微电子发展现状综述.doc

1微电子产业的发展规律及面临的发展瓶颈1.1集成电路封装技术的发展历史可划分为三个阶段：第一阶段(20世纪70年代之前),以通孔插装型封装为主:典型的封装形式包括最初的金属圆形(TO型)封装,以及后来的陶瓷双列直插封装(CDIP)、陶瓷一玻璃双列直插封装(CerDIP)和塑料双列直插封装(PDIP)等;其中的PDIP,由于其性能优良、成本低廉,同时又适于大批量生产而成为这一阶段的主流产品。第二阶段(20世纪80年代以后),从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变,从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展。表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命,得到迅猛发展。与之相适应,一些适应表面贴装技术的封装形式,如塑料有引线片式裁体(PLCC)、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、塑料小外形封装(PSOP)以及无引线四边扁平封装(PQFN)等封装形式应运而生,迅速发展。其中的PQFP,由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装,成为这一时期的主导产品。第三阶段(20世纪90年代以后),集成电路发展进入超大规模集成电路时代,特征尺寸达到0.180.25,要求集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。 因此,集成电路封装的引线方式从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展,引线技术从金属引线向微型焊球方向发展。在此背景下,焊球阵列封装(BGA)获得迅猛发展,并成为主流产品。BGA按封装基板不同可分为塑料焊球阵列封装(PBGA),陶瓷焊球阵列封装(CBGA),载带焊球阵列封装(TBGA),带散热器焊球阵列封装(EBGA),以及倒装芯片焊球阵列封装(FC-BGA)等。为适应手机、笔记本电脑等便携式电子产品小、轻、薄、低成本等需求,在BGA的基础上又发展了芯片级封装(CSP);CSP又包括引线框架型CSP、柔性插入板CSP、刚性插入板CSP、园片级CSP等各种形式,目前处于快速发展阶段。同时,多芯片组件(MCM)和系统封装(SIP)也在蓬勃发展,这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。MCM按照基板材料的不同分为多层陶瓷基板MCM(MCM-C)、多层薄膜基板MCM(MCM-D)、多层印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜混合基板MCM(MCM-C/D)等多种形式。SIP是为整机系统小型化的需要,提高集成电路功能和密度而发展起来的。SIP使用成熟的组装和互连技术,把各种集成电路如CMOS电路、GaAS电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感等集成到一个封装体内,实现整机系统的功能。1.2 集成电路技术发展面临的物理瓶颈沿着 “摩尔定律”, 集成电路技术走过了 50 余年的历程. 如今的生产技术已接近 22 nm。如果继续沿着按比例缩小 (scaling down) 之路走下去, 根据 2011 年 ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)的最新预测, DRAM 的最小加工线宽在 2024 年有可能达到 8 nm , 进入量子物理和介观 (mesoscopic) 物理的范畴。由于介观尺度的材料一方面含有一定量粒子, 无法仅仅用薛定谔方程求解, 另一方面, 其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度 (根据传统测量方法得到的硅原子半径为 110 pm,通过计算方法得到的硅原子半径为 111 pm),这就使得集成电路技术的进一步发展遇到很多物理障碍, 如费米钉扎、库伦阻塞、量子隧穿、杂质涨落、自旋输运等（如图一）, 需用介观物理和基于量子化的处理方法来解决。图一 进入介观尺度后集成电路技术的物理限制另一种物理限制是功耗。如图二表明， Pentium 的功率密度已与电炉相当. 由于高温对集成电路的高频性能、漏电和可靠性劣化产生巨大影响, 如任其发展, 则集成电路的发热要向着核反应堆、火箭喷嘴乃至太阳表面的功率密度发展, 显然, 这是不可能被接受的事实。 对于不断增长的热耗散, 要么采用水冷装置来解决散热问题, 但这与电子设备的小型化、轻量化、移动化的发展方向相悖; 要么必须开发低功耗乃至甚低功耗的集成电路来解决集成电路功耗不断上升的问题。图二 集成电路面临的功耗挑战从宏观的角度看, 集成电路也必须朝着低功耗的方向发展. 据 BP 于 2010 年 6 月发布的报告, 世界石油、煤炭和天然气的储量/产量比分别只有 45.7 年、119 年和 62.8 年, 也就是说, 如果没有新的能源储藏发现, 又没有新型能源替代上述能源, 而且过度消耗能源的生产方式和生活方式又不加以革命性的改变, 人类在 2050 年左右将用罄地球上存在的所有石油资源, 约 120 年后, 石油、煤炭和天然气以及所有使用这些能源的设备将只能成为我们的子孙后代在博物馆才能看到的历史遗迹。为了破解能源的困惑, 一要降低消耗, 二要开发新能源. 就集成电路产业而言, 降低能源消耗有两个途径, 一是集成电路自身要成为低功耗产品, 二是充分发挥集成电路在节能减排中的作用。降低集成电路自身功耗是集成电路业界多年来一直追求的目标. 中国科学院王阳元院士在国内首先提出了 “绿色微纳电子学” 的概念, 王阳元认为: “未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗, 不再仅以提高集成度即减小特征尺寸为技术节点, 而以提高器件、电路与系统的性能/功耗比作为标尺。”在集成电路的应用实践中, 人们也看到了集成电路为节能减排所做出的巨大贡献. 美国节能经济委员在其编写的半导体技术, 美国能源生产力革新的希望一书中列举了这样的数据: 2006 年, 在美国整个半导体技术的应用节约了大概 7750 亿千瓦小时的能源, 而且通过各种各样的政策和激励措施可以推动半导体节能技术投入的增加, 到 2030 年, 这些政策可能会促使这一现象的出现: 即与 2008年相比, 美国经济增长量将超过 70%, 但耗电量却减少了 11% 。开发新能源是集成电路可以大显身手的舞台。利用卫星遥感遥测、深海石油开发、陆地探矿技术可以加速发现能源储藏的进程; 利用集成电路工艺技术和控制技术, 可以尽快使太阳能、风能和生物质能逐步成为可实际应用的新能源。1.3突破集成电路的物理限制并满足节能社会的需求对此，目前在进行的有 3 条技术途径:其一, More Moore, 继续走 scaling down 之路, 将与数字有关的内容集成在单一芯片上, 成为芯片系统 (SoC, system on chip), 但 1614 nm 之后的大生产工艺尚不明朗, 还正在摸索之中; 其二, More than Moore, 采取系统封装 (SiP, system in package) 的方法将非数字的内容, 如模拟电路、射频电路、高压和功率电路、传感器乃至生物芯片全部集成在一起, 形成功能更全、性能更优、价值更高的电子系统;其三, Beyond Moore, 即采用自下而上 (bottom up) 的方法或采用新的材料创建新的器件结构, 如量子器件 (单电子器件、自旋器件、磁通量器件等) 和基于自组装的原子和分子器件 (石墨烯、碳纳米管、纳米线等), 也有可能随着物理、数学、化学、生物等新发现和技术突破, 另辟蹊径, 建立新形态的信息科学技术及其产业. 预计集成电路技术在 21 世纪 30 年代, 上述技术途径在相互碰撞的火花中会产生革命性的突破。虽然器件结构、器件材料在未来的几十年中有可能产生革命性的变化, 但是, 硅平面工艺作为加工工艺将相对长期存在, 如机械工业、航空运输业存在了 200300 年一样, 而且它的应用将从集成电路向各相关领域发展, 如微机电系统 (MEMS) 与纳机电系统 (NEMS), 用于制备各种传感器和生物芯片、显示器件、微光学系统、节能环保器件以及神经控制单元等。硅基 CMOS 技术 (包括经典与非经典) 在 21 世纪的上半叶仍将是集成电路的主流技术。其中, 为解决传统 (经典) CMOS 器件与电路遇到的各种困难而提出的包括新结构、新材料和新工艺在内的, 我们称之为非经典的 CMOS 器件与电路, 将在 45 nm 技术节点后逐步发挥作用 (图 23)。但是无论是哪种结构、材料与工艺, 从产业经济效益考虑, 必将首先采用与现行硅基 CMOS 技术相兼容。已经投入数以万亿美元的集成电路产业仍将保持着顽强的生命力。1.4 中国科学家取得的进展从上世纪五六十年代开始,以集成电路技术为核心的微电子技术,开创了一个神奇的电子时代。为了承载一多的信息量也为了获得更快的处理速一度,微电子器件一直朝着集成化和微一型化的方向发展,但是“一旦集成电路中单元器件特征尺寸小于某一值（如0.01微米或10纳米）时,微电子器件一将遇到尺寸上的物理极限”。因为在纳米尺度上将会产生显著的量子效应,一这将导致微电子器件的工艺复杂增大、成本提高，从而将会限制微电子技术的进一步发展。如此,意味着微电子时代的主体部分将发生革命性的改变。那么，我们该用怎样的信息技术迎接下一个时代?中国科学院院士高鸿钧指出：用具有特定功能的纳米体系来组装制备纳米尺度电子器件是未来电子器件的发展方向。1959年,物理学家理查德费曼认为,物理学的规律不排除一个原子、一个原子地制造物品的可能性。同时他还预言人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品。这是关于纳米技术最早的梦想。自上个世纪70年代开始,科学家就开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。1974年,日本科学家谷口纪南最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的葛宾尼博士和海罗雷尔博士合作研制了一台特别的仪器STM(Scanning Tunneling Microscope，扫描隧道显微镜或称扫描探针显微镜),这台奇特显微镜的发明使人们第一次领略到了原子世界的神奇魅力。这台显微镜系统含有一枚极细的探针,探针末端只有几个(甚至一个)原子大小,他们把这枚探针称为窥探原子世界的“眼睛”。这双眼睛能沿原子边缘逐个扫视,把它看到的景象传给电脑,在电脑上呈现出原子的图像。高鸿钧在原有的基础上进行研究,更加深入开展了STM及其在纳米量子结构中应用的研究。他提出了一种提高STM分辨能力的方法,观察到了过去不能“看”到的表面精细电子结构,得到了Si(111)77表面STM图像,这一成果被诺贝尔获奖者J.C.Polanyizai在2006年和2010年的两篇论文中提到,被誉为“迄今为止分辨率最高的STM图像”。在此基础上,高鸿钧又建立Ge在Si(111)77表面上初期吸附的“替代机制”,解决了Ge在Si(111)77表面上初期吸附位置在理论上和实验上一直悬而未决的问题同时,他还提出了用分子修饰的功能化针尖进行STM成像的物理模型及其成像机制,得到了对perylene分子特定电子态的选择性成像,证实了可用分子轨道作为STM探针进行成像。这个结果拓展了之前对STM成像机制的认识,为获得固体表面的精细电子结构以及深入研究纳米结构的生长提供了新途径。2高密度组装技术的发展先进集成电路封装的发展和推广应用,极大地推进了高密度组装技术的发展。80年代传统的组装技术中,最主要的形式是把DIP、SOIC、PLCC用SMT和THT技术组装在PCB上。90年代使用QFP,研制成功了BGA。即用先进的SMT技术对QFP和BGA进行再流焊,这是电路组装向高密度组装的一个重大进展。与此同时,90年代出现了MCM组装技术(即多芯片组件)它是一种先进的混合集成电路。MCM与SMT相比,面积减小36倍,重量减轻了3倍,可靠性提高4倍。它是先进封装技术的集中体现,是电路功能实现系统级的基础。当CSP替代裸芯片直接用于MCM时,大大促进了MCM应用和发展。目前MCM已成功的应用于大型通用计算机和超级巨型机。MCM正以每年12%的年增长率发展,到21世纪初叶将进入实用阶段,这将标志着微组装技术的完全成熟。电子设备对体积小,重量轻的要求是无止境的,尤其在空间电子应用,军用电子应用中更是如此。仅仅采用MCM这类二维组装是不够的,这就促使人们研究开发三维立体组装技术即3D技术。三维组装的指导思想是把IC芯片(MCM片),一片片叠起来,利用芯片侧面边缘在垂直方向进行互连,将平面组装向垂直方向发展为立体组装。从广义上讲,SMT是将封装好的元器件或IC芯片组装在电路基板表面上的板级电路组装技术。由于DCA在PCB和其它基板表面上进行,所以也可划归板级电路组装范围,并且从组件形态分析也属SMT范畴。MCM采用DCA技术,把几块CSP组装在PCB上,构成功能电路块,既是多芯片模块,也是整机的一个单元(部件)属于电子设备的组装技术。3D即三维立体组装技术既可应用于元器件封装,也是电子装备高密度组装技术的发展趋势。3D技术将是高密度电路组装技术的一个新的里程碑,它是组装技术从第四代SMT向第五代三维立体组装发展的重要标志。从而迎来了第三次组装革命的高潮。图三展示了THT.SMT.MCM.3D.MCM+3D 5种线路封装方法的进展情况。图三 五种线路封装示意图3光电互联工艺技术3.1器件与模块的光电互联光电子器件是光学元件和电子电路相结合的一类器件。一般可将光电子器件分为有源器件和无源器件。有源器件包括光源、光电检测器、光放大器以及由这些器件组成的各种模块。产品有发光二极管、激光器、光电二极管、光纤放大器、半导体激光放大器等。无源器件包括连接器、光耦合器、光衰减器、光隔离器、光开关和波分复用器、光纤光缆等。同时还有光电集成OEIC器件和光子集成PIC器件。由于光电子器件的多样性和复杂性，与之对应的封装与组装技术也是多种多样。光电子组件和模块封装是将这些光电元器件以及构成光通路的互联与电子封装集成为一个新的模块。这个模块可以看成是一个特殊的多芯片模块，其数很低、芯片尺寸很小，但其中包含的内容很丰富，如图所示，包含光电路基板、光电子器件、光波导、光纤、光连接器等。由光电子封装技术形成的光电电路组件或模块，亦称光电电路板（EOCB）或光电多芯片组件(OEMCM),是以光电印制板或光纤为载体的互联方式,它在印制板内层设计和制作光波导或光栅耦合装置,将传送电信号的铜导体和传送光信号的光路制作在同一基板,并在基板上采用SMT进行电子器件和光电子器件表面微组装,是一种可使光电表面组装元件之间完全兼容的混合载体,产品实例如图四所示。图五是光电印制板外形和结构示意图。 图四 光电路模块产品实例 图五 光电印制板外形和结构示意图3.2电路板之间的光电互联电路板之间光电互联的功能是把多块印制板电路连接成一个功能模块或组件，实现光电产品的分模块技术指标和要求。电路板之间光电互联的互联距离较短、集成度要求较高、要求内部和外部高速信号有多通道传输途径，传输和处理速度要快，在这个层次上传输信道主要采用光纤互联代替电缆或插座连接，完成线缆电路难以达到的特殊功能要求。图六为该类互联方式的示意图（见下页）。图六 电路板互联方式示意图3.3整机/系统级光电互联整机/系统级光电互联的功能是把较低层次如插箱或机柜连接成一个整体，实现光电产品的整体技术指标和要求。整机/系统级互联的互联距离一般较长，且要求内部和外部高速信号有多通道传输途径。在这个层次上传输信道主要采用光纤互联代替电缆连接，完成传统电缆连接难以达到的光电互联特殊功能要求。在许多高性能的电子系统(如ATM选择系统)中已经采用了光纤连接的网络,满足其低传输损耗、高传输速度、空间利用率高的要求，图七为该类互联方式示意图。图七 整机光电互联方式示意图参考文献:1 Minhua Lu,Da-Yuan Shih. Comparison of Electronmigration Behaviors of SnAg and SnCu SoldersJ.IEEE,2009,47:149-153.2 Liang Zhang,Ji-Guang Han. Microstructures and Proper