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BioMEMS
Chapter 3 Standard Microelectronic
Technologies
3-1 Metals
3.1.1金屬的物理及化學性質
•
金屬材料屬無機材料，分為：
– 純金屬
– 合金
– 摻雜金屬
•
金屬材料原子間鍵結：
•
金屬材料導熱及導電性佳、機械強度高
2
3-1-2 Metallisation
•
Evaporation
•
Sputtering
3
3-2 Semiconductors
3-2-1 半導體性質
•
半導體材料為無機材料，有：
– IV族元素：
– III-V族元素化合物：
– II-VI族元素化合物：
•
•
半導體原子間鍵結：
在某些溫度範圍為導體，某些溫度範圍為絕緣體
4
5
3-2-2 Growth and Deposition
•
Growth
矽岩＋煤炭
•
冶金級矽
電子級矽
拉晶器（puller,Czochralski）
6
•
Deposition ( 磊晶 epitaxial )
SiCl4 + H2
•
Si
氣相磊晶（VPE）
7
• 氣相磊晶的矽源與摻雜物
源/氣體
矽源：
四氯矽烷
二氯矽烷
三氯矽烷
矽烷
摻雜氣體:：
砷化氫
磷化氫
乙硼烷
•
化學式
沉積溫度T (C)
沉積速率(μm/min)
SiCl4
SiH2Cl2
SiHCl3
SiH4
11501225
10251100
11001175
9501050
摻雜型式
n
n
p
0.21.0
0.11.0
0.22.0
0.10.25
AsH3
PH3
B2H6
N/A
N/A
N/A
分子束磊晶（MBE）
8
3-3 Ceramics. Polymer, and Composites
•
Ceramics
– 無機材料
– 金屬與非金屬材料形成的化合物，屬離子鍵結或共價鍵結
– 高硬度、高耐熱、抗磨耗
•
Polymer
– 有機化合物
– 原子結構為長鏈分子或網狀結構
– 絕緣性
•
Composites
– 多種材料結合而成
9
晶圓製造
3-4
•
•
•
•
•
•
晶柱成長
磨入指向標誌
切片
蝕刻
拋光
磊晶
3-5
IC 製程
• 標準IC製程技術相對效能
源/氣體
雙載子
nMOS或pMOS
CMOS
電路特性：
切換速度
功率損耗
元件密度
電流
電壓
高
高
低
高
高
低
中等
高
低
低
低
低
高
低
低
製程複雜度：
磊晶沉積
擴散/氧化循環
製程中使用罩幕數
1
5
7
0
2
5
0或1
3
7
n-p-n，p-n-p
(橫向/垂直)
5或更多
5或更多
介電層/接面
nMOS或pMOS
nMOS和pMOS
(金/複晶矽閘極)
3
2或3
可能的元件：
電晶體
二極體
電阻
電容
1
1
介電層/接面
10
3-5-1 標準BJT製程
11
• 標準BJT製程：二極體製作
• 標準BJT製程：電阻製作
• 標準BJT製程：電容製作
12
3-5-2 MOS製程
•
加強模式橫向n-通道MOSFET的製作
13
•
加強模式縱向n-通道MOSFET的製作
14
• SOI CMOS（以絕緣層為基板之MOS元件製程）
•高速低功率IC
•氣體感測FET
15
3-6 晶粒的mounting與packing
•
四種基本mounting技術比較
相對成本
最大I/O數
面積尺寸，晶粒 (mm)
導線電感 (nH)
週邊接合間距 (mm)
晶粒可用性
探針測試
可重製性
晶粒黏接和導線接合
TAB
覆TAB
覆晶
1
300500
20100
2.03.5
47
極佳
直流
差
>2
5007003
4
4.05.0
34
良好
交流
差/良好
>2
500700
34
4.05.0
34
良好
交流
良好
0.8
>10001
0
<1.0
10
差
交流
差
16
• 封裝方式比較
封裝型式
物理尺寸範圍
電特性
熱特性
(C /W)
可用閘極
相對成本
(每針腳)
穿洞DIP
16到64腳，腳距100
R：中等
mil，體長0.75到2.3， L：高
體寬0.3到0.7
C：低
陶磁/塑膠
7040/12
080
高達17000
1
表面嵌黏
SOIC
16到28腳，腳距10
mil，體長50到70，
體寬0.3到0.4
R：中等L： 陶磁/塑膠
中等C：低
11080/13
0105
高達6500
陶磁6
塑膠2.5
表面嵌黏
OFPT
48到260腳，腳距10
mil，體寬0.65到1.7
R：中等
L：中等
C：低
塑膠
9560
高達17000
6
表面嵌黏
CLCC
28到84腳，腳距40
到50 mil，體寬0.45
到0.97
R：中等
L：中等
C：中等
陶磁
7045
高達25000
30
表面嵌黏
PLCC
28到84腳，腳距50
mil，體寬0.49到1.19
R：中等
L：中等
C：低
塑膠
6550
高達17000
2
穿洞PGA
64到299腳，腳距70
mil，體寬1.033到1.7
陶磁/塑膠
陶磁/塑膠
R：低/低L： 4019/46
低/低C：
38
高/低
高達75000
陶磁60
塑膠12
17
3-6 電路板技術(Printed circuit board technologies)
•
Solid Board
– 材料
熱膨脹
1MHz的介電常數
1MHz的損耗因子
最大伸長
軟化溫度
比重
比熱容量
拉伸強度
熱傳導性
Young模數
–
單位
e玻璃
s玻璃
石英
Aramid
ppm/C

103
%
C
g/cm3
J/gC
kg/mmW
/mC
kg/mm
5.0
5.8
1.1
4.8
840
2.54
0.827
350
0.89
7400
2.8
4.52
2.6
5.5
975
2.49
0.735
475
0.9
8600
0.54
3.5
0.2
5.0
1420
2.20
0.966
200
1.1
7450
5.0a
4.0
1.0
4.5
300
1.40
1.092
400
0.5
13000
結構
18
•
Flexible Board
– 材料
CTE
1 MHz的介電常數
Poisson比
溫度
熱傳導性a
Young模數
–
單位
環氧
聚亞醯胺
氰酸酯
PTFE
ppm/C


C
W/m.
K
GPa
58
4.5
0.35
130
0.3
3.4
49
4.3
0.33
260
0.3
4.1
55
3.8
0.35
260
0.3
3.4
99
2.6
0.46

0.3
0.03
結構
19
•
Plastic Moulded
– 材料：
– 結構：
•
Hybrid and MCM 技術
– 材料：
性質
單位
Al2O3
Al2O3
BeO
AlN
純度
顏色
在25到400C的CTE
密度
在1MHz的介電常數
在1MHz的介電損耗正切
介電強度
撓性強度
電阻率
比熱容量
熱傳導性
%

106/
C
g/cm3

103
kV/mm
GPa
Ω·cm
J/gK
W/mK
99.5
白
7.6
3.87
9.9
0.1
24
400
1014

2035
96
白
7.1
3.7
9.5
0.4
26
250
1014

2035
99.5
白
9.0
3.01
6.5
0.4
9.5
170240
1015

25026
0
9899.8
暗灰
4.4
3.255
8.88.9
0.72.0
1014
280320
>1013
0.74
80260
–
製造方法
厚膜
HTCC
LTC
C
上層維度穩定性
1
3
2
低K值
高傳導性金屬化
高機械強度
高熱傳導性
CTE和鋁土或矽匹配
密封性
極佳介電質控制
表面粗糙度
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
1
1
3
1
1
2
1
1
3
3
1
1
1
1
性質
好處
改善導線接合，組裝良率
穩定性
改善高頻效能
較小的線和空間設計
更強固的封裝
好的熱特性
組裝能力
封裝發展
更一致的電效能
較好的高頻效能
20
嵌黏在陶磁 (混合) PCB上的ISFET感測器
•
含TABMCM
球柵陣列封裝技術
21