
Package-In-Package (PIP)
Potential Memory Ball Field Overmold #2
F ld d Stackable Folded St k bl Chip Chi Scale S l Package P k (FSCSP)
Overmold Adhesive
能量供给 散热系统
仍然包含两大系统
电子产品与人体是何等相似

执行器官 嘴—吃喝、表达 鼻—呼吸 手—动作 脚—动作
神经系统 （高度发达）
神经 神 网络

感知器官
神经 神

大脑 情报收集 信息储存 信息处理 信息指令
网络
耳—听觉 眼—视觉 嘴—味觉 鼻—嗅觉 皮肤—触觉
专业技术基础 ~60%
传热与优化：5%
自然科学基础 课(高数百度文库物理、 化学、计算机、 外语等)
可靠性与质量管理：5%
● ●
~40%
封装连接的可靠性 器件的可靠性
微电子制造技术的特点
是一门将产品如何做小、做精的学问； 属于多学科交叉，需要掌握广泛的背景知识 虽对材料有特殊要求，但材料基础是相通的 虽对材料有特殊要求 但材料基础是相通的 技术发展速度快，新技术不断涌现 对制造环境与材料可靠性有特殊要求
电路的形成——多层布线与互连
6kA SIN 10kÅ HDP Met 6 Met 5 Met 4 Met 3 Met 2 M 1 Met P+ N-Well P+ N+ P-Well N+
Au Wire Chip
PCB
Substrate Solder Paste
电子封装中的各种互连
引线框架型，引线键合
课程基本要求
授课方式： 课件与实物讲解相结合 教学与科研相结合 基础知识与发展前沿同时兼顾 课堂纪律： 出勤率达不到60% ，无成绩 成绩考核： 总成绩 = 出勤情况+平时作业+期末考试
授课团队
主讲： 李 明 参与： 胡 胡安民 高立明
mingli90@sjtu.edu.cn i li90@ jt d huanmin@sjtu.edu.cn lmgao@sjtu.deu.cn
微电子技术 （硬件部分）
芯片封装技术
微米级：20-500μm
设备等组装技术
手机、电脑、DVD等
各种应用软件技术
信息处理、程序编辑、
电路板组装技术
毫米级：0.2-5mm
整个微电子技术的主要构成（要素分类）
设计技术
膜特性、电气特性、热特 性 结构特性等设计 性、结构特性等设计
半导体制造技术
单晶硅制造、半导体参杂技 术 精密研磨技术 术、精密研磨技术、
功能材料技术
高分子材料、金属材料、 陶瓷材料 光电材料 陶瓷材料、光电材料
可靠性评价技术 靠性 价技术
应力分析、接点分析、 回路检测、无损测定等
微电子技术
各种 膜技术 各种成膜技术
化学法、溅射法、电镀 法、复合法
微加工成形技术
光刻成形技术、冲压成形 技术、注塑成形技术
键合 连接技术 键合、连接技术
金线键合技术、低温焊接技术、 布线技术
特
SiO2 绝缘膜 Vg = 0时
性
多晶体-Si栅极
源极与漏极间， 引出漏极（Vd） 由于NPN结的作用 drain 无电流通过。 N-Si 漏极 Vg > 0，但较小时 栅极与P-Si的 界面间产生正孔的 空乏层，无电流通 过。 Vg V > 0 ，且较高时 Vg 且较高时 栅极与P-Si的界 面间形成电子富集 层（电子隧道） 层（电子隧道）， 源极与漏极连通， 电流通过。
神经 神 大脑 情报收集 信息储存 信息处理 信息指令 网络
耳—听觉 眼—视觉 嘴—味觉 鼻—嗅觉 皮肤—触觉
血液系统（与动物类似）
血管网络 心脏

血管网络
营养输送 供热散热 垃圾处理
构成人类社会的两大系统
高度发达
信息 信息 网络

人类社会 工人 农民 知识分子 学生 商人 军队
微电子产品涉及的材料非常复杂
课程开设目的
本课程通过介绍有关微电子制造原理和工艺技术，使学生 对现代微电子产业及制造技术有较为全面的了解和掌握，加强 学生在制造业的高端微电子制造领域的知识面和创新能力。
满足国家对微电子材料的人才需求 系统掌握微电子材料相关知识 了解微电子材料与技术发展动向 培养对微电子材料及开发应用的兴趣 提升交大及我院在该领域的影响力
微电子材料与技术研究室团队

李明责任教授：日本博士，封装企业工作5年 丁冬雁副教授：哈工大博士，美国器件研究2年 胡安民副教授 清华博士 无铅焊料及可靠性研究 胡安民副教授：清华博士，无铅焊料及可靠性研究 高立明副教授：德国博士，德国西门子工作5年 凌惠琴 杭 弢 讲师：南大博士，材料物理，贝岭实习 讲师：南大博士 材料物理 贝岭实习 讲师：交大博士，早稻田大学博士后
血液系统
血管网络 心脏

血管网络
营养输送 供热散热 垃圾处理
手机系统概略图
微电子产品的基本构成
电子产品核心—集成电路
集成电路

晶体管（脑细胞） 二极管、三极管

电路（神经网络） 各种布线、各种互连
高度集成
集成电路基本单元—MOS三极管
引出栅极（Vg） gate N型隧道（电子隧道） 引出源极（Vs） source N-Si 源极
球珊阵列 引线键合 球珊阵列，引线键合
QFN，引线键合 球珊阵列，芯片倒装，凸点键合
带载，芯片倒装，凸点键合
印刷线路板上的各种互连
DIP
PGA
QFP、SOP
BGA
电子封装中的3维互连技术
Overmold Flash Spacer xRAM WB Logic Silicon Package to Package Interconnect

信息高速膨胀 信息快速传递 信息成为工作 信息改变人类
信息化社会 —— 在政治、商业，甚至个人生活在内的人类生 存的一切领域，以信息的获取、加工、传递和分配为基础的一 种人类文明。 种人类文明 与以往工业化文明相比，信息化不是关于物质和能量的转换 过程，而是关于时间和空间的转换过程。
P-Si
Vg
基极（Vsub） substrate
Vs Vsub
Vd
Vs
Vd
目前集成电路基本单元的尺寸-三极管
MOS的断面照片
电子互连在微电子产品中的作用
互连作用
Au Wire Chip
Solder Plated Lead
DIE
Chip
PCB
Substrate
PCB
Solder Paste Solder Ball Solder Joint
3. 《电子封装材料与技术》
[美]CHARLES.A.HARPER主编,中国电子学会电子封装专委会译校， 化学工业出版社,2006.3
4 《电子封装工程》 4.
田民波 编著，清华大学出版社，2003.9出版。
5 其他有关的微电子学术杂志和书籍 5.
课程主要内容
第一部分 课程导论 第二部分 芯片制造 第三部分 电子封装 第四部分 电子电镀
现代微电子封装材料及封装技术 现代微电 封装材料 封装技术
李 明
材料科学与工程学院
第一部分 导论 第二部分 芯片制造 第三部分 电子封装 第四部分 电子电镀
课程背景
现代所有高精尖技术无不涉及到半导体电子技术这门科学。 大到航天 航空 小到个人手机 玩具 半导体微电子技术已 大到航天、航空，小到个人手机、玩具，半导体微电子技术已 渗透到整个人类社会的每一个角落。 可以说 世纪是微电子技术与产业持续发展的新世纪 微 可以说21世纪是微电子技术与产业持续发展的新世纪，微 电子制造业作为一项战略性的基础产业，对于促进我国国民经 济持续发展和保证我国国家安全具有举足轻重的地位。 因此，无论你将来从事什么专业，了解和掌握这门科学对 你将会万利而无一害。
半导体微电子技术的基本构成
中国微电子产业分布比例
17% 设计 33% 芯片制造
50% 电子封装与测试
整个微电子技术的构成（过程分类）
集成电路的设计
各种元器件的设计
硅圆制造技术
单晶硅、多晶硅 化合物半导体
芯片制造技术
纳米级尺寸：5-500nm
可靠性评价技术
电气、散热、应力疲劳 材料匹配、模拟分析