首页- 新闻中心- 正文

IC的生产工序流程以及其结构的发展历史简述

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-09-25   阅读:1754

  一般来说我们对IC 的概念只停留在它是芯片或集成电路,或者是外观五花八门的小小的东西上面。对它究竟是什么?它是怎么来?它为什么外表各种各样?我们的了解可能不是很多,下面通过对IC 的生产工序流程和其结构发展历史方面的简述,希望让大家对IC 大体上有一个初步的把握。
  一, 电子元器件的相关概念和分类
  1, 概念
  电子元器件: 分为半导体器件和电子元件,它们是电子工业发展的基础,它们是组成电子设备的基本单元,属于电子工业的中间产品。IC(集成电路)是电子元器件中的一种半导体器件。
微电子技术: 一个国家的核心技术是指微电子技术,而微电子技术是指能够处理更加微小的电磁信号的技术,所谓微电是区别于强电。(例如照明用电)和弱电(例如电话线路)而言。微电子技术的代表就是IC 技术,主要产品就是IC
  2, 分类
  电子元器件分两类:半导体器件和电子元件
  半导体器件包括:半导体分立器件,半导体集成电路,特殊功能的半导体器件,其它器件。
  电子元件包括:电阻,电容,电感/线圈,电位器,变压器,继电器,
  传感器,晶体,开关,电池/电源,接插件/连接器,其他电子元件。
  二, IC的生产工序流程
  普通硅沙(石英砂,沙子)-->分子拉晶(提炼)-->晶柱(圆柱形晶体)-->晶圆(把晶柱切割成圆形薄片)-->光刻(俗称流片,即先设计好电路图,通过激光暴光,刻到晶圆的电路单元上)-->切割成管芯(裸芯片)-->封装(也就是把管芯的电路管脚,用导线接到外部接头,以便与其它器件连接。)
  详细流程注解:
  1, 业已确认,占地壳物质达到28%的石英在地表层呈现为石英砂石矿。用电弧炉冶炼石英砂将其转变成冶金等级硅。通过一步一步去除杂质的处理工艺过程,硅经历液态,蒸馏并最终再沉积成为半导体等级的硅棒,其硅的纯度达到99.999999%。随后,这些硅棒被机械粉碎成块并装入石英坩埚炉中加热熔化至1420摄氏度。
  2, 将一个单晶籽晶(种)导入熔化过程中,随着籽晶转动,晶体渐渐生长出来。几天之后,慢慢地将单晶提取出来,结果得到一根一米多长的硅棒,视其直径大小,硅棒的价值可高达8000美元到16000美元。这些纯硅单晶棒,每根重量达到(120公斤);
  3, 随后被金刚石锯床切成薄薄的圆晶片。这些薄片再经过洗涤、抛光、清洁和接受入眼检测与机器检测;最后通过激光扫描发现小于人的头发丝宽度的1/300的表面缺陷及杂质,合格的圆晶片交付给芯片生产厂商。
  4, 芯片结构设计人员设计好电路版图,完整的设计图传送给主计算机并经电子束曝光机进行处理,将这些设计图“刻写”在置于一块石英玻璃上的金属薄膜上,制造出掩膜。制作芯片是对薄膜进行重复进行涂光敏胶、光刻和腐蚀的组合处理,掩膜起着一个很像照相制版的负片作用。精确调准每个掩膜最为重要:如果一个掩膜偏离几分之一微米(百万分之一),则整个硅圆片就报废不能用。当光通过掩膜照射,电路图就“印制”在硅晶片上。每一个芯片大约需用20个掩膜,这些掩膜要在整个工艺过程棗从硅圆片到制造最终的芯片包括几百个工艺的流程的不同的位置点上定位。最终一块硅圆片能够做出一定数量的芯片。
  5, 一旦完成芯片制作过程,硅圆片在金刚石切割机床上被分切成单个的芯片,到此的单个芯片被称为“管芯”(DIE)。将每个管芯分隔放置在一个无静电的平板框中,并传送至下一步,管芯被插装进它的封装中。芯片封装保护管芯避免受环境因素影响,同时提供管芯和电路板通讯所必需的电连接,封装好的芯片在随后的使用中将要安装固定在电路板上。
  三, IC整体结构的发展历史
  1, IC封装结构发展历史
  TO 型(Transistor Outline 晶体管外形封装)-->DIP 型(Dual Inline Package 双列直插式封装)-->LCC 型(Lead Chip Carrier 芯片载体封装)-->QFP 型(Quad Flat Package 方型扁平式封装)-->PGA 型(Pin Grid Array 插针网格阵列封装)-->BGA 型(Ball Grid Array 球栅阵列封装)-->CSP 型
(Chip Size Package 芯片尺寸封装)-->MCM 型(Multi Chip Model 多芯片模块系统)
  详细封装历史注解:
  1) 封装是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。
  在foundry(加工厂)生产出来的芯片都是裸片(die),这种裸片上只有用于封装的压焊点(pad),是不能直接应用于实际电路当中的。而且裸片极易受外部环境的温度、杂质和物理作用力的影响,很容易遭到破坏,所以必须封入一个密闭空间内,引出相应的引脚,才能作为一个基本的元器件使用。
  IC 封装就是做的就是这种工作,通过金线邦定pad 和封装引脚,并采用强度较高的外壳将裸片包住,只露出引脚,就成了可以直接焊接在PCB板上的元器件。通常,封装和测试都是一体的,即做完封装后直接进行产品的测试工作,包括功能、性能和各种电气特性。测试完的产品可以直接提交给设计公司上市销售。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比,这个比值越接近1越好。封装时主要考虑的因素:
  a)芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1;
  b) 引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,
  提高性能;
  c) 基于散热的要求,封装越薄越好。
  2) IC 的封装一开始是TO 型(Transistor Outline 晶体管外形封装),但是
  由于它的缺点较明显,到了70 年代流行的是双列直插封装,简称 DIP(Dual In-line Package)。DIP封装结构具有以下特点:
  a) 适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,对比TO型封装,易于对PCB布线,操作方便。
  b) 芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。
  DIP封装结构形式有: 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)。
  衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比,这个比值越接近1越好。以采用40 根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)为例,其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1:86,离1相差很远。不难看出,这种封装尺寸远比芯片大,说明封装效率很低,占去了很多有效安装面积。
  3) 80年代出现了芯片载体封装,简称LCC(Lead Chip Carrier), 其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier) 、小尺寸封装SOP(Small Outline Package) 、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)。
  4) PQFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装
  PQFP(Plastic Quad Flat Package)封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式,其引脚数一般在100 个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD 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。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆
卸下来的。PFP(Plastic Flat Package)方式封装的芯片与PQFP方式基本相同。唯一的区别是PQFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。以0.5mm焊区中心距,208 根I/O引脚的QFP 封装为例,外形尺寸28×28mm,芯片尺寸10×10mm,则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1:7.8,由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是:
  a)适合用SMD表面安装技术在PCB上安装布线。
  b)封装外形尺寸小,寄生参数减小,适合高频应用。
  c) 操作方便。
  d)可靠性高。
  5) PGA插针网格阵列封装
  PGA(Pin Grid Array Package)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少,可以围成2-5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。PGA封装具有以下特点:
  a)插拔操作更方便,可靠性高。
  b)可适应更高的频率。
  6) BGA球栅阵列封装
  90 年代,随着集成电路技术的发展,对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性,当IC 的频率超过100MHz时,传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象,而且当IC 的管脚数大于208 Pin时,传统的封装方式有其困难度。因此,除使用QFP封装方式外,现今大多数的高脚数芯片(如图形芯片与芯片组等)皆转而使用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。
  BGA封装技术又可详分为五大类:
  a) PBGA(Plasric BGA)基板:一般为2-4层有机材料构成的多层板。。
  b) CBGA(CeramicBGA)基板:即陶瓷基板,芯片与基板间的电气连
  接通常采用倒装芯片(FlipChip,简称FC)的安装方式。
  c) FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬质多层基板。
  d) TBGA(TapeBGA)基板:基板为带状软质的1-2层PCB电路板。
  e) CDPBGA(Carity Down PBGA)基板:指封装中央有方型低陷的芯片区(又称空腔区)。
  BGA封装具有以下特点:
  a) I/O引脚数虽然增多,但引脚之间的距离远大于QFP封装方式,提高了成品率。
  b) 虽然BGA 的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善电热性能。
  c) 信号传输延迟小,适应频率大大提高。
  d) 组装可用共面焊接,可靠性大大提高。
  7) CSP芯片尺寸封装
  随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮,1994 年9 月日本三菱电气研究出CSP(Chip Size Package)封装。它减小了芯片封装外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封装尺寸就有多大。即封装后的IC
尺寸边长不大于芯片的1.2倍,IC面积只比晶粒(Die)大不超过1.4倍。
  CSP封装又可分为四类:
  a) Lead Frame Type(传统导线架形式),代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达(Goldstar)等等。
  b) Rigid Interposer Type(硬质内插板型),代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。
  c) Flexible Interposer Type(软质内插板型),其中最有名的是Tessera公司的microBGA,CTS 的sim-BGA 也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气(GE)和NEC。
  d) Wafer Level Package(晶圆尺寸封装):有别于传统的单一芯片封装方式,WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片,它号称是封装技术的未来主流,已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。
  CSP封装具有以下特点:
  a) 满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。
  b) 芯片面积与封装面积之间的比值很小。
  c) 极大地缩短延迟时间。
  CSP 封装适用于脚数少的IC,如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电(IA)、数字电视(DTV)、电子书(E-Book)、无线网络WLAN/GigabitEthemet、ADSL/手机芯片、蓝芽(Bluetooth)等新兴
 产品中。
  8) 为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题,把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统,从而出现MCM(Multi Chip Model)多芯片模块系统。
  MCM具有以下特点:
  a) 封装延迟时间缩小,易于实现模块高速化。
  b) 缩小整机/模块的封装尺寸和重量。
  c) 系统可靠性大大提高。
  2, IC原材料发展历史:
  金属、陶瓷原材料-->陶瓷、塑料原材料-->塑料原材料
  3, IC引脚形状发展历史
  长引线直插型-->短引线或无引线贴装型-->球状突点型
  4, IC装配方式发展历史
  通孔插装-->表面组装-->直接安装