微系统封装基础

0 引言随着国防军工、计算机和汽车电子产业的发展，电子产品和系统要求实现功能强、性能优、体积小、重量轻之特性，从当前电子产品及芯片发展的技术领域来考虑，实现该功能的电子产品有两种方式：其一，从芯片设计角度出发，依赖于 SoC 片上系统芯片设计及制造技术的发展和推进；其二，从芯片封装技术的角度考虑，依赖于近年来逐步发展和成熟起来的先进封装技术的支持。

SoC（System on Chip）片上系统是芯片研发人员研究的主方向。

它是将多个功能模块进行片上系统设计，进而形成一个单芯片电子系统，实现电子产品小型化、多功能、高可靠的特征需求，是芯片向更高层次发展的终极目标；但是，SoC 片上系统需要多个功能模块工艺集成，同时涉及各功能模块电路的信号传输和处理，技术要求高，研发周期长，开发成本高，无法满足电子产品升级换代的快速更新。

基于以上产品需求，在混合集成电路 HIC（Hybrid integrated circuit）封装技术基础上，MCM（Multi-Chip Module）及 SIP （System in package）等微电子封装技术逐渐在此方向上获得突破，在牺牲部分面积等指标的情况下，形成单一的封装“芯片”，并且可快速实现相同功能的芯片量产，推动产品快速上市。

本文将介绍 SoC 片上系统的优势和产品快速更新需求的矛盾，为解决此矛盾，从封装技术角度出发，给出微电子封装技术发展的 3 个关键环节，即HIC、MCM 及 SIP，介绍了其各自封装技术的优缺点，阐释了 HIC、MCM 及 SIP 的相互关系，最终分析形成一套基本满足 SOC 片上系统功能且可快速开发组装形成批量产能的 SIP 封装技术，快速实现电子产品整机或系统的芯片级更新需求。

1 SoC 片上系统分析SoC 即系统级芯片，从狭义的角度讲，SoC 是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义的角度讲，SoC 是一个微小型系统。

微电子封装工程一、课程说明课程编号：080902Z10课程名称：微电子封装工程/Microelectronics Packaging Engineering课程类别：专业教育课程学时/学分：40/2.5先修课程：半导体器件物理、微电子制造工艺适用专业：微电子科学与工程教材、教学参考书：[1] Haleh Ardebili，电子封装技术与可靠性，化学工业出版社，2012[2] 微电子封装技术. 中国科学技术出版社，2011[3] 周良知，微电子器件封装. 化学工业出版社，2003二、课程设置的目的意义本课程是一门微电子工程的基础课程，通过教学等环节，使学生掌握微电子工程中的芯片封装基本理论知识，建立微电子封装的基本概念与制造工艺流程，了解封装材料及器件可靠性相关知识，掌握其分析的基本理论方法和实验测试方法。

培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力，提升学生在微电子技术领域的竞争力。

三、课程的基本要求按照本专业培养方案的培养要求，参照培养方案中课程体系与培养要求的对应关系矩阵。

在知识方面要求②具有较扎实的数学及其他自然科学基础知识；较系统地掌握本专业领域内的技术理论基础知识，主要包括力学、热学、电学、信息技术、机械学、物理、光学、微电子封装、微电子制造技术等基础知识；③具有微电子器件封装设计、封装制造、电子产品可靠性能分析等必要的专业知识，了解本学科前沿及发展趋势。

在能力方面要求②专业基本能力b.电子器件工作原理和性能分析能力，掌握半导体材料及结构中载流子产生、传输、复合特性分析能力；d.热分析计算能力，掌握电子封装器件发热、热传导及热应力引起的失效、寿命分析等能力；③专业核心能力a.掌握电子科学、机械制造、工程力学、材料科学、电子封装基础理论知识和本专业的基本理论知识，具备解决微电子封装工程技术问题的初步技能。

在素质方面要求②有较强的创新意识和良好的身体心理素质；③具备良好的专业品质和与主要面向工作岗位相适应的踏实敬业、吃苦耐劳、团结协作的职业素养。

mems和微系统封装基础MEMS and Microsystem Packaging FundamentalsMEMS, or Micro-Electro-Mechanical Systems, are miniaturized devices that integrate mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a single chip. These devices are revolutionizing various fields, from healthcare to aerospace, due to their tiny size, low power consumption, and high performance.MEMS，即微机电系统，是将机械元件、传感器、执行器和电子器件集成在单个芯片上的微型化设备。

由于其体积小、功耗低和性能高等特点，这些设备正在从医疗保健到航空航天等各个领域引发革命。

The packaging of MEMS devices is crucial for their reliable operation and long-term stability. It involves encapsulating the MEMS structure within a protective shell to shield it from external contaminants, moisture, and mechanical stress.MEMS设备的封装对其可靠运行和长期稳定性至关重要。

封装涉及将MEMS结构封装在保护壳内，以防止其受到外部污染物、水分和机械应力的影响。

Microsystem packaging, on the other hand, refers to the assembly and integration of multiple MEMS devices and other components into a functional system. This involves careful consideration of the mechanical, electrical, and thermal interfaces between the components to ensure optimal performance.另一方面，微系统封装指的是将多个MEMS设备和其他组件组装和集成为功能系统。

mems器件⽓密封装⼯艺规范（材料参数）MEMS器件⽓密封装⼯艺规范（元件级）华中科技⼤学微系统中⼼1. 引⾔微机电系统（Micro ElectroMechanical System－MEMS），⼜称微系统，以下简称MEMS。

MEMS是融合了硅微加⼯、LIGA 和精密机械加⼯等多种加⼯技术，并应⽤现代信息技术构成的微型系统。

它是在微电⼦技术基础上发展起来的，但⼜区别于微电⼦技术，主要包括感知外界信息（⼒、热、光、磁、⽣物、化学等）的传感器和控制对象的执⾏器，以及进⾏信息处理和控制的电路。

MEMS具有以下⼏个⾮约束的特征：（1）尺⼨在毫⽶到微⽶范围，区别于⼀般宏（Macro），即传统的尺⼨⼤于1cm尺度的“机械”，但并⾮进⼊物理上的微观层次；（2）基于（但不限于）硅微加⼯（Silicon Microfabrication）技术制造；（3）与微电⼦芯⽚类同，在⽆尘室⼤批量、低成本⽣产，使性能价格⽐⽐传统“机械”制造技术⼤幅度提⾼；（4）MEMS中的“机械”不限于狭义的⼒学中的机械，它代表⼀切具有能量转换、传输等功效的效应，包括⼒、热、光、磁，乃⾄化学、⽣物效应；（5）MEMS的⽬标是“微机械”与IC结合的微系统，并向智能化⽅向发展。

MEMS将许多不同种类的技术集成在⼀起，⽬前已在电⼦、信息、⽣物、汽车、国防等各个领域得到⼴泛应⽤，它被称为是继微电⼦技术⾰命之后的第⼆次微技术制造⾰命。

MEMS器件种类很多，有光学MEMS、⽣物MEMS、RFMEMS 等，不同的MEMS其结构和功能相差很⼤，其应⽤环境也⼤不相同，因此使得MEMS技术⾯临着许多挑战。

专家们认为⽬前MEMS技术在⼯业上⾯临的最⼤挑战是制造和封装问题。

封装占整个MEMS器件成本的50～80％。

鉴于MEMS 器件的种类很多，因此，本规范是对MEMS器件封装设计与⼯艺过程的⼀些成熟⽅法进⾏标准化。

2. MEMS器件封装的特点MEMS封装技术是在IC封装技术的基础上提出的，MEMS封装技术源⽤了许多IC封装⼯艺，因此MEMS封装⼯艺中有许多与IC 封装兼容的⼯艺。

1. A)什么是光刻胶( photo resist ) ?B)正性光刻胶与负性光刻胶的区别是什么?其刻蚀的物理过程是什么?答:A)光刻胶:指光刻工艺中,涂覆在材料表面,经过曝光后其溶解度发生变化的耐蚀刻的薄膜材料。

利用这一特性,对均勻的光刻胶的不同位置进行曝光，再通过显影液就能得到想要的图形。

B) 正性光刻胶:这种光刻胶被曝光的部分易溶于显影液,未被曝光的部分难溶于显影液。

负性光刻胶:它的被曝光的部分难溶于显影液,未被曝光的部分易溶于显影液。

2.什么是电介质常数?电介质常数低有什么好处?为什么有这样的好处(物理原理)?电介质常数高有什么好处以及坏处?低电介质常数与高电介质常数材料的应用有哪些(CMOS中的栅氧化层为什么用高电介质常数的材料,通常用什么材料)?答:电介质常数是电场在真空中时的电场强度与该电场中放入电介质后的电场强度的比值,又称为相对介电常数。

电介质常数低( low-K )有利于隔离器件,当器件尺寸很小的时候,器件与器件之间的间距也很小,此时寄生电容的效应变的很显著,电介质常数低的材料会降低寄生电容,从而达到更好的器件隔离效果。

电介质常数高时,如果材料是在器件之间,那么将无法很好的隔离器件;但电介质常数高的材料可以在其他条件不变的情况下形成更大的电容,这在用作MOS管的栅时有重要意义:器件尺寸的减小要求栅电压降低(否则会击穿),而在获得同样的驱动电流时,则需要栅电容较大,隧道效应限制了栅介质的厚度,所以需要采用高K值的材料来做栅介质。

低电介质常数的材料通常用于降低器件间的寄生电容。

高电介质常数的材料通常用作器件的栅以避免隧道效应。

栅极材料需要是良导体,以前用重掺杂多晶硅。

随着尺寸缩小, 改用了高K值的材料。

现在的一些高性能CPU中采用的是金属电极和高K 值电介质混合的技术。

3. 基板( Substrate )是什么?软基板与硬基板有什么区别?硅基板的应用有哪些?答:基板是光刻中图形刻蚀到的基底。