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。

封装技术基础及实践考试试卷（答案见尾页）一、选择题1. 嵌入式系统封装技术的基础知识包括哪些？A. 硬件封装B. 软件封装C. 接口封装D. 性能优化封装2. 嵌入式系统封装类型中，哪种封装形式适用于处理器内核？A. 壳层封装B. 陶瓷封装C. 玻璃封装D. 金属封装3. 嵌入式系统封装中，金属封装通常用于什么场景？A. 高性能处理器B. 低功耗微控制器C. 数字信号处理器D. 微型传感器4. 嵌入式系统封装技术中，焊锡封装的优缺点是什么？A. 优点：成本低，易于制造；缺点：散热性能较差，可靠性不高B. 优点：散热性能好，可靠性高；缺点：成本较高，制造过程较复杂C. 优点：成本低，制造过程简单；缺点：散热性能较差，可靠性不高D. 优点：散热性能好，可靠性高；缺点：成本较高，制造过程较复杂5. 嵌入式系统封装中，哪种封装形式具有较好的可扩展性和可维护性？A. 壳层封装B. 陶瓷封装C. 玻璃封装D. 毫米波封装6. 嵌入式系统封装中，塑料封装与金属封装相比，其特点是什么？A. 重量轻，成本低B. 重量轻，导热性好C. 重量轻，散热性好D. 重量轻，成本低，导热性好7. 嵌入式系统封装中，芯片级封装（COB）的优点是什么？A. 体积小，重量轻B. 高度集成，性能优越C. 生产效率高，成本低D. 以上都是8. 嵌入式系统封装中，哪种封装形式适合于超声波清洗？A. 壳层封装B. 陶瓷封装C. 玻璃封装D. 金属封装9. 嵌入式系统封装中，哪种封装形式适合于高温环境？A. 壳层封装B. 陶瓷封装C. 玻璃封装D. 金属封装10. 嵌入式系统封装技术的发展趋势是什么？A. 封装尺寸越来越小B. 密封性能越来越好C. 可靠性越来越高D. 以上都是11. 基于封装技术的集成电路设计原则是什么？A. 将多个元件集成到一个芯片中以减少体积和功耗B. 采用光学胶水将元件固定在电路板上C. 使用环氧树脂将元件固定在电路板上并进行电气连接D. 以上都是12. 封装技术的主要作用是什么？A. 提高电子产品的可靠性和稳定性B. 缩小电子产品的体积C. 降低生产成本D. 以上都是13. 下列哪种封装类型适用于高性能计算领域？A. SOT-223B. QFPC. BGAD. SOIC14. 短引线封装（SOT）的特点是什么？A. 引线长度较短，易于焊接B. 表面贴装技术（SMT）适用C. 主要用于数字电路D. 以上都是15. 在实际应用中，哪种封装类型最适合用于热敏传感器？A. TO-92B. DIPC. SOT-23D. SOIC16. 嵌入式系统中的封装技术有哪些？A. 印刷电路板（PCB）B. 毛坯金属（BM）C. 焊接D. 以上都是17. 超声波封装技术的主要优点是什么？A. 提高传感器的灵敏度和精度B. 缩小产品体积C. 降低成本D. 以上都是18. 在嵌入式系统中，哪种封装类型通常用于微处理器？A. BGA 1151B. LGA 1200C. QFP 1004D. SOIC 8919. 封装技术的发展趋势是什么？A. 小型化B. 高速化C. 多功能集成D. 以上都是20. 在选择封装类型时，应考虑哪些因素？A. 元件尺寸B. 电气性能要求C. 生产成本D. 以上都是21. 基于什么类型的封装技术可以降低电路板面积和重量？A. 表面贴装技术（SMT）B. 球栅阵列封装（BGA）C. 无引线封装（LGA）D. 陶瓷封装22. 在选择封装方法时，以下哪个因素不是需要考虑的关键因素？A. 电气性能B. 生产成本C. 可靠性D. 封装尺寸23. 下列哪一个封装类型适用于有高散热需求的场合？A. 金属封装B. 玻璃封装C. 塑料封装D. 陶瓷封装24. 在嵌入式系统设计中，哪种封装技术适合用于热敏元件的连接？A. 焊接B. 螺钉固定C. 连接器插针D. 无线连接25. 哪种封装技术通常用于存储数据的高速存储器？A. 串行ATA（SATA）B.并行ATA（PATA）C. PCI Express（PCIe）D. USB26. 在实际应用中，哪种封装技术是最常见且广泛使用的？A. 金属封装B. 塑料封装C. 陶瓷封装D. 玻璃封装27. 以下哪种封装技术适合用于数字电路的电源管理？A. 金属封装B. 塑料封装C. 陶瓷封装D. 玻璃封装28. 在嵌入式系统中，哪种封装技术适合用于微控制器单元（MCU）？A. 焊接B. 螺钉固定C. 连接器插针D. 无线连接29. 哪种封装技术最适合用于传感器和执行器的应用？A. 焊接B. 螺钉固定C. 连接器插针D. 无线连接30. 在高速数据传输领域，哪种封装技术提供了最高的性能？A. 串行ATA（SATA）B. 并行ATA（PATA）C. PCI Express（PCIe）D. USB31. 基于什么类型的封装技术可以实现数据的有效保护和传输？A. 金属封装B. 玻璃封装C. 塑料封装D. 陶瓷封装32. 在芯片级封装（CSP）中，什么是金线键合？A. 一种用于连接芯片和基板的方法B. 一种用于连接芯片和引线的工艺C. 一种用于连接芯片和外部电路的连接方式D. 一种用于连接芯片和电源的工艺33. 芯片级封装中的倒装芯片技术是如何工作的？A. 将芯片直接贴在电路板上B. 将芯片通过线缆与电路板连接C. 将芯片通过锡球与电路板连接D. 将芯片嵌入到塑料封装中34. 什么是晶圆级封装（WLP）？A. 一种将芯片集成到基板上的技术B. 一种将芯片集成到塑料封装中的技术C. 一种将芯片集成到陶瓷封装中的技术D. 一种将芯片集成到玻璃封装中的技术35. 在微电子组件中，什么是有机封装？A. 一种使用塑料材料进行封装的技术B. 一种使用陶瓷材料进行封装的技术C. 一种使用金属材料进行封装的技术D. 一种使用玻璃材料进行封装的技术36. 什么是芯片级封装（CSP）？A. 一种将芯片集成到基板上的技术B. 一种将芯片集成到塑料封装中的技术C. 一种将芯片集成到陶瓷封装中的技术D. 一种将芯片集成到玻璃封装中的技术37. 在封装过程中，什么是合金焊料？A. 一种用于连接芯片和基板的金属合金B. 一种用于连接芯片和引线的金属合金C. 一种用于连接芯片和外部电路的金属合金D. 一种用于连接芯片和电源的金属合金38. 什么是活性金属键合？A. 一种用于连接芯片和基板的金属键合技术B. 一种用于连接芯片和引线的金属键合技术C. 一种用于连接芯片和外部电路的金属键合技术D. 一种用于连接芯片和电源的金属键合技术39. 在封装技术中，什么是柔性封装？A. 一种使用塑料材料进行封装的技术B. 一种使用陶瓷材料进行封装的技术C. 一种使用金属材料进行封装的技术D. 一种使用玻璃材料进行封装的技术40. 什么是芯片级多芯片模块（MCM）？A. 一种将多个芯片集成到一个基板上的技术B. 一种将多个芯片集成到一个塑料封装中的技术C. 一种将多个芯片集成到一个陶瓷封装中的技术D. 一种将多个芯片集成到一个玻璃封装中的技术二、问答题1. 什么是封装技术？请简要说明其作用。

微电子工艺基础封装技术
一、引言
微电子技术是21世纪新兴的技术，它以半导体技术和微机技术为基础，以芯片封装、电路能力优化、软件设计、系统集成、测试技术、校准
技术、无线通信技术等应用技术为实现系统的技术手段，用来实现手机、
计算机、智能家居、汽车等众多领域的电子设备的发展及制造。

微电子封
装技术是微电子技术的基础与重要组成部分，也是微电子产品出厂前质量
检查与完善的重要手段。

本文着重介绍微电子封装技术，包括其基本原理、术语、分类、应用和实施过程等。

二、微电子封装技术的基本原理
微电子封装技术是将晶圆、芯片、元器件组合在一起，将原来的小型
数字电路重新包装，使其功能更加全面，外形更加紧凑，就是微电子封装
技术。

将电子元器件物理、电气封装在一起，形成由介质连接的板块，具
有较强的功能性、可调整性和可靠性，是构建高效能、高可靠性的微电子
系统的基本要素。

微电子封装的基本工艺包括：铆焊、封装、清洁和测试，这四个基本
步骤必须在一定的步骤中逐步完成，经过这些步骤，半导体器件可以被成
功封装到电路板中，以实现电路的功能，为其余的电子系统构建提供基础
支撑。

三、封装技术术语。

mems和微系统封装基础MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种将微型机械和微电子器件集成在一起的微型系统。

它们通常由微型传感器、微型执行器和微型电子控制器组成。

MEMS技术是将微型机械部件与微型电子器件结合在一起，以实现微型化和集成化的系统。

微系统封装是将MEMS芯片集成到封装体中，以保护芯片并提供接口以连接到外部系统。

在MEMS和微系统封装基础方面，有几个关键概念和技术需要了解。

首先，MEMS技术包括微型加工技术、微型传感器和执行器技术、微型控制技术等。

微型加工技术是制造微型器件和结构的基础，包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等工艺。

微型传感器和执行器技术是实现微型机械运动和响应的关键，如压力传感器、加速度计、微型马达等。

微型控制技术则是用来实现对MEMS系统的控制和驱动。

其次，微系统封装是将MEMS芯片封装到封装体中的过程，以保护MEMS芯片并提供电气和机械连接。

封装技术包括封装材料的选择、封装结构设计、封装工艺等。

封装材料通常需要具有良好的机械性能、热性能和尺寸稳定性，以确保封装的可靠性和稳定性。

封装结构设计需要考虑封装体的尺寸、形状、接口等，以满足MEMS系统的要求。

封装工艺包括封装体的制造、封装芯片的封装、封装过程的控制等。

另外，MEMS和微系统封装的研究和应用领域包括传感器、微型马达、微型执行器、微型流体控制器、微型光学器件等。

传感器是MEMS技术的重要应用领域，包括压力传感器、加速度计、陀螺仪等。

微型马达和微型执行器可以实现微型机械部件的运动和操作。

微型流体控制器可以用于微型生物芯片、微型实验室等领域。

微型光学器件可以用于微型成像、光通信、光传感等应用。

综上所述，MEMS和微系统封装是微型系统领域的重要技术和研究方向，涉及微型加工技术、微型传感器和执行器技术、微型控制技术、封装技术等。

它们的应用领域广泛，包括传感器、微型马达、微型执行器、微型流体控制器、微型光学器件等。

智能微纳系统基础智能微纳系统是一种集成了微观和纳米尺度上的传感、控制和处理功能的系统。

它利用微纳技术和先进的材料，实现了对微观世界的感知和控制，具备了智能化的特性。

智能微纳系统不仅可以应用于各个领域，如医疗、环境监测、智能家居等，还能为人类社会带来巨大的变革和进步。

智能微纳系统的基础包括三个方面：微纳制造技术、微纳传感技术和微纳控制技术。

首先是微纳制造技术。

微纳制造技术是实现智能微纳系统的基础，它包括了微纳加工、微纳装配和微纳封装等关键技术。

其中，微纳加工技术是指通过光刻、薄膜制备、电子束曝光等技术，在微纳米尺度上制造出各种微纳结构和器件。

微纳装配技术是将微纳器件组装成系统，包括了微纳组装和微纳连接等技术。

微纳封装技术是将微纳系统封装在微型封装器件中，以保护系统并提供电气连接。

这些技术的发展和应用，为智能微纳系统的实现提供了坚实的基础。

其次是微纳传感技术。

微纳传感技术是智能微纳系统中最重要的组成部分之一，它通过感知外界的物理、化学和生物信息，将其转化为电信号，实现对环境的监测和控制。

微纳传感器具有小巧、高灵敏度、快速响应和低功耗等特点，可以应用于多个领域。

例如，在医疗领域中，微纳传感器可以用于监测人体生理参数，实现实时监护和健康管理。

在环境监测领域中，微纳传感器可以用于监测空气质量、水质污染等，为环境保护提供数据支持。

微纳传感技术的发展，为智能微纳系统的应用提供了强有力的支撑。

最后是微纳控制技术。

微纳控制技术是智能微纳系统中的核心技术，它通过对系统的感知和分析，实现对系统的控制和调节。

微纳控制技术包括了传感器信号处理、控制算法设计和执行机构控制等关键技术。

通过对传感器信号的处理和分析，可以提取出有用的信息，并进行决策和控制。

控制算法的设计则是实现对系统的智能化控制的关键，它可以根据不同的应用需求，设计出适应性强、性能优良的控制算法。

执行机构控制是指通过电磁、电气、机械等方式，实现对系统执行机构的控制和调节。