微系统封装基础
Chapter 9 Advanced Packaging Technologies (3)
MEMS封装挑战
芯片厚度一致性差 划片/裂片难度大 封装应力
压敏器件
密封
压力传感器、光学器件 惯性传感器（真空）
…
MEMS封装
12
MEMS devices can be very fragile
pre-package handling concerns more protection by package
汽车工业 每部汽车内可安装30余个传感器：
气囊，压ห้องสมุดไป่ตู้、温度、湿度、气体等 微喷嘴 智能汽车控制系统 工业控制 化工厂 自动化控制中的探测器等
MEMS的应用
7
环境保护 无人值守大气环境监测网 高速公路环境监测网
消费类、玩具 消费类电器模糊控制：摄象机、洗衣机 虚拟现实目镜、游戏棒、智能玩具
OPTIC-MEMS
MEMS IC
Silicon or Metal Cap
Solder, weld, or polymer
Weld or seal
HERMETIC
WINDOW
Ceramic
HEAT SINK
Getter
250,000 mirrors
MEMS Digital Mirrors one section
Encapsulant MEMS FLIP CHIP
(HERMETIC)
Accelerometer (CAP)
DPL Modules, TI (HERMETIC)
Ink Jet MEMS in TAB Package (SELECTIVE)
(HERMETIC)
MicroRelay - Cronos (HERMETIC)
晶片级封装（WL-CSP）基础
晶⽚级封装（WL-CSP）基础晶⽚级封装(WL-CSP)基础本⽂详细讨论了Maxim的晶⽚级封装(WL-CSP)，其中包括：晶圆架构、卷带包装、PCB布局、安装及回流焊等问题。
本⽂还按照IPC和JEDEC标准提供了可靠性测试数据。
注：最终⽤户及安装⼈员应该负责提供其⾏业标准要求设计和装配⽂件，⾏业标准⽂件包括(但不限于)以下内容：概述晶⽚级(WL)芯⽚封装(CSP)是⼀种可以使集成电路(IC)⾯向下贴装到印刷电路板(PCB)上的CSP 封装技术，采⽤传统的SMT安装⼯艺。
芯⽚焊盘通过独⽴的焊球直接焊接到PCB焊盘，不需要任何填充材料(图1)。
WL-CSP技术与球栅阵列、引线型和基于层压成型的CSP封装技术不同，它没有绑定线或引出线。
图1. 4 x 4 WL-CSP照⽚，减少了两个球栅阵列的位置，电路侧视图WL-CSP封装技术最根本的优点是IC到PCB之间的电感很⼩，第⼆个优点是缩⼩了封装尺⼨并缩短了⽣产周期，提⾼了热传导性能。
WL-CSP结构Maxim的WL-CSP球栅阵列是在硅晶⽚衬底上建⽴的封装内部互连结构。
在晶⽚表⾯附上⼀层电介质重复钝化的聚合物薄膜。
这层薄膜减轻了焊球连接处的机械压⼒并在管芯表⾯提供电⽓隔离。
在聚合物薄膜内采⽤成相技术制作过孔，通过它实现与IC 绑定盘的电⽓连接。
WL-CSP焊球阵列是基于具有均匀栅距的矩形栅格排列。
WL-CSP球阵列可以包含任意⾏(2⾄6)和任意列(2⾄6)数。
焊球材料由顶标中A1位置的标⽰符表⽰(见图2中的顶标A1)。
A1为光刻的双同⼼圆时，表⽰焊膏采⽤的是低熔点的SnPb；对于⽆铅焊膏，A1处采⽤加号表⽰。
所有⽆铅WL-CSP产品底部的晶⽚迭层采⽤标准的聚合物薄膜保护层，该聚合物材料为硅⽚底部提供机械接触和UV光照保护。
WL-CSP球栅阵列设计和尺⼨Maxim的WL-CSP 0.5mm间隔的球栅阵列封装通常设计为2 x 2⾄6 x 6焊球矩阵(图2)，详细的WL-CSP尺⼨图可从⽹站下载：Maxim封装图。
微纳米机电系统
微纳机电系统微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。
微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。
微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。
MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。
一、引言从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。
而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。
二、纳米系统的意义、应用前景微纳系统的意义应用前景由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。
2.1 .重要的理论意义和深远的社会影响微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及学科领域广泛。
微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。
微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。
例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。
mems制作流程
MEMS制作流程1. 概述微机电系统（MEMS）是一种集成了微小机械结构、传感器、执行器和电子电路等功能的微型系统。
MEMS制作流程是将设计好的MEMS器件从初始材料开始，通过一系列工艺步骤逐步加工形成最终的器件。
本文将详细介绍MEMS制作的主要步骤和流程。
2. 设计在开始MEMS制作之前，首先需要进行器件的设计。
设计过程包括确定器件的功能、尺寸、材料选择等。
常见的MEMS器件包括压力传感器、加速度计、陀螺仪等。
3. 基础材料准备在进行MEMS制作之前，需要准备一些基础材料，包括硅片（通常为单晶硅或多晶硅）、玻璃基板、金属薄膜等。
这些材料将用于制作MEMS器件的基底和结构。
4. 硅片清洗由于硅片表面容易被污染，因此在进行后续工艺之前需要对硅片进行清洗处理。
清洗过程通常包括去除有机物和无机盐等污染物。
5. 硅片表面涂覆为了实现特定的功能，需要在硅片表面涂覆一层薄膜。
常见的涂覆方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。
涂覆的薄膜可以是金属、绝缘体或半导体材料。
6. 光刻光刻是MEMS制作中非常重要的步骤，用于定义器件结构的形状和尺寸。
光刻过程包括以下几个步骤： - 涂覆光刻胶：将光刻胶均匀涂覆在硅片上。
- 预烘烤：将硅片放入烘箱中进行预烘烤，使光刻胶变得更加坚固。
- 掩膜对位：将掩模与硅片对位，并使用紫外线曝光机将掩模上的图案转移到光刻胶上。
- 显影：使用显影剂去除未曝光区域的光刻胶。
- 后烘烤：将硅片放入烘箱中进行后烘烤，使已曝光区域的光刻胶更加坚固。
7. 干法刻蚀干法刻蚀是用于将硅片上的材料去除或改变形状的工艺步骤。
常见的干法刻蚀方法包括反应离子刻蚀（RIE）、高密度等离子体刻蚀（DRIE）等。
通过控制刻蚀时间和条件，可以实现不同形状和尺寸的结构。
8. 软件控制在MEMS制作过程中，软件控制起着重要的作用。
通过软件控制，可以精确地控制各个工艺步骤的参数，如温度、时间、气体流量等。
微电子学基础知识点总结
微电子学基础知识点总结微电子学是一门研究在微小尺度上实现电子电路和系统的科学与技术。
它是现代信息技术的基石，对电子设备的发展和创新起着至关重要的作用。
下面我们来详细总结一下微电子学的基础知识点。
一、半导体物理基础半导体是微电子学的核心材料。
半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，其电学特性由原子结构和能带结构决定。
常见的半导体材料如硅（Si）和锗（Ge）具有晶体结构。
在晶体中，原子通过共价键结合，形成周期性的晶格。
能带结构包括价带和导带。
价带中的电子被束缚在原子周围，不能自由移动。
当电子获得足够的能量跃迁至导带后，就能够自由导电。
半导体中的载流子包括电子和空穴。
电子带负电，空穴带正电。
在半导体中，电子和空穴的浓度会受到温度、杂质等因素的影响。
杂质的引入可以改变半导体的电学性质。
施主杂质能够提供电子，使半导体成为n 型半导体；受主杂质能够接受电子，形成p 型半导体。
二、PN 结PN 结是半导体器件的基本结构之一。
当 p 型半导体和 n 型半导体接触时，会形成 PN 结。
在 PN 结处，存在内建电场，阻止多数载流子的扩散，促进少数载流子的漂移。
PN 结具有单向导电性。
当外加正向电压时，PN 结导通；外加反向电压时，PN 结截止。
PN 结的电容特性包括势垒电容和扩散电容，这对高频电路的性能有重要影响。
三、晶体管晶体管是微电子学中的重要器件，常见的有双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。
BJT 由发射极、基极和集电极组成，工作原理基于电流放大。
FET 分为结型场效应管（JFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。
MOSFET 具有输入电阻高、功耗低等优点，在集成电路中得到广泛应用。
晶体管的特性曲线包括输入特性和输出特性，通过这些曲线可以分析其工作状态和性能参数。
四、集成电路制造工艺集成电路的制造是一个复杂而精细的过程。
主要工艺步骤包括光刻、刻蚀、掺杂、薄膜沉积等。
光刻是将设计好的图形转移到半导体晶片上的关键步骤。
内核基础
内核基础与wubi.exe安装Ubuntu应二组组长小甜甜之邀，写了这样一篇介绍操作系统内核基础的文章。
内核，顾名思义就是最内部的核心部分，也是最基础的部分，操作系统的内核是整个操作系统中最为核心的部分，直接控制着整个操作系统和硬件之间的联系。
内核的种类较多，有单内核、双内核、混合内核、微内核等等，我简单介绍一下微内核和混合内核。
1、微内核顾名思义，微内核仅包含最基础的部分代码，其他基于内核的操作都需要额外调用进程模块来实现。
微内核本身仅包含一个非常简单的HAL（硬件抽象层，相信了解过系统封装的同学会对这个概念有所了解）和一组原语，原语仅包含线程管理、地址空间、进程间通信等基础功能，任何基于它的系统服务都不包含在内核中，这样做的好处是，微内核的执行非常稳定，服务的崩溃对于内核几乎没有任何影响，因此在采用微内核的操作系统中很少见到死机现象。
当然，内核精简也有弊端，最大的弊端便是每次执行内核外代码都需要寻找并调用其他代码，内核执行效率低下。
微内核中比较典型的是Mach微内核，属于第一代微内核。
Mach 微内核是微内核的代表，但是有一点不同的是Mach微内核将部分服务集成到了内核中导致内核偏臃肿，因此又称Mach微内核为胖微内核。
基于Mach微内核的操作系统中最著名的是OS X，OS X的实质就是Mach微内核加上FreeBSD的子服务层，所以我们可以看到OS X的运行非常稳定，基本不会出现“五国”的错误（当然，指的是在苹果机上安装，普通PC机安装黑苹果有很大几率出现“五国”）。
2、混合内核混合内核在结构上比微内核多了一些内核服务，这样做的目的是为了在执行服务的时候不需要再额外寻找并加载，从而提高了内核的运行效率，但是又不能将所有的系统服务都集成在内核中，那样不仅需要庞大的内存基础，一旦某个服务出现问题就可能影响整个内核的稳定运行甚至导致内核崩溃，所以这种的办法是将核心服务集成在内核中，而其它优先级较低的服务则在需要时另外寻找调用，这样就构成了混合内核。
微型计算机硬件基础
❖ 随着内存扩展板的标准化，主板给内存预留专 用插槽，只要购置所需数量与主板插槽匹配的内 存条，如SDRAM(168线)、DDR(184线)，就可以 实现扩大内存和即插即用。
❖ (4)总线扩展槽
❖ 主板上有一系列的扩展槽，用来连接各种 功能插卡。任何插卡插入扩展槽后，都可以 通过系统总线与CPU连接，在操作系统的支 持下实现即插即用。。
微型计算机以微处理器为核心，加上存储设备、I ／0接口和系统总线组成。有的微型计算机将这些 部件集成在一个超大规模芯片上，称为单片微型计 算机，简称单片机。
➢ 3．微型计算机系统(Micro Computer System)
微型计算机系统是以微型计算机为核心，再配以相 应的外部设备、电源、辅助电路和控制微型计算机 工作的软件而构成的完整计算系统。
❖
第一，主板横向宽度加宽可使主板上许多输
入／输出信号接口直接从主板上引出。简单的外型
改造提高了系统的稳定性和可维护性。如串、并口、
鼠标接口等，这些信号在AT型主板上是依靠定制
的线缆联接到主机箱的后面板上。第二，主板上元
器件排列位置更趋合理。第三，提高了效率及系统
的可维护性，降低了系统开销。
❖ (2)ATX主板标准
❖ 〔2) 控制逻辑单元
❖ 控制逻辑单元主要完成指令的分析、指令及操作 数的传送、产生控制和协调整个CPU工作所需要的 时序逻辑等。
❖ 除了微处理器CPU外，计算机还拥有一种称为协 处理器的配套芯片。它是通过硬件电路高速度地完 成原来用软件完成的数学运算或其他处理工作的专 用处理器。
❖ 2．微处理器的性能
❖ (6)根本输入输出BIOS和CMOS
❖ BIOS是一组存储在EPROM中的软件，固化在母 板的BIOS芯片上，主要作用是负责对根本I／O系统 进展控制和管理。CMOS是一种存储BIOS所使用的系 统存储器，是微机主板上的一块可读写的芯片，用来 保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。 当计算机断电时，由一块电池供电使存储器中的信息 不被丧失。用户可以利用CMOS对微机的系统参数进 展设置。
电子封装的功能及类型
一、电子封装的功能及类型半导体微电子技术为现代科技、军事、国民经济和人们的日常工作与生活开创了前所未有的发展基础和条件，一直保持着良好的发展势头，半导体工业的年产值一般均以10以上的速度逐年递增。
电子封装伴随着电路、器件和元件的产生而产生，伴随其发展而发展，最终发展成当今的封装行业。
在电子技术日新月异的变化潮流下，集成电路正向着超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能的方向迅速发展，因而对集成电路的封装也提出了愈来愈高的要求。
中国环氧树脂行业协会专家说，而集成电路封装技术的进步又极大地促进了集成电路水平的提高，深刻地影响着集成电路前进的步伐。
半导体芯片只是一个相对独立的个体，为完成它的电路功能，必须与其他芯片、外引线连接起来。
由于现代电子技术的发展，集成度迅猛增加，一个芯片上引出线高达千条以上，信号传输时间、信号完整性成为十分重要的问题。
集成度的增加使芯片上能量急剧增加，每个芯片上每秒产生的热量高达10J 以上，因而如何及时散热使电路在正常温度下工作，成为一个重要问题。
有些电路在恶劣的环境水汽、化学介质、辐射、振动下工作，这就需要对电路进行特殊的保护。
由此可见要充分发挥半导体芯片的功能，对半导体集成电路和器件的封装是必不可少的。
电子封装的四大功能为：①为半导体芯片提供信号的输入和输出通路；②提供热通路，散逸半导体芯片产生的热量；③接通半导体芯片的电流通路；④提供机械支撑和环境保护。
可以说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光、力学等性能，还影响其可靠性和成本。
同时，电子封装对系统的小型化常起到非常关键的作用。
中国环氧树脂行业协会专家认为，集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、力学性能和光性能，同时还必须具有高的可靠性和低的成本。
可以说，无论在军用电子元器件中，还是在民用消费类电路中，电子封装都有着举足轻重的地位，概括起来即基础地位、先行地位和制约地位。
集成电路越发展越显示出电子封装的重要作用。
微电子工艺原理与技术第1章引论
发展更先进的制造技术，如纳米压印、3D 打印等，以实现更高精度和更复杂的微纳 结构制造。
智能化与自动化
绿色制造与可持续发展
推动微电子工艺的智能化和自动化发展， 提高生产效率和产品质量。
注重微电子工艺的环保性和可持续性，减 少资源消耗和环境污染。
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旋涂法
将溶液、溶胶或悬浮液等 流体涂覆在基片表面，然 后通过旋转基片使流体均 匀分布，形成薄膜。
光刻技术
掩模制备
根据设计图案制作掩模， 通常采用铬版或石英版作 为掩模基材。
对准和曝光
将掩模与基片对准，然后 通过曝光将掩模上的图案 转移到基片表面的光刻胶 上。
显影和坚膜
通过显影去除曝光或未曝 光部分的光刻胶，然后进 行坚膜处理以提高光刻胶 的抗蚀性。
离子注入掺杂
将杂质元素以离子形式注入到基片内部，然后通过退火处理使杂 质元素在基片中均匀分布。
气相沉积掺杂
在气相沉积过程中引入杂质元素，使杂质元素与基片材料一起沉 积在基片表面。
04
微电子封装与测试技术
封装技术概述
封装定义
将微电子芯片与外部环境隔离，并提供电气连接和机械支撑的技 术。
封装目的
保护芯片免受外部环境影响，提供稳定的电气连接，以及实现芯片 间的互连。
微电子工艺概述
介绍了微电子工艺的基本概念、发展历程和主要应用领域。
微电子工艺基础
阐述了微电子工艺的基本原理，包括半导体物理、器件工 艺和集成电路设计等。
微电子工艺实践
介绍了微电子工艺的实际应用，包括晶圆制造、封装测试 和可靠性等。
对未来微电子工艺发展的展望
新材料与新器件
先进制造技术
探索新型半导体材料和器件结构，如二维 材料、生物电子器件等，以提高性能和降 低成本。
MCM与SIP
系统级封装(SIP)是指将多个半导体裸芯片 和可能的无源元件构成的高性能系统集成于 一个封装内，形成一个功能性器件。 单一器件系统中，在系统级封装或芯片和底 板中封装集成了两种或两种以上的信号和功 能，包括数字、射频、模拟、光等信号。 系统封装能够在集成电路和封装中，提供最 优化的功能/价格/尺寸，缩短市场周期。 SIP可以实现较高的性能密度、集成较大的 无源元件，最有效的使用芯片组合，缩短交 货周期，还可大大减少开发时间和节约成本， 具有明显的灵活性和适应性。
3D-MCM的结构类型
埋置型 特点：在多层互连基板的底层 (内层)埋置IC芯片， 再在多层布线项层组装IC芯片，其间通过多层布 线进行高密度互连，基板多采用硅或其它高导热 基板
有源基板型 特点：在基板上直接制作多种半导体数字电路以 及薄膜电阻、电容，再在其上制作多层布线，然 后在布线项层组装模拟IC芯片和集成传感器芯片 、 光电子功能芯片等
以薄膜技术和 IC 工艺为 基 础 的一 种新的MCM互 连技术。是应用薄膜的层互连技术将金属材料蒸发 或溅射到基板上，用光刻法实现互连 。
MCM-L
采用多层印制电路板做成 的MCM 制造工艺较成熟，生产成 本较低 芯片的安装方式和基板的 结构所限，高密度布线困 难,电性能较差。 主要用于30MHz以下的产 品。
② 堆叠结构(3D) 芯片/器件在封装内3D装配，可以是芯片和芯片的堆叠， 也可以是器件和器件之间的堆叠，如倒装晶片通过硅片 面对面的堆叠，采用引线键合晶圆和晶圆的堆叠等 。
③ 内埋结构 指的是将一些被动元件或晶圆嵌入印刷电路板或聚合 体中，可以是一层，也可以是功能层多层的堆叠。
SiP的应用