[科普中国]-微电子

微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。其发展的理论基础是19世纪末到20世纪30年代期间建立起来的现代物理学。

微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。

概述微电子技术是一门作用于半导体上的微小型集成电路系统的学科。微电子技术的关键在于研究集成电路的工作方式以及如何实际制造应用。集成电路的发展依赖于半导体器件的不断演化。微电子技术可在纳米级超小的区域内通过固体内的微观电子运动来实现信息的处理与传递，并且有着很好的集成性。

从本质上来看，微电子技术的核心在于集成电路，它是在各类半导体器件不断发展过程中所形成的。在信息化时代下，微电子技术对人类生产、生活都带来了极大的影响。

特点与传统电子技术相比，微电子技术具备一定特征，具体表现为以下几个方面：

①微电子技术主要是通过在固体

内的微观电子运动来实现信息处理或信息加工。

②微电子

信号传递能够在极小的尺度下进行。

③微电子技术可将某个子系统或电子功能部件集成于芯片当中，具有较高的集成性，也具有较为全面的功能性。

④微电子技术可在晶格级微区进行工作。1

应用1、生活应用方面

随着信息化时代的到来，在信息知识爆炸的年代，微电子技术下的产品影响着我们生活的方方面面，如我们如今最为常用的通信工具—手机，上下班坐公交车使用的IC卡，洗衣服用的全自动洗衣机，做饭用的电饭煲，烧水用的电水壶，茶余饭后的欣赏电视节目。这些和我们生活息息相关的电子产品都采用了微电子技术处理而完成其功能性的发挥，给我们的生活带来了便捷，带来了高品质的享受。对提高我们的生活质量有着积极的影响。

2、工业制造应用方面

随着社会经济的快速发展，给工业制造产业带来了良好的发展机遇。面对全球性工业革命的到来，传统落后的工业生产制造模式难以满足社会生产的需求。为了能够快速地适应新时代工业产业发展的趋势，目前许多的工业制造企业都积极地引进微电子技术支持下的设备来提高企业的生产效率和产品的精准度，以此提高市场竞争优势，进而实现企业的长期发展。比如，在汽车制造行业，以微电子技术为支持的监控系统和防盗系统。通过微电子的融入研发了电子引擎监控系统，有效地解决了引擎不容易控制的问题；将微电子技术融入汽车的监控系统中，一旦汽车遭遇被盗情况，电子防盗系统会立即发出警报。

3、军工产业应用方面

微电子技术不仅在生活、工业等产业中得以广泛应用，而且在军工产业中也扮演着重要的角色。众所周知，在信息化时代，现代军事力量的强大与否主要体现在军事装备信息化程度的高低。如果一个国家军事装备中融入的现代微电子信息技术较多，就会在战争中取得先机。例如，依靠微电子技术通过远程计算机控制的无人战斗机，就是很好应用微电子技术的例子。此外，侦察机上的数字地图装置能够为野外训练的士兵提供准确的天气、情报、敌军位置以及周边地形等准确信息数据。通过无线计算机网路技术将搜集到的信息数据传输到指挥中心，为军事方案的制定提供了重要的支持。随着微电子技术的不断发展，微电子在国防中的应用深度也会越来越大，为确保国家安定奠定了坚实基础。1

封装技术1、BGA封装技术

BGA封装技术诞生于20世纪90年代，其中文全称为焊球阵列封装技术，由于已经有了较长的发展历程，因而在目前的应用实践中有着较高的技术成熟度，通过球柱形焊点阵列进行I/O端与基板的封装是其主要的封装原理。相较于其他常见微电子封装技术，BGA封装技术的主要优势在于阵列密度高、组装成品率高。在塑料焊球阵列、陶瓷焊球阵列、金属焊球阵列等多种BGA封装技术中，装芯片焊球阵列封装将是未来BGA技术的主要发展方向。

2、3D封装技术

3D封装技术是伴随着移动互联网的发展而逐渐兴起的，目前主要应用于手持设备的高密度立体式组装之中，是同时满足多个芯片组立体式封装需求的有效途径。在现阶段市面上常见的各种封装技术中，3D封装技术具备的主要技术优势在于功能性丰富、封装密度高、电性能热性能突出。

3、表面封装技术

钎焊技术是目前使用最广的一种微电子表面封装技术，根据具体的衔接需要，将需要衔接的物体表面的电子元件与指定的焊盘进行钎焊，使原件与焊盘之间产生电路功能是钎焊技术的主要封装原理。此种焊接方式下，原件与焊盘的连接是极为可靠的；与此同时，软钎焊技术所使用的钎焊，其内包含的钎剂对于金属表面杂质的去除效果极佳，这对于焊接过程中钎料润滑度的增加是十分有利的，因而，相较于其他微电子封装技术，钎焊技术的封装速度明显更快。2

发展趋势1、工艺尺寸缩小，集成化程度提高

微电子技术发展，以其主要特点为契机，进行不断完善，不断锉削工艺尺寸，集成化程度日益提高。工艺尺寸缩小的同时，集成化程度得到提高，集成规模不断扩大。工艺尺寸的缩小，接触电阻、迁移率退化及可靠性等方面问题也将随之而来。针对此问题，微电子技术通过超浅结技术使电阻降低，采用高迁移率材料预防迁移退化问题的出现。

2、积极应用新材料

微电子技术选用以硅原料为主制成的芯片，该技术快速发展的同时，新材料应用比例大，从而为该技术稳定、快速发展奠定良好基础。

3、广泛应用绿色微电子技术

随着时代的进步，社会经济快速发展，能源需求量不断提高，但能源并非用之不尽的。微电子技术功耗问题，是该技术长期以来一直存在的缺陷，随着功耗的不断提高，导致集成电路被损坏。所以，在未来微电子技术将实现绿色发展目标，也就是对功耗低的绿色集成电路加大研发力度。3

发展限制一、物理规律限制

微电子技术的核心在于其集成电路芯片的制造，结合微电子技术的发展历程来看，先进的微电子技术的发展都是在不断的突破集成电路单个芯片元件的集成数量，现今，单个芯片上能够集成近5亿各电子元器件，该集成数量已经超过特大集成规模的限制，但从物理规律角度来看，微电子技术的发展依然受到其自身客观限制。在实际应用中通常可以通过对电子元器件尺寸的缩小来提升其IC性能，但电子元期间特征尺寸缩小的同时意味着其氧化层厚度和沟道长度同样缩小，这样克服元器件的“穿通效应”就变大人更加困难。例如，当量子隧道穿透效应增加时，电子元器件的静态功耗会变大，当静态功耗值占比达到电路总功耗某一限值时，表明该状态为晶体管缩小的极限值，但就现今的科技水平来看，依然无法跳出物理规律的限制。

二、材料限制

微电子技术一般常使用的材料为硅晶体，该材料由于其自身的特性在一定程度上阻碍了微电子技术的进步。现今，研究人员开始逐渐借助氧化物半导体材料和超导体材料替代常用的硅晶体材料，此外，使用碳纳米管做成的晶体管更是为微电子技术的革新提供了新的思路。学者经过实验研究得出：新纳米管电路中总输出信号是大于输入信号，该结论的得出也表明该纳米管电路是具有一定的放大功能。目前，有一些学者提出借助塑料半导体技术来制备出不易破裂的集成电路，这也为微电子技术的发展提供了新方向。

三、工艺技术限制

1、光刻设备尺度问题。在微电子技术工艺中最为关键的设备为光刻机（曝光工具），此设备的制造过程复杂、成本高且其精密度要求较高，而设备分辨率以及焦深都会影响光刻技术的应用，当尺寸推进至0.05um且停滞较长时间后则会引起集成电路无法快速的进入纳米时代。

2、互连引线问题。集成电路板上面积过小或单位面积内晶体管数量的变多都会使得相互连线间横截面积缩小，电阻变大，进而造成整体电路=反应时间的增加，从另一方面来说集成电路板尺寸的缩小虽然能够提升晶体管的工作效率，但却造成互联引线的反映时间增加，所以，怎么在已有集成规模条件下将互联引线进行优化是很多专家学者研究的重点课题。

3、可靠性问题。如前文所述，集成电路在逐渐向着精细加工与小规模元器件发展，但小规模元器件的使用虽然会提升整个电路系统运行的效率但却降低了电子元器件的使用寿命。尤其是在制造工艺方面出现的可靠性问题更是严重影响微电子技术的发展。

4、散热问题。微电子技术在应用过程中出现的散热问题主要是由封装技术水平决定的，现今，随着集成化朝着超规模方向的发展，在未来集成功能也必然越来越复杂，所以，在进行设计时就需要对整体电路的总功耗以及封装技术间的关系进行衡量。4

本词条内容贡献者为:

王盛凯 - 副研究员 - 中国科学院微电子研究所