穩(wěn)壓芯片(如LDO?開關(guān)穩(wěn)壓器等)作為電子設(shè)備的“電壓衛(wèi)士”,其制造過程融合了現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)的尖端技術(shù)?整個過程高度復(fù)雜?精密且自動化,主要可分為以下幾個核心階段:
- 硅片制備:一切的基石
原料提純: 從普通石英砂(二氧化硅)開始,通過一系列化學(xué)還原和提純工藝,得到極高純度(99.9999999%以上,稱為“電子級”)的多晶硅?
單晶生長: 將高純多晶硅在特制爐(柴可拉斯基法或懸浮區(qū)熔法)中熔化,插入籽晶并緩慢旋轉(zhuǎn)提拉,生長出具有完美晶格結(jié)構(gòu)的圓柱形單晶硅錠?
切片與研磨: 將硅錠用金剛石線鋸切割成厚度約0.5-0.8mm的薄圓片,稱為“晶圓”(Wafer)?然后對晶圓表面進行研磨,消除切割損傷并獲得初步平整度?
拋光: 對晶圓表面進行化學(xué)機械拋光,使其達到原子級的光滑度和平整度,為后續(xù)精密光刻工藝奠定基礎(chǔ)?此時得到的晶圓就是制造芯片的“畫布”?
- 前道工藝:在晶圓上“雕刻”電路
氧化: 在晶圓表面生長一層致密的二氧化硅薄膜,作為絕緣層?掩蔽層或晶體管柵介質(zhì)?
光刻: 這是最核心的步驟之一,如同在晶圓上“照相”?
涂膠: 在晶圓表面均勻旋涂一層光敏抗蝕劑(光刻膠)?
曝光: 使用特定波長的深紫外光,通過設(shè)計好的電路圖案掩膜版,將圖案投射到光刻膠上?曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?
顯影: 用化學(xué)溶劑溶解掉曝光(或未曝光,取決于光刻膠類型)區(qū)域的光刻膠,從而將掩膜版上的電路圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓的光刻膠層上?
刻蝕: 利用光刻膠作為保護掩模,通過化學(xué)(濕法刻蝕)或物理/化學(xué)結(jié)合(干法刻蝕,如等離子刻蝕)的方法,將未被光刻膠覆蓋區(qū)域的氧化硅?硅或其他材料精確地去除掉,從而在晶圓上形成三維結(jié)構(gòu)?
離子注入: 將特定元素(如硼?磷?砷)的離子加速到高能量,轟擊晶圓表面?光刻膠和之前形成的結(jié)構(gòu)作為掩模,控制離子注入的區(qū)域和深度,從而改變硅的導(dǎo)電類型(P型或N型),形成晶體管的源/漏區(qū)?電阻?阱區(qū)等?
擴散: 在高溫下,使摻雜原子在硅晶格中移動,實現(xiàn)更深或更均勻的摻雜分布,有時與離子注入配合使用?
薄膜沉積:
化學(xué)氣相沉積: 在晶圓表面沉積絕緣層(如氧化硅?氮化硅)或多晶硅層(用于柵電極?電阻?電容等)?
物理氣相沉積: 主要用于沉積金屬層(如鋁?銅?鈦?鎢),用于形成互連線?接觸孔填充等?
化學(xué)機械拋光: 在沉積多層薄膜和金屬后,使用CMP技術(shù)對晶圓表面進行全局平坦化,以保證后續(xù)光刻步驟的精度和可靠性?
重復(fù)循環(huán): 上述步驟(光刻?刻蝕?注入/擴散?沉積?CMP)需要重復(fù)數(shù)十次甚至上百次,一層一層地構(gòu)建出復(fù)雜的晶體管?電阻?電容?二極管等元器件以及它們之間的互連結(jié)構(gòu)?穩(wěn)壓芯片中模擬電路(如誤差放大器?基準電壓源)和功率器件(如功率管)都需要精細的工藝控制?
- 后道工藝:連接?封裝與測試
晶圓測試: 在晶圓切割之前,使用精密探針臺對每個獨立的芯片(Die)進行初步的電性能測試(如基本功能?關(guān)鍵參數(shù))?標記出功能不良的芯片?
減薄與劃片: 將晶圓背面研磨減薄到所需的厚度(通常100-200μm),以利于散熱和封裝?然后用金剛石刀或激光沿著芯片之間的切割道(Scribe Line)將晶圓切割成單個的芯片?
芯片貼裝: 將合格的芯片(Die)通過導(dǎo)電膠?焊料或共晶焊等方式,精確地粘結(jié)到引線框架或封裝基板(Substrate)上?
鍵合: 使用極細的金線?銅線或鋁線(或采用倒裝芯片的凸點技術(shù)),通過熱壓焊?超聲焊等方式,將芯片上的焊盤連接到引線框架或基板對應(yīng)的引腳上,建立電氣連接?
封裝: 將連接好的芯片和引線框架/基板放入特定的塑料(環(huán)氧樹脂)或陶瓷外殼中,進行模塑或密封,以提供機械保護?散熱通道和電氣絕緣?常見的穩(wěn)壓芯片封裝有SOT-23, SOT-223, TO-220, SOIC, DFN, QFN等?
后固化與電鍍: 對塑封體進行加熱固化處理?對引線框架的外引腳進行電鍍(如錫?錫鉛合金),以提高可焊性和抗腐蝕性?
切筋成型: 將連接在一起的多個封裝單元從引線框架上分離出來,并將引腳彎折成最終所需的形狀(如鷗翼形?J形)?
最終測試: 對封裝好的穩(wěn)壓芯片進行全面的?接近實際工作條件的電性能測試?這包括關(guān)鍵的穩(wěn)壓性能指標:輸入/輸出電壓范圍?負載調(diào)整率?線性調(diào)整率?靜態(tài)電流?紋波抑制比?溫度特性?過流/過溫保護功能等?只有通過所有嚴格測試的芯片才能出廠?
總結(jié)邏輯鏈:
- 準備基底: 高純硅 -> 單晶硅錠 -> 拋光晶圓?
- 構(gòu)建微結(jié)構(gòu): 在晶圓上反復(fù)進行光刻?刻蝕?摻雜?沉積?拋光,像搭積木一樣一層層制造出晶體管?電阻?電容等元件及其互連線路(前道工藝)?
- 分割與互聯(lián): 測試晶圓 -> 切割成芯片 -> 將芯片固定在載體上 -> 用金屬線連接芯片焊盤和外部引腳(鍵合)?
- 保護與成型: 用外殼封裝芯片 -> 固化 -> 引腳電鍍 -> 分離單個器件 -> 引腳成型?
- 嚴苛檢驗: 對封裝好的芯片進行全面的功能和性能測試,確保每個穩(wěn)壓芯片都符合規(guī)格要求(最終測試)?
整個流程涉及數(shù)百道工序,在高度潔凈的無塵室中由自動化設(shè)備完成,需要極其精密的控制和嚴格的質(zhì)量管理?最終,一顆微小的穩(wěn)壓芯片才能肩負起為電子設(shè)備提供穩(wěn)定?可靠電壓的重任?
