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　　注：本课件仅用于相关教师之间的交流，不作为学生学习之用配套教材由华中科技大学出版社出版 机械工程概论 第一章 绪论 9.1 概述 9.2 集成电路制造技术 9.3 印刷电路板的制造 9.4 印刷电路板装配 9.5 知识拓展 9.6 重难点 9.7 思考与练习 9.8 参考文献 机械工程概论 9.1 概述 半导体制造主要是指集成电路的基本单元(也叫IC、微芯片、芯片)的制造，其年增长率达到 18%。在不远的十年内半导体制造业的产值将达到1500亿美元，如果把半导体制造设备制造业 包括进去，这个数字将达到2000亿美元。现代半导体与集成电路已广泛应用于各类消费品及计 算设备的“计算大脑”中，而这又涉及到电路板制造及其集成电路、电路板及其他元器件的装 配制造。 制造微型设备需要精确复杂的设计和微型制造技术。大型晶片可减少原材料成本并且增加芯 片生产产量。半导体制造系统可在直径约200mm(8in)的晶片上生产0.25~0.35m的电路线in)直径的晶片已投入量产，国际半导体工业协会更预测2010~2016间450mm(18in)的 晶片将投入量产，它采用线m的生产技术。这一技术趋势可见图所示。 图9-1 半导体制造的发展趋势 在整个电子制造产业链中，除了集成电路制 造及电路板制造外，电子组装技术成为构建完整 电子产品的又一关键技术。从物理意义上说，电 子组装就是将一个系统中的电子器件相互实现电 连接，同时系统和外部装置通过接口联系。电子 组装也包括用于支撑和保护电器的必要机械结构。 一个复杂的系统往往包含大量的器件，相互间有 着复杂的联系，所以这类系统组装时通常采用分 层组装。 机械工程概论 9.1 概述 如图9-2所示，电子组装分为四层。最低层指在一块 半导体集成电路芯片上的电气内部连接，称为零级封 装，这一技术属于集成电路制造技术范畴；将封装在 塑料或陶瓷外壳中的IC芯片连接到外壳引脚上称为一 级封装，这一技术也属于集成电路制造技术范畴；通 过通孔插装技术或表面贴装技术将芯片和其他部件组 装到印刷电路板上称为二级封装；组装好的印刷电路 板安装到机架或其他框架上称为三级封装，在三级封 装中，电路板间用电缆连接，在一些大型的电子设备 中，如大型计算机，采用板卡封装，即小尺寸印刷电 路板（称为“卡”）被安装在大尺寸的印刷电路板上 （称为基板），基板为安装在它上面的卡提供了相互 间的连线；第四级封装是指在装有电子系统的电器柜 中各部件之间的电线、电缆连接电子制造。在相对简单的系统 中，不需要具备上述所有级别的封装。图9-2 大型电 子系统中的分层组装结构 本节将针对这一电子制造产业链中的上下游制造技术 对集成电路制造工艺、电路板制造技术、电子组装中 的二级封装技术进行简要的论述，以使读者对这一全 新的制造领域由一个全面的了解。 图9-2 大型电子系统中的分层组装结构 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 半导体材料是一种晶体材料(通常是硅)， 它的特性介于导体(如铝和铜)与绝缘体(如橡 胶和玻璃)之间。硅是地球上储量最丰富的元 素之一，是集成电路中应用最广泛的半导体 材料，它有着良好的综合性能和较低的价格。 硅还有很好的工艺特点，很容易氧化生成一 种在电路中绝缘性能较好的二氧化硅。硅掺 杂后可得到N型或P型半导体，把它们进行恰 当的整合，可得到NPN型或PNP型晶体管。 金属氧化物半导体是一种场效应晶体管 (MOSFET)，它们是集成电路的最基本单元。 在实际应用中，大部分普通集成电路是互补 金属氧化无半导体电路(CMOS),其结构如图 9-3所示。 图9-4双列直插式封装表示了集成电路芯 片的基本结构，集成制造的微电子器件相互 以微导线连接组合形成特定功能的电子芯片， 用导线和焊盘将电子芯片电路与外引脚连接。 为了防止电子芯片受损，同时便于和外部引 脚连接，电子芯片被放置在引线框架上，并 以特定的封装形式密封。 图9-3 互补金属氧化半导体结构 图9-4 双列直插集成电路芯片结构 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 如图9-5，以硅为衬底材料的集成电路 芯片的生产工艺过程分成三个阶段： 硅圆晶片的制作，包括从硅土、硅 酸盐（二氧化硅）中提炼高纯度硅，硅熔 化，生成单晶硅棒，单晶硅棒被切成硅圆 晶片； 集成电路芯片的制作，该阶段由多 个工序组成，完成在硅晶片（衬底材料） 上的特定区域制作微电子器件及其之间的 微导线连接，实现集成电路电子芯片的功 硅晶片上芯片的分割、封装和检测。图9-5 集成电路芯片的生产工艺过程 第一、二两个阶段常称作“前端”加工方法，第三阶段常称为“后端”加工方法。超大规 模集成电路生产过程中主要涉及的硅加工工艺技术包括：以单晶生长、晶片加工为主体的衬底 制备；以外延、氧化、蒸发、化学气相沉积等为主体的薄膜制备；以扩散、离子注人为主体的 掺杂；以制版、光刻、刻蚀为主体的微图形加工；以及电子组装与封装。 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 9.2.1 集成电路前端加工工艺 作为微电子器件衬底材料的硅不仅需要有很高的纯度，而且必须是晶格取向一致的硅单晶。 硅单晶切割成硅晶片时，还需要考虑晶向。 硅单晶锭制备首先是用含碳的电炉加热低纯度的硅或者硅铁。通过一系列的还原反应生成了掺有杂质的硅， 用蒸馏法把它转化成液体氯化硅使其提高纯度。在氢气中加热氯化硅得到超纯的多晶硅。 下一步采用切克劳斯基（CZ）法制备单晶硅。事实上用来制造集成电路的所有硅单晶都用 这种方法制备，也称直拉法，见图4-6。这种工艺对硅来说就是一种从液态到固态的单元素晶体 生长系统。直拉法拉晶装置由单晶炉腔、机械提拉机构、气氛控制系统和电子控制及电源四个 部分组成。 为了启动单晶硅的生长，常将籽晶插入硅熔液中，慢慢分离出纯硅来。单晶生长的方向一般 是111或100方向。在控制装置作用下，籽晶轴小心地向上提升。开始时，为了抑制位错大 量地从籽晶向颈部以下单晶延伸，提拉速度（提拉机构的垂直速度）相对快一点，使单晶硅在 籽晶上固化，形成细颈，见图4-7，随后提拉速度减慢，细颈仍以单晶结构逐渐生长为要求的单 晶硅直径。除了提拉速度，坩锅的旋转速度和其他的工艺参数也用于控制单晶硅的尺寸。 如果单晶硅被杂质污染，即使是微小量，也会引起硅的特性的极大改变，所以在单晶硅生长 过程中，必须注意防止被污染。为了减少发生不期望的硅反应及氧化，拉晶过程一般在真空或 惰性气体中进行。 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 图9-6 直拉法拉晶装置 图9-7 直拉法生长的硅单晶 硅晶片的预加工单晶硅锭需要经过一系列工艺过程加工成薄的圆盘式的硅晶片。主要包括：晶锭整形、晶片 切割和晶片精细加工。 晶锭整形硅是硬而脆的材料，对硅进行整形和切割一般采用金刚石砂轮工具。从晶片等径和电阻率均 匀性要求出发，整形加工的第一步是去掉拉晶时生成的单晶硅锭的收肩、放肩和尾部。 机械工程概论 拉制出的硅单晶存在外表面毛刺、直 径偏差等现象，还要对单晶硅锭外圆进行 滚磨整形，使单晶硅锭直径达到要求，见 图9-8（a）。外圆磨削后，通常沿单晶硅 锭的纵向磨出一个或几个小平面（图9- 8b）），这些平面的作用是：分类和鉴别 晶片；确定晶向；在自动化工艺设备中用 于晶片机械定位。 9.2集成电路制造技术 图9-8 单晶硅锭磨削塑形 晶锭切割将已整形、定向、标识的单晶硅棒，按晶向要求切割加工成符合一定规格的薄片。所得的 圆形晶片厚度大约是0.5mm，直径为200mm或300mm。图9-9示出用内圆金刚石砂轮锯片切 割晶片的工艺简图。晶片切割后边缘存在锋利的棱角，磨除晶片边缘棱角的工艺称之为边缘倒 角。图9-10是采用凹形金刚石砂轮进行边缘倒角加工的示意图。 图9-9 内圆金刚石砂轮锯片切割晶片 l一硅棒；2一内圆金刚石砂轮锯片；3一被切掉的晶片 图9-10 晶片边缘倒角 l一晶片；2一垇形金刚石砂轮 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 晶片精细加工切片后的晶片存在表面损伤层及形变，为了去除损伤层，并使晶片厚度、翘曲度等得到修正， 常采用研磨方法进行进一步加工，这一过程称之为磨片。磨片的方法很多，如行星运动平面磨 片、平面磨床磨片等。 磨片后的晶片表面仍有10m～20m的损伤层，因此要进一步对表面进行精细加工，去除表 面损伤层。一般先用化学腐蚀，然后再用抛光的方法去除表面缺陷、降低表面粗糙度和不平度， 从而获得“理想”表面。表面抛光方法见图9-11。 用化学清洗的方法清除所有的尘粒、细菌和 其他杂质。清洗的方法是把装在架子上的晶片浸入沸腾的化学清洗液中，并送入清洗室用去离 子水冲洗清除离子。这些加工工序有剧毒而且非常危险，因此，需要非常可靠的安全和环境保 护措施。 图9-11 表面抛光 1—抛光剂浆料；2—晶片夹具； 3—晶片；4—抛光盘 热氧化生成二氧化硅薄膜对一般的MOS加工工艺来说，第一道工序是在晶片上 生成一层氧化硅薄膜。如图所示，在精确的控制下，晶片 表面被加热并暴露在纯氧的环境下。这种方法称为热氧化 法。热氧化法是指硅与氧或水蒸气，在高温下经化学反应 生成SiO2。 通常热氧化所需的温度在 900以上。通过控制温度和 时间，可以控制氧化膜的厚度。热氧化法生长的SiO2中的 硅来源于硅晶片表面，要生长一个单位厚度的SiO2需要消 耗0.44个单位的硅层。如果要在非硅表面上生长二氧化硅 膜，热氧化法不再适用。此时，需要采用另外的工艺，如 化学气相沉积。 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 为了获得更厚的氧化层， 在后面的工序中可以用水蒸 汽加热晶片表面，如图9-12 所示。不过，还是需要用干 燥氧气的工艺来生成栅极氧 化物SiO2，因为用这种方法 可以使Si与SiO2具有更好的 面接触性能。 图9-12 晶片氧化过程与设备 加工光掩模集成电路设计版图要转移到一组照相纸或光掩模上。首先，把集成电路版图文件传送到曝 光用图形发生器中。图形发生器用曝光的方法把集成电路版图转移到光掩膜的感光干版上，这 一步类似于摄影后胶片的显影过程。感光干版上涂有感光乳胶或者是感光树脂，在曝光后，受 曝光的这些材料会脱落。这样，当这些感光材料脱落后，在干版上与集成电路版图相一致的图 形就变成透光的部分了。 光刻曝光技术把光掩膜的图像转移到晶圆上需要一种光学曝光的技术，狭义地称为光刻技术。广义的 光刻技术包括涂胶、显影、曝光和蚀刻三个经典步骤。每一道工序都会在晶片上特定的区域 内增加新的一层区域，而每一层区域的形状则是由代表电路设计信息的几何图形决定，这些 几何图形通过光刻技术反复进行，逐次绘制在晶片上。光刻是集成电路加工的关键技术。 机械工程概论 9.2集成电路制造技术 光刻技术中的涂胶是指在晶片表面涂上一层 感光树脂材料，其对特定波长的光线照射比较敏 感，可导致其溶解性增加或减小。根据光刻胶的 这种特性，在硅晶片上涂一薄层胶，根据掩模版 的图形，令其某些部分感光。经显影后，就可在 涂感光胶的硅晶片上留下掩模版上的图形，利用 这种图形，进一步对未覆盖的SiO2，Si或Si3N3 等材料进行刻蚀加工，即可把胶膜上的图形转换 到硅衬底的薄膜上去，从而做成各种元器件和电 路结构。一般步骤是，将液体感光树脂材料从中 心注入到圆形晶片上，在1000～5000r/min的转 速下形成一层均匀、薄的附着层，这层薄膜的厚 度可以通过改变液体的粘度和转速加以控制。用 氮气或空气暖箱使感光树脂干燥。 图9-15 光刻光学曝光 接触式；(b）接近式；(c)投影式光学光刻是用波长为200nm～450nm的紫外光(UV)通过掩模版有选择地遮挡照射到晶片表