第1章绪论〖1〗
11新技术革命浪潮下的微电子制造
制造业是将可用资源通过相应过程、转化为可供使用的工业品或生活消费品的产业。作为经济主要组成部分和财富主要来源的制造业，集成了人类的技术和工艺等多方面的努力进展。中国是世界最重要的制造业大国，随着世界制造业重心的转移，一批重要的制造业基地正在中国崛起。中国的制造业吸收了一半的城市就业人口、一半的农村剩余劳动力，财政收入的一半来自制造业。在未来10～20年，制造业将继续经历这一重大深刻改变，而制造者，尤其是中国的制造者，将面临更严峻的挑战。
1958年，美国德州仪器公司（Texas Instruments）的Kilby将半导体晶体管集中在同一芯片（图11），由此诞生了集成电路（integrate circuit, IC）芯片。之后，高分辨率的光致抗蚀剂（光刻胶，photo resist， PR）问世，光刻技术得到迅速发展，成为半导体器件和集成电路制造的关键工艺。
图11第一个晶体管和第一块集成电路
自20世纪60年代中期至今，硅基集成电路相继经历了小规模集成（small scale integration, SSI）、中等规模集成 （medium scale integration, MSI）、大规模集成 （large scale integration, LSI）和超大规模集成 （very large scale integration, VLSI）四个发展阶段。单个IC的集成度由数个发展到十亿个以上晶体管或门电路，输入输出（I/O）数也由几个发展到数百个甚至上千个。半导体微电子器件在原理和制造工艺上的不断突破，形成了具有强大生命力的信息技术产业，推动了以计算机（computer）、互联网（internet）为代表的信息技术的高速发展，为科学技术的许多领域注入了新的活力，彻底改变了人们的物质生活甚至精神生活方式。微电子工业已是21世纪的全球头号产业，可称为现代制造业的基础之一。
目前，集成电路对国民经济的贡献率远高于其他门类的产品。例如，以单位质量钢筋对国内生产总值（GDP）的贡献为1计算，则小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000。国民经济总产值增长部分的65%与微电子有关。2000年，集成电路发明人Kilby获得诺贝尔物理学奖，以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一大产业。2001～2010年这10年间，我国集成电路产量的年均增长率超过25%，集成电路销售额的年均增长率达到23%。2010年国内集成电路产量达到640亿块，销售额超过1430亿元，分别是2001年的10倍和8倍。中国集成电路产业规模已经由2001年不足世界集成电路产业总规模的2%提高到2010年的近9%［1］。中国已是拥有全球最大的电子信息市场的制造大国。2012年上半年，网络购物用户规模达到21亿，通过手机接入互联网的网民数量达到388亿，手机成为我国网民的第一大上网终端［2］。当前，以移动互联网（mobile internet）、物联网（internet of things）、云计算（cloud computing）为代表的战略性新兴产业快速发展，成为继计算机、网络通信、消费电子之后推动集成电路产业发展的新动力。
先进电子制造是关系国家利益和安全的战略性产业，也是当今世界竞争最激烈、发展最迅速的技术领域。与巨大且快速增长的国内市场相对照，中国集成电路产业虽发展迅速但仍难以满足内需。在先进电子制造中，中国的大型制造装备基本依赖进口，中国先进电子制造技术整体水平尚不能令人满意，在关键制造理论与技术方面距发达国家还有较大差距。中国目前仍处于集成电路消费大国的历史阶段，核心竞争力缺失。作为中国支柱产业的信息产业，很大程度上依赖于国外集成电路的支撑，信息社会的产业和技术基础并不十分牢固［3］。
1965年， Fairchild公司的Moore整理资料时发现，每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量［4］，这就是现在所称的摩尔定律（Moore′s law）。在摩尔定律提出后的40多年中，曾不断有专家认为芯片集成的速度已经达到极限。不过事实是，尽管翻一番的周期已经从最初的12个月增加到了如今的两年，摩尔定律跨越了Moore当时预计的1975年，但至今依然有效。芯片上的晶体管数目保持指数增长的趋势，引起了人们的惊异。惊异的是世界上还没有一个产业能以这样的速度持续发展，而且这一预测来自于年轻的研究人员。起源于物理和材料科学的发明，微电子制造在短短数十年发展成为全球头号产业，说明需求和市场的巨大作用，也说明在战略高技术方面缺乏基础研究，原创性技术的产业基础是薄弱的。摆在中国制造业和学术界面前的迫切任务，就是尽快在微电子制造领域赶上和超过世界先进水平。
微电子制造是指在微米、纳米尺度上将物理原理演变为物理现实，批量制造结构、器件和功能系统。微电子制造工艺和系统越来越精细复杂，是不可回避的现实。
有别于制造工艺技术的堆砌，制造科学主要处理指导工艺选择、优化方向和预估可能极限。美国国家科学院院士冯元桢（YuanCheng Fung）曾指出：“莱特兄弟的飞机飞上天时，并不懂得空气动力学。但如果没有空气动力学，就没有‘协和’飞机”。 微制造科学和微电子制造工程的关系与此类似。形象地说，制造科学是“基因溯源”的探讨而非“症状处理”的技术综合。因此，除了对具体工艺过程的技术研究，除了在材料科学、半导体物理领域处理，还必须从基础做起，拓宽研究范围。
以超声键合装备为例。为实现每秒15对线以上速度的互连，键合系统（图12）必须精密设计、调控到最佳状态。其中，超声功率源的启动和停止，压电元件的设计制作，换能系统、劈刀的材质和尺寸选择，动态键合力的施加，喂线、引线成形，均需要对键合工艺有深刻的理解、完整的设计和精密的控制。这是在毫米级的工具空间，通过微米级的操纵，在纳米尺度上产生强度，将工艺集成为一个设备可实现的自动化过程。
图12超声键合系统
人们已认识到，用自动化装备实现涉及规模、速度、可靠性的大批量制造（volume production），必须从机械、力学和测控的角度，深入把握制造装备进行的前道及后道工艺过程的细节。从这个角度上说，高性能电子产品制造装备的发展方向是：高精度（控制精度趋于纳米级、加工精度趋于亚纳米级）、超微细（线宽小于100nm）、高加速度（引线键合运动系统加速度高达10g）和高可靠性（千小时失效率低于10-9）。在上述四个方面领先，首先需要在关键制造技术上取得突破。它们的共性关键技术为：微结构制造技术、微间隙控制技术、微连接技术、高精度加工技术、高速度、高精度运动控制技术、数字化制造技术等。这些技术的实现，需要解决三个关键科学问题：制造表面和界面间的原子、分子和纳米粒子的行为与作用规律；极限制造过程中混合约束的统一表达；极限制造中超精密运动生成原理及控制策略。
12现代微电子制造业中的封装互连〖1〗
121微电子封装和电气互连
微电子封装是IC芯片转变为功能产品的最后一个制造过程，封装为芯片进入工作状态提供信号与能量传输必需的电气连接，同时提供散热通道和可靠的物理支撑与保护。使用中的集成电路芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。封装后的芯片也便于安装和运输。封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印制电路板（PCB）的设计和制造。1947年，第一只晶体管的发明开创了微电子封装的历史。
微电子封装对IC产品的体积、重量、性能、可靠性、成本等都有重要影响，封装在整个IC的成本中所占比例越来越大。IC制造成本的40％是用于封装的，而IC失效率中超过25％的失效因素源自封装。封装所占成本由中小规模集成电路的10%增加到大规模集成电路的80%。实际上，封装已成为研发高性能电子系统的关键环节和制约因素，全球微电子制造业对高密度、高可靠封装技术一直十分关注［5］。
微电子封装已成为制造大规模集成电路的关键之一。随着芯片特征线宽减小，芯片不断变薄，芯片的前道制作与后道封装不断融合，许多先进的封装工艺与技术应运而生，其中可望应对32nm特征线宽芯片封装要求的新技术主要有晶圆级封装（wafer level packaging, WLP）、系统级封装（system in a package, SIP）、基板嵌入式封装 （die embedded in substrate, DES）等。
20世纪70年代流行的是双列直插封装 （dual inline package, DIP）。DIP的结构形式有多种，如多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP、引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式）等［图13（b）］。DIP封装结构适合PCB的通孔安装，比TO型封装易于PCB布线，操作方便。
扁平封装是大规模或超大规模集成电路采用的封装形式。塑料方型扁平封装（plastic quad flat package, PQFP）芯片的四周均有引脚，其引脚总数一般都在100以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细［图13（c）］。用这种形式封装的芯片必须采用SMT（表面安装技术）将芯片边上的引脚与主板焊接起来。采用SMT安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。PQFP适用于表面安装技术在PCB上安装布线，适合高频使用，具有操作方便、可靠性高、工艺成熟、价格低廉等优点。
图13几种封装形式
20世纪90年代后，随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求更加严格。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新品种——
球栅阵列封装（ball grid array package,BGA）。它的I/O引脚以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度缩短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲问题（图14）。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除方形扁平封装（quad flat package,QFP）的高I/O数带来的生产成本和可靠性问题。例如，美国LSI Logic公司推出的FPBGA4L，共有四层有机材料的衬底，它的膨胀系数同线路板材料十分接近。硅芯片直接接触到铜的散热板上，所以具有很好的散热性能。每边的尺寸最大达40mm，引出端最多可达1157个。
图14集成电路BGA的内部结构
总体说来，集成电路封装大致有三次重大革新：第一次是在20世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片技术（surface mount technology, SMT）封装，极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在1990年BGA的出现，它不但满足了市场高引脚的需求，而且大大地改善了半导体器件的性能；晶片级封装、系统级封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装尺度减到最小。
122封装的层次
整个IC生产中的后道生产过程有晶圆减薄（磨片）、晶圆切割（划片）、上芯（黏片）、压焊（键合）、封装（包封）、前固化、电镀、打印、后固化、切筋、装管、封后测试等工序。
为研究微电子产品的散热，定义了微电子封装等级［6,7］，见图15。
（1） 一级封装是指芯片（单芯片或多芯片）上的输入输出I/O与引线框架或基板的互连，即用封装外壳（金属、陶瓷、塑料等）封装成单芯片组件（SCM）和多芯片模块（MCM），常称为芯片（器件）级封装。
（2） 二级封装是指集成块（封装块）连入PCB或卡板（card）上，即将一级封装和其他元器件一同组装到基板（PCB或其他基板）,又称板级封装。
（3） 三级封装是指将电路板或者卡板连入整机母板上，即将二级封装组装到母板上，也称母板实装。
图15微电子产品的三级封装［7］
123芯片互连级封装
半导体封装的外部形式以及内部的连接方式，与其工艺实现过程有密切联系。其中，内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部电气连接、确保芯片和外界之间的输入输出畅通的重要作用，是整个封装过程的关键。局部互连（local interconnect）是指在晶体管与钛硅化物接触之间形成金属连线。一级互连则指芯片上焊盘（pad）和引线框架或基板的电气连接。互连方式的发展将直接影响着整个半导体封装业的动向。封装的一级互连方式主要包括引线键合、倒装芯片键合和硅片键合。
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