上海交通大学：《材料科学与工程前沿》课程教学资源（案例讲座）微电子材料与产业

圈上汗天大￥ 圈上汗久大学 我国电子制造受制于人的现状 微电子材料与产业 “中兴通讯事件”虽以10亿美元 罚款+4亿美元保证金的代价暂时 平息，但从中暴露出中国在一些 李明 关键核心技术上受制于人的现状， 莫进口禁止出芯片给中兴圆讯 材料科学与工程学院 值得我们反思。 如何我国在高端技术制造方 面解决一些卡脖子问题，相关基 芯片进口 一第一部分微电子产业 驶研究方面要先行一步， ,第二部分芯片制造 >我国近年进口芯片达2500亿 第三部分电子封装 美元，远大于原油进口 原油进口 (1700亿美元)： 因上汗大大多 因上大学 人类社会发展的必然趋势一信息化 三次工业革命 100 第三次工业革命 远河 大 微 50 祥交通 铁器交通 道交通 信惠通讯 第二次工业革命 第次工业革命 电机 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 燕汽机 1760 190081950￥ 图1 三次工业苹命进程 圈上洋天大￥ 因上泽天大学 信息化社会必然催生出信息产业 信息产业构成 中精然授纪青餐路整结大产业。关 信息产业 200 信惠产业 因特网 。计算机 ) 150 信息的处理与 银行管理 。手机 汽车工业 电子商务 ·电视机 100 的体与传 整修 % 铁工业 应用款件 电产品 设计 制造 1990 1995 2000 2005 1

1 微电子材料与产业 李 明 材料科学与工程学院 第一部分 微电子产业 第二部分 芯片制造 第三部分 电子封装 我国电子制造受制于人的现状  我国近年进口芯片达2500亿 美 元 ， 远 大 亍 原 油 进 口 （1700亿美元）； 原油进口 芯片进口 我国近年芯片与原油进口对比 美国进口禁止出售芯片给中兴通讯 “中兴通讯事件”虽以10亿美元 罚款+4亿美元保证金的代价暂时 平息，但从中暴露出中国在一些 关键核心技术上受制亍人的现状， 值得我们反思。 如何我国在高端技术制造方 面解决一些卡脖子问题，相关基 础研究方面要先行一步。 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 100 50 人类社会发展的必然趋势—信息化 三次工业革命 150 50 100 200 0 1990 1995 2000 2005 信息产业 汽车工业 钢铁工业 市场规模（百亿美元/年） 2005年，全球信息产业近2万亿美元，已成为全球最大的产业。其 中微电子制造（IC）达5千亿美元，约占信息产业的25%。 信息化社会必然催生出信息产业 信息产业构成 信息产业 应用软件 电子产品  因特网  银行管理  电子商务 等等  计算机  手机  电视机 等等 设计 制造 信 息 的 载 体 与 传 输 信 息 的 处 理 与 应 用

因上汗大程 圈上汗《大多 人类社会未来发展趋势 电子信息技术是人工智能化的基础 气器 除国“工业4.0° 电子信息技术正在引领产业智人， 882 日幸日本产业蛋插计智”与机罐人新位暗” 产2人 e = 中国”中国通2025 0星线害线 n进一少发最 厦eAO ©上洋元大学 圈上汗天《大学 信息化的重要性 人体中的两大系统 神经系统（高度发达） 人体 执行暴宫 感加琴官 喷一吃喝、表达 神经人 鼻一呼吸 神经 ·耳一听觉 。血液循环系统： 网络 大窗 网络 眼视觉 手一动作 喷—味觉 能量供给、供热散热 ·脚一动作 鼻一觉 营养供给、度物排放 皮肤触觉 ·神经网络系统 僧愿湘◆ 控制肌肉活动 血液系统（与劝物类似） 协调组织器官 血管网路 血管网络 接受外来情报 测知环境变化 窗上汗大子 因上泽天大学 徽电子产品涉及的材料非常复杂 >电子产品的解剖 电子产品是智能化商品 一信意系统、、 执行系统 情报收集 感知系统 。发光 信息德存 。光惠 发声 信意处理 发热 ·信惠滑令 声信点 电 腹喜人 入信喜入 嘉信息 电磁波 能量 鼬量 压力 运动 位移 E-QOLDvolce 化学反应 能量系航 化学环境 。能量供给 、·散热聚 仍然包含两大系统 2

2 人类社会未来发展趋势 Feature sizes of PCBs 电子信息技术正在引领产业智 能化革命 移动终端市场: 高端多媒体 智能手机 / 便携式媒体播放器 高密度固态 存储 & µ卡 计算市场: 笔记本电脑 /模数互连器件MID ‘connectivity’ devices 消费市场: 游戏 / 图形 应用 程序引擎 工业市场:高性 能计算/ 网络, 服务器 消费市场:高性能数码相机 无线市场: 连接 / 网络中 心 医疗 军事 & 航空 交通: 自动驾驶， 火 车，混合动力汽 车/电动汽车 新能源市场: 光伏发电，风力发 电… 电信:电源 供应… 工业市场 1970 通孔技术 1980 表面贴合设 备 1990 CSPs BGAs SiPs 2000 WLCSP SiPs进一步发展 覆晶BGA PoP 2010 3DIC TSV Fan-Out WLCSP 铜凸块 2020 3D系统集成 高密度存储 大功率器件 光电传输/转换 柔性电子 2030 电子信息技术是人工智能化的基础  血液循环系统： 能量供给、供热散热 营养供给、废物排放  神经网络系统 控制肌肉活动 协调组织器官 接受外来情报 测知环境变化 人体 信息化的重要性  嘴—吃喝、表达  鼻—呼吸  手—动作  脚—动作  耳—听觉  眼—视觉  嘴—味觉  鼻—嗅觉  皮肤—触觉 大脑 执行器官 神经系统（高度发达） 感知器官  情报收集  信息储存  信息处理  信息指令 心脏 血液系统（与动物类似）  营养输送  供热散热  垃圾处理 神经 网络 神经 网络 血管网络 血管网络 人体中的两大系统 微电子产品涉及的材料非常复杂 电子产品是智能化商品  发光  发声  发热  电  电磁波  运动  化学反应  光信息  声信息  电磁信息  热信息  压力  位移  化学环境 大脑 心脏 信息系统 执行系统  情报收集 感知系统  信息储存  信息处理  信息指令 能量系统  能量供给  散热系统 信息 能量 信息 能量 仍然包含两大系统 电子产品的解剖

因上汗大程 因上济汽大亭 电子产品核心一集成电路 集成电路基本单元一MOS三极管 集成电略 期由叠极(V2) 性 业题道（电于能道） 502随旅康 Vz=时 。品体管（脑细胞） 。电路（神经网路） 很与漫限具 二极管、三极管 各种布线、各种互连 明出源授(V)1 多件5轻授 t引出圈最(vd) source 由于NPA射的作用 无略过。 Vg>,但较小时 服每.的 界圆岗产生正孔的 黄甜 substrate V>0,且较离时 高度巢成 题餐时P.s的界 司l应息 （电子道）， ©上泽文大号 ©上汗汽《大多 电子互连在微电子产品中的作用 电路的形成一多层布线与互连 工诸作用 机帐连树电气连接尺寸过视散格两道 Solder Plated Lead Au Wire PCB PCB Solder Paste Solder Ball Solder Joint PCB ubstrate SolderPaste 因上洋天大子 圈上手天大学 电子封装中的各种互连 印刷线路板上的各种互连 明线框架型，引线糖合 球漏阵列，明，使合 QN,引线M合 球廉阵列，芯片侧装，凸点健合 停缘苍片铜黄，凸点使台 3

3 电子产品核心—集成电路  晶体管（脑细胞） 二极管、三极管 集成电路  电路（神经网络） 各种布线、各种互连 高度集成 Vg Vs Vsub Vd 特 性 Vg = 0时 源极与漏极间， 由于NPN结的作用 无电流通过。 Vg > 0，但较小时 栅极与P-Si的 界面间产生正孔的 空乏层，无电流通 过。 Vg > 0 ，且较高时 栅极与P-Si的界 面间形成电子富集 层（电子隧道）， 源极与漏极连通， 电流通过。 引出漏极（Vd） drain P-Si 多晶体-Si栅极 SiO2 绝缘膜 引出栅极（Vg） gate N-Si 源极 N-Si 漏极 基极（Vsub） substrate 引出源极（Vs） source N型隧道（电子隧道） Vg Vs Vd 集成电路基本单元—MOS三极管 Chip DIE Chip PCB PCB Solder Plated Lead Substrate Au Wire Solder Paste Solder Ball Solder Joint 互连作用 电子互连在微电子产品中的作用 电路的形成——多层布线与互连 N-Well P-Well P+ P+ N+ N+ Met 1 Met 2 Met 3 Met 4 Met 5 Met 6 6kA SIN 10kÅ HDP Chip PCB Substrate Au Wire Solder Paste 电子封装中的各种互连 带载，芯片倒装，凸点键合 球珊阵列，芯片倒装，凸点键合 球珊阵列，引线键合 引线框架型，引线键合 QFN，引线键合 DIP PGA QFP、SOP BGA 印刷线路板上的各种互连

圈上泽大大学 圈上汗久大学 >电子产品 (集成电路)制造技术 微电子制造前道工程—芯片的制造 佳井制滤 举导体芯片 品体管前速与互违7.500钠米 电于封装 封辣体内互连10.506量米 印则板上组装 蒸板上五连50300撤米 仪警设各粗黄 仪设各内互走100心撒米 因上泽汽大号 圈上汗天《大学 微电子制造后道工程一芯片的封装 印刷线路板上的组装 品 QFP/BGA等 牌菜印 贴口再焊 表面贴装法 2色 再瓷条件 2354.51.1050 完成后 引脚 2400 窗上汗大子 因上泽天大学 中国徽电子产业分布比例 整个微电子技术的构成 17%设计 33%芯片制造 5500 可靠性评价技术 微电子技术 芯片封装技术 电青心金。换拉分所 (硬件部分) L 设备等组装技术 各种应用软件技术 电路板组装技术 F机.电解，DWD 老米：02-5m 位息变理、程中机： 50%电子封装与测试 4

4 晶体管制造与互连 7-500纳米 封装体内互连 10-500微米 基板上互连 50-300微米 仪器设备内互连 1000微米 半导体芯片 仪器设备组装 电子封装 印刷板上组装 硅片制造 电子产品（集成电路）制造技术 微电子制造前道工程——芯片的制造 微电子制造后道工程——芯片的封装 印刷线路板上的组装 焊浆印刷 贴 装 再 流 焊 QFP/BGA等 电路基板 再流条件 235+-5℃,10sec 表 面 贴 装 法 插 装 波峰焊 完成后 焊料环流 DIP等 电路基板 液态焊锡温度 約240℃ 引 脚 插 入 法 中国微电子产业分布比例 17% 设计 33% 芯片制造 50% 电子封装与测试 集成电路的设计 各种元器件的设计 硅圆制造技术 单晶硅、多晶硅 化合物半导体 微电子技术 （硬件部分） 芯片制造技术 纳米级尺寸：5-500nm 芯片封装技术 微米级：20-500μm 电路板组装技术 毫米级：0.2-5mm 可靠性评价技术 电气、散热、应力疲劳 材料匹配、模拟分析 各种应用软件技术 信息处理、程序编辑、 设备等组装技术 手机、电脑、DVD等 整个微电子技术的构成

因上汗大程 因上济汽大等 微电子制造与材料的关系 微电子制造技术的特点 幕件原理 芯片制造 ·基本眼速与结构 ·光刘与薄膜制接拉术 ◆是一门将产品如何做小、做精的学问； ·半导体材料及特性 。大马士草铜互连技术 属于多学科交叉，需要掌握广泛的背景知识 ◆虽对材料有特殊要求，但材料基础是相通的 器件原理 芯片制商 c 徽电子材料 。技术发展速度快，新技术不断涌现 电子封装 可靠性 。对制造环境与材料可靠性有特殊要求 电子封装 可靠性 ·封装结构与功能 ·失效与树料的关系 制造工艺与材料物性 。可性测试技术 ©上汗天大号 圈上汗大摩 微电子产业的特点 微电子产品的商品寿命短 ◆电子产品的商品寿命短 在半导体产业中，由于商品寿命的缩短，与 通 技术含量高、对人才依赖性强 其他产业相比，开发新产品的技术力量将是企业 ◆对材料及产品的可靠性要求高 发展的命脉，对人才的需求更加迫切。 ◆生产环境要求高 0.5年 设备投资大、产业链长、工序多 品陶 =1-1.5年 ◆做的越小越好 ◆周期性发展 一般商品 电子产品 窗上汗大子 因上泽天大学 技术含量高、对人才的依赖性强 对材料及产品的可靠性要求高 NEC 半导体级高纯度硅： 10.000 (99.999999999%) ●制备治金级Si(98%) 8.000 ●提纯 6,000 ●拉单晶 4,000 13亿日元人-10万人民币人 2.000 2.0004.0006.0008.000 1亿日元约等等人民币 5

5 器件原理 芯片制造 A B 可靠性 D 电子封装 C 微电子材料 器件原理  基本原理与结构  半导体材料及特性 电子封装  封装结构与功能  制造工艺与材料特性 芯片制造  光刻与薄膜制造技术  大马士革铜互连技术 可靠性  失效与材料的关系  可靠性测试技术 微电子制造与材料的关系 微电子制造技术的特点  是一门将产品如何做小、做精的学问；  属于多学科交叉，需要掌握广泛的背景知识  虽对材料有特殊要求，但材料基础是相通的  技术发展速度快，新技术不断涌现  对制造环境与材料可靠性有特殊要求 微电子产业的特点  电子产品的商品寿命短  技术含量高、对人才依赖性强  对材料及产品的可靠性要求高  生产环境要求高  设备投资大、产业链长、工序多  做的越小越好  周期性发展 在半导体产业中，由于商品寿命的缩短，与 其他产业相比，开发新产品的技术力量将是企业 发展的命脉，对人才的需求更加迫切。 微电子产品的商品寿命短 一般商品 电子产品 技术含量高、对人才的依赖性强 技术人员数 1995年销售额（亿日元） 1.3亿日元/人=910万人民币/人 1亿日元约等于700万人民币 对材料及产品的可靠性要求高 半导体级高纯度硅： (99．999999999％) 制备冶金级Si（98％） 提纯 拉单晶