▪ Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用
微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯 片。包括6000余种DNA基因片段。
.
33
电、光 、声、 热、磁 力等外 界信号
信息输 入与模/ 数传输
信 息 处 理
信息输 出与数/ 模转换
执 行 器 、 显
的采集
示
—各种
器
传感器
等 信息存储
一个微电子芯片上 23
六十年代的集成电路设计
•微米级工艺 •基于晶体管级互连 •主流CAD：图形编辑
Vdd A
B
Out
.
24
八十年代的电子系统设计
PE
系统 L2
IO
MEM
Math
• PCB集成
• 工艺无关
Bus Controller
Graphics
集成电路芯片
.
•亚微米级工艺 •依赖工艺 •基于标准单元互连 •主流CAD:门阵列
集成电路中电子部件的典型硅结构
.
13
集成电路的发展
1958年Texas Instruments 的 Jack Kilby 设计与制作了 第一块集成电路。
20世纪60年代，双极型晶体管占据集成电路市场的主要 份额
1975年，数字MOS器件成为集成电路的主流 器件特征尺寸、集成度、硅片面积增加 3G―――3T
一般意义上的系统集成芯片
广义上的系统集成芯片
.
34
微电子技术的发展总结
时期
元件
运算速度
特点
第一代
电子管
每秒几千次
体积大，造价昂贵
第二代 第三代
晶体管
每秒几十万次
体积小、成本低
集成电路
几十万次到几百万 体积进一步减小，可靠
次
性提高
第四代
大规模、超大 几百万次到几十亿 规模集成电路 万次
体积更小、速度更快
.
10
10
目前主要的无铅焊料
Sn-Ag系（Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等） 熔点高（217-221℃） 成本高（Sn-Pb的二倍） 能耗大
Sn-Zn系（Sn-Zn、Sn-Zn-Bi等） ▪ 熔点低（198-199℃） ▪ 成本低（与Sn-Pb相当） ▪ 资源丰富
.
11
11
▪ 集成电路：
▪ Integrated Circuit，缩写IC
盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技 术条件下实现更高性能的系统指标
▪ 若采用SOC方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统 复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 ~ 0.18m工艺制 作的IC所实现的同样系统的性能
▪ 与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所 需要的晶体管数目可以有数量级的降低
金属：
Al，Cu，Au
SiO2 P型硅
N型硅
最基本的NMOS单元
多晶硅
其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等
.
5
5
封装体的主要类型
引线框架型 BGA型
ＤＩＰ（Dual Inline PackagＳe）ＯＰ（ Small Outline L-Leaded Package ） ＱＦＮ（ Quad Flat Non-Leaded PackagＱe Ｆ）Ｐ（ Quad Flat Package ）
X光铸模+压 塑技术 (LIGA)
微系统
国防、航空航天、生物医学、环境 监控、汽车都有广泛应用。 2000年有120-140亿美元市场
相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长
分子和原子级加工
.
从底层向上
31
MEMS技术和DNA芯片
▪ 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、
信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
条件
▪ 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为
EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品 开发等 ▪ 在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大 问题，尚未解决
.
18
▪ 第二个关键技术：互连技术
▪ 铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在 0.13um以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使 用时的可靠性问题还有待研究开发
标准单元
25
世纪之交的e
PCI Interface
VRAM
DSP
Processor Glue
Core
Glue Processor Core
Motion
Graphics MPEG
SCSI
MEMORY
Cache/SRAM or even DRAM
ＢＧＡ（ Ball Grid Array ）FC-BGA（ Flip Chip BGA ）
µ BGA
.
6
CSP（ Chip Scale Package ）
6
引线框架型封装材料
芯片
导电性粘接剂
金线
金属引线 芯片
封装树脂
塑封树脂
外腿
金属衬底
内腿
引. 线框架
7
7
BGA型封装的材料
金丝
芯片
塑封树脂
焊球
8
Solder Paste S. older Ball Solder Joint
9
铅的危害
Pb+1/2O2→PbO PbO+H2SO4→PbSO4+H2O PbO+HNO3→Pb(NO3)+H2O PbO+2HCl→PbCl2+H2O
SO2，NO2， Cl2
酸性雨
土壌汚染
鉛含有飲料 水
含铅电子垃圾
铅污染地下水
与引线框架型封 装不同的地方
.
BGA基板
8
焊料及焊球
焊料作为电子封装技术中最基本的互连材料，在实现 封装和保证可靠性方面承担着极为重要的角色
焊料
Au Wire
Chip
SnPb Plated Lead
DIE Chip
BT (Bismaleimide TriazinPe) CB
PCB
9
Substrate
▪ 衡量集成电路水平的指标之一是集成度：
▪ 100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路 ▪ 100~1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路 ▪ 1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 ▪ 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路
.
16
微电子技术的三个发展方向
▪ 21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向
.
35
我国年微电子发展现状
▪ 我国IC骨干企业地区分布及销售情况
13%
3%
17%
上海
江苏
北京
67%
浙江
.
36
6.4.2 IC制造一般构造与技术过 ▪ 集成电路设计与制造程的主要流程框架
求系 统 需
设计
掩膜版
单晶、外 延材料
芯片制 造过程
.
芯片检测 封装 测试
▪ 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极 管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照 一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶 片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内， 执行特定电路或系统功能.
.
12
▪ 集成电路
集成电路：制作在单块半导体材料上并通过连接形成完整电路的各种元器件 的集合。大部分固态器件的功能取决于组成器件结构的一个或者多个PN结 的性质。
▪ 特征尺寸继续等比例缩小 ▪ 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) ▪ 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学
科，例如MEMS（微机电系统）、DNA芯片等
.
17
微电子器件的特征尺寸继续缩小
▪ 第一个关键技术层次：微细加工
▪ 目前0.25m和0.18 m已开始进入大生产 ▪ 0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完成开发，具备大生产的
▪ SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地
设计
▪ SOC的优势
▪ 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题
▪ 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度
▪ 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器
▪ 使DRAM和CPU之间的速度接近
.
27
▪ SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全
6.4 微电子材料与芯片
6.4.1 微电子芯片发展概述
.
1
6.4.1 微电子芯片发展概述
微电子技术：
以集成电路为核心的电子技术。是在电子 电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成 和发展起来的。
它的每一创新都使社会化信息程度得到发 展。
.
2
全球IC市场发展状况
销售额（B US$）
$300 $250 $200 $150 $100
▪ MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉
及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
.
32
MEMS技术和DNA芯片
▪ 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片
上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯 片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发 现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、 疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有 极其重要的作用
IBM CPU
SOC DRAM
传输 反向多路器
DRAM
DRAM
MPEG解码
声频
视频
接口
接口