回顾41年内半导体和半导体的封装发展 (1982-2023)

编辑:缅华网 文章类型:缅华文苑 发布于2023-05-16 16:10:07 共9079人阅读
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回顾41年内半导体和半导体的封装发展 (1982-2023)

作者:朱素山(朱池山)

(作者简介:缅甸密支那华人,1982年移民美国,进入半导体封装研究和发展至2023年,(41年)曾任工程师(Eng.),资深工程师(Sr. Eng.),首席工程师(Principal Eng.),工程部经理(Eng.Manger),处长(Director),资深处长(Sr. Director),副总经理(VP),总经理(CEO)等。见证了半导体封装41年发展成果,拥有3项半导体封装专利)


前言:半导体技术发展摘要:

1956年诺贝尔物理学奖得主是:威廉·肖克利(William B. Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉丁(Walter H. Brattain),他们因发明了晶体管而获奖。这一发明革命性地改变了电子学领域,并为现代计算机, 半导体技术和其他电子设备的发展铺平了道路。

(Fairchild Semiconductor) 费尔柴尔德半导体公司是半导体领域的开创性公司,由一组之前曾在贝尔实验室工作的八名科学家和工程师于1957年创立。该公司对集成电路的发展做出了重大贡献,这一技术革命性地改变了电子工业.

费尔柴尔德半导体公司(Fairchild Semiconductor)的成功促使许多其他半导体公司的成立,包括英特尔(Intel)、AMD和国家半导体(National Semiconductor)等。这些公司继续创新和推动电子领域的发展,引领着新技术和产品的发展,这些产品和技术已经彻底改变了我们今天的生活和工作方式。

(1982-2023)半导体产业发展的回顾:

从1980年到2023年,半导体技术得到快速发展和提升,推动因需求更小、更快和更高效的设备。这一时期的一些关键里程碑和进展包括:


1980年代:

开发了第一个1兆位动态随机存储器(DRAM)芯片。 引入第一个简化指令集计算(RISC)微处理器,通过简化指令集提高处理速度。 推出第一个互补金属氧化物半导体(CMOS)技术,允许低功耗和提高性能。


1990年代:

全球网络的出现和互联网的增长促进了对更快和更强大微处理器的需求。 引入了片上系统(SoC)技术,将多个组件集成到单个芯片上,降低成本并提高性能。 开发了第一个千兆位DRAM芯片。


2000年代:

开发了第一个90纳米工艺技术,允许在单个芯片上打包更多的晶体管,提高性能并降低成本。 推出了固态硬盘(SSD),用更快速和可靠的存储取代了传统硬盘。 引入了第一个多核处理器,使处理速度更快。


 2010年代:

开发了3D NAND闪存存储器,提高存储容量,降低成本。 引入FinFET晶体管,提高功耗和性能。 物联网(IoT)的增长促进了对低功耗和低成本微控制器的需求。


2020年代:

人工智能和机器学习的持续增长导致了为这些应用程序开发的专用处理器,例如图形处理器(GPU)和张量处理器(TPU)的开发。 极紫外(EUV)光刻技术的引入使得更小的晶体管得以生产,进一步提高了处理能力和能源效率。 神经形态计算的开发,旨在模拟人脑的结构和功能,有可能彻底改变我们所知道的计算方式。 总体而言,半导体技术在过去的四十年中迅速发展,使得我们开发了越来越强大和复杂的设备,这些设备以无数种方式改变了我们的世界。

以下是从5微米到5纳米按年份的半导体技术发展概述:

1971年:引入了第一款微处理器Intel 4004,特征尺寸为10微米。

1976年:引入了第一个5微米技术,可以将更小、更复杂的电路集成到单个芯片上。

1983年:发展了3微米技术,使电子元件进一步微型化。

1990年:引入了1.2微米技术,用于制造英特尔486处理器。

1997年:推出了第一个0.25微米工艺,使设备变得更快、更节能。

2000年:引入了0.18微米技术,可生产更小、更高效的晶体管。

2003年:推出了第一个90纳米工艺,使设备变得更小、更强大。

2007年:引入了45纳米技术,可生产更小、更高效的晶体管。

2010年:推出了第一个32纳米工艺,使功耗和性能更优。

2012年:引入了22纳米技术,可生产更强大、更节能的处理器。

2014年:推出了第一个14纳米工艺,用于制造英特尔Broadwell处理器。

2017年:引入了10纳米技术,使电子元件进一步微型化。

2020年:台积电推出了第一个5纳米工艺,可生产更小、更节能的设备。

总体而言,半导体技术在过去几十年里经历了巨大的发展,使得电子元件微型化,并且生产了越来越强大、节能的设备。


半导体产品:

半导体产品是由硅和锗等材料制成的电子元件,具有特殊的导电性质。以下是一些常见的半导体产品的简要概述:

1.CPU(中央处理器):CPU是计算机的“大脑”,是微处理器,负责执行指令和执行计算。

2.Memory Chip存储芯片:存储芯片是用于存储数字数据的半导体器件。有不同类型的存储芯片,包括RAM(随机存取存储器),提供计算机使用的临时数据存储,以及ROM(只读存储器),存储无法更改的永久数据。

3.Mix Signal模拟数字混合:模拟数字混合半导体是结合了模拟和数字组件的设备。它们通常用于数据转换器、信号处理和功率管理等应用。

4.Logic device逻辑:逻辑半导体是数字电路,执行逻辑运算,如AND、OR和NOT。它们用于各种电子设备,包括计算机、智能手机和电视机。

5.Sensor传感器:传感器是将光、温度、压力等物理现象转换为电信号的半导体器件。它们用于广泛的应用领域,包括汽车、医疗和工业应用。


半导体材料的主要发展历程包括:

1.硅的主导地位:由于硅资源丰富,且能够形成高质量、稳定的电子器件,因此硅一直是半导体材料的主导。

2.引入化合物半导体:化合物半导体,如砷化镓和磷化铟,被开发出来以提供更大的器件设计灵活性和更高的性能。

1986 镓砷(GaAs)芯片可用于制造980nm激光器,这是互联网应用中使用的光纤通信系统中必不可少的组件。这些激光器能够以高速和高精度传输数据,覆盖长距离的互联网络,快速传达讯息。

除了在光纤通信系统中使用外,980nm激光器还可以用于创建具有特定波长的发光二极管(LED)。这使它们在医疗和工业等广泛应用中非常有用。

调节这些激光器和LED的波长的能力,得益于GaAs芯片的独特特性,它使得对半导体材料的电子和光学性能有了精确控制。这使得GaAs芯片成为许多现代技术开发中关键的组成部分。

3.利用纳米技术:纳米技术的发展使半导体材料可以在纳米尺度上制造,这使得新型电子器件的创造成为可能,且具有独特的性质。

4.新材料的出现:新型半导体材料,如石墨烯、碳纳米管和有机半导体,在近年来出现并显示出在未来电子器件中的潜力。

总体而言,半导体材料的发展对于现代电子技术的进步至关重要,使得新技术得以创造,进而改变人们的生活和工作方式。随着对半导体材料的研究不断深入,新的材料和应用也将被发现,进一步扩大半导体技术的潜力。


(1982-2023)半导体之封装产业发展的回顾:

在过去的41年里,半导体行业在半导体封装技术的设计和开发方面取得了重大进展。以下是1982年至2023年间该领域的一些主要发展的简要总结:


1980年代:

穿孔技术是主导的封装方法(PDIP),其中使用插入到印刷电路板(PCB)上钻孔中的引脚。

表面贴装技术(SMT)开始出现,这种技术涉及将组件直接安装在PCB表面上。

引入了四方扁平封装(QFP)和小轮廓集成电路(SOIC)封装,这些封装比以前的封装更小,引脚更多。


1990年代:

引入了球栅阵列(BGA)封装,该封装在封装的底部具有一组焊球,比其他封装提供更多的I/O连接。

翻转芯片技术出现,其中芯片直接安装在PCB上,焊盘向下,用焊球连接它们到PCB。


2000年代:

引入了晶圆级封装(WLCSP),它在切割之前直接在晶圆上组装和封装芯片,从而实现更小和更薄的封装。

系统级封装(SiP)技术出现,它涉及将多个芯片和被动元件集成到单个封装中,以减小整个系统的尺寸和重量。

开发了3D封装技术,例如穿过硅通孔(TSV)和堆叠芯片封装,允许多个芯片垂直堆叠以增加功能和减少占地面积。


2010年代:

引入了扇出晶圆级封装(FOWLCSP),它涉及将芯片上的接触点重新分布到封装的边缘,从而实现更多的I/O连接和更好的热性能。

出现了芯片组技术,它涉及将大型芯片分解为较小的功能块(或“芯片组件”),可以单独制造,然后集成到更大的封装中。

开发了先进的封装技术,如异构集成和片上系统(SoP),将各种组件(如MEMS设备、传感器和光子器件)集成到单个封装中。


2020年代:

先进的封装技术继续发展,重点是提高功率效率、减小尺寸和成本、增加性能和功能。


1980年时美国的半导体大厂(Intel, Nation Semiconductor, AMD, Micron )都将半导体的后段封装和测试迁移到东南亚地区,(新加坡,马来西亚槟城,马六甲,菲律宾)因为可以降低成本。那时封测代工厂商比较少,台湾只有华泰和菱生,韩国的Anam等。

1982-1984年,晶元技术是5微米-3微米(5 micron -3 micron). 4寸芯片,产品linear , Bipolar, CPU, Logic 等。

Packages 半导体外壳封装有两大类。

    1.Hermetic package and None Hermetic package. 不透气不透水的外壳封装和空气和水都可以透过的外壳封装。

    2.Hermetic package=ceramic package , (Ceramic dual in line and ceramics pin grid arrays) and metal can package. 陶瓷封装和金属 封装。(可靠性非常好和成本高).  

    3.None Hermetic package= Plastic package (plastic dual in line). 塑胶材质封装。(便宜)

后来到90年代,产品的成本问题的压力越来越大,所以大多数公司的半导体产品都改成塑胶外殻封装。

1985-86,为了减少成本,加上芯片的枝术提升,芯片就开始走向6寸。

1991年,芯片枝术到0.8 micron, 芯片就开始到8寸(直径)。

2000年后,半导体走向0.14微米枝术,芯片也开始用12寸(直径)因为个人计算机,需求增加,所以市场需求越来越多的记忆晶体,加上游戏机的功能越来越好,市场需求量持续增加,所以2000年后塑胶封装就占了90%以上,后来只有国防工业才会用陶瓷封装和金属封装了。

1990年后,封装测试的需求越来越高的原因,台湾,南韩,香港和新加坡都成立了很多晶圆代工和封装测试公司。在1980年代,中国台湾在新竹成立科学工业园区,中国台湾就开始走向高科技产业。台积电也在80年代中期成立,由晶圆代工开始,后来联电也成立了。90年代,日月光半导体在高雄和硅品精密工业公司也在台中成立了。很多积成电路公司也在1984-2000年代成立。因为个人计算机开始进入巿场,半导体的需求越来越大。很多台湾,香港,新加坡和东南亚的留学生都进入美国加州硅谷地区来工作。80年代,电机系,化工系,材料系毕业生很多得到到半导体公司的工作,因为需要很多工程师来做研发的工作。在研发,质量保证,产品线,封装测试部门都有很多中国或是华人工程师工作。因为中国台湾有晶圆代工和封装测试的优势,加上大家都可以用华语沟通,所以积成电路设计公司的订单都送往中国台湾。后来美国的成本增加,加上中国台湾的晶圆质量也很好,订单都进入中国台湾公司。70 -80年代很多中国台湾到美国来留学的学生,毕业后,就留在美国工作,几年后,纍积了很多经验和技术,就回到中国台湾去创业,成立了很多的集成电路设计公司等。所以台湾的设计能力越来越强,而产生了联发科等高科技公司.

后来塑胶封装越来越多样化,从Through Hole package to Surface mount package. 插孔封装式进入表面焊接式,所以从PDIP 进入SOIC, SOJ, SSOP,QFP, PLCC, TSOP, TSSOP, LQFP, TQFP. 后来积成电路的设计越来越成熟,加入很多功能Mix Signal, 形成需要很多电源和讯号系统,封装就进入多功能的技术到BGA package 植球封装。后来手机大量使用,要求封装产品提供高度很低的,才能用在手机和小型电子产品内。所以进入,TQFP, TFBGA, TSOP, TSSOP, QFN, WLCSP等。

开始的封装都将芯片放在铜花架或是鉄花架上,用金线焊接上. 后来平板电视LCD TV出现,讯号线需要300多进入,讯号缐需要400多条,所以就由镀金块,用铜片来焊接的方式生产。(COF)后来手机上装了照相机,芯片制成光感应(CMOS Sensor),就需非常高的无尘室生产封装.

1995年,个人计算机市场增长,记忆芯片需求量大增,由其是动态和静态记忆芯片的封装需求薄与小的设计,所以产生TSOP Type 1 and Type 2 的封装。因为薄的封装,外殻树脂材质很需要加强,热涨冷缩影响少的要求下日本Sumitomo and Hitachi 成功制造了塑胶材料。

测试方面,因为记忆芯片的要求Advantest 公司提供很好的测试机台,在Logic and Mix Signal 方面,HP 93000, Ultra Flex, Next test机台等。

1990-2000年代,每年7月份半导体制造业都在美国旧金山举行盛大展览活动,吸引全球各国的公司来参加和新产品发表会。很多公司都有举办盛大的推销酒会,后来日本,欧洲和台湾也举办同类活动。

2000 年后,大家了解铅对人类的健康危害越来越高,所以在每三个月的电子会议(JEDEC meeting JC 11) 决定于2006年开始就遂渐减少铅的用量,(因为在半导体的花架上镀锡铅是最好的方法)后来大家就改用镀全锡的方法。但是在上电路板上,全锡的溶点比较高(265C),所以全部材料都要求,做高温测试去达到可以承受高温的效果。后来各国政府要求,在半导体封装材料内不可以含有对人类健康有害物质,所以材料选择上更加严格,又要有材料分系报告,才能在市场销售。

随着晶圆技术发展到纳米技术(nano meter) 用low K 的材质,所以,晶圆切割技术也增加雷射切割的过程。

后来晶圆走入5纳米,7纳米技术后封装技术也升级到扇出(fan out) (FOWLP) 的制造过程。当客户要求将空间缩小范围内,封装技术又进入了3(SoP) (3D package)个芯片放入同一个封装体内。目前通讯或是人工智能(AI)的产品越来越先进的技术,所以无论晶圆代工还是封装测试都在研究去完成后段的制造过程.


5纳米技术

5纳米技术是半导体工业的最新进展之一,有多种应用。以下是几个例子:

1.移动设备:5纳米技术使得开发更小、更省电的移动设备(如智能手机和平板电脑)成为可能。更小的尺寸和更好的能效使得电池寿命更长,性能更好。

2.人工智能(AI):AI需要高性能计算能力来快速处理大量数据。5纳米技术提供了必要的计算能力,支持自然语言处理、图像识别和自动驾驶等AI应用。

3.高性能计算(HPC):HPC需要强大的处理器来快速执行复杂计算。5纳米技术使得开发具有高时钟速度和更好能效的处理器成为可能,这些处理器可以应用于科学研究和金融建模等领域。

4.数据中心:数据中心需要高性能处理器来处理大量数据。5纳米技术使得开发能够满足云计算和机器学习等数据中心应用需求的处理器成为可能。

5.汽车:汽车行业越来越依赖先进的半导体技术,用于高级驾驶辅助系统(ADAS)、车载信息娱乐和电动汽车等应用。5纳米技术使得开发具有更好能效和更高性能的处理器成为可能,以支持这些应用。

总体而言,5纳米技术在各个行业中都有广泛的应用,从移动设备到HPC和汽车。其小尺寸、更好的能效和高性能使其成为许多新兴技术的关键推动力。


3纳米技术

3纳米技术的生产确切日期可能因具体的半导体制造商而异。然而,预计第一批3纳米技术的生产将在2022年或2023年开始。

全球领先的半导体代工厂商之一台积电计划在2022年下半年开始量产3纳米芯片。另一家主要的半导体制造商三星也计划在2022年开始量产3纳米芯片。

值得注意的是,先进的半导体技术生产是一个复杂的过程,需要大量的投资和高水平的专业知识。3纳米技术的生产时间表可能会受到延迟或变化的影响,这取决于各种因素,包括技术挑战和市场需求。


2纳米技术

2纳米技术的开发目前正在进行中,但尚未开始生产。事实上,2纳米技术仍处于研究和开发阶段,可能需要数年时间才能实现商业化。

领先的半导体制造商之一台积电在2021年4月宣布,已经在2纳米技术的开发中取得了重大进展。但是,该公司并没有提供2纳米芯片生产的具体时间表。

同样地,三星也宣布了开发2纳米技术的计划,但尚未提供明确的发布时间表。

值得注意的是,先进半导体技术的开发是一个复杂而耗时的过程,通常需要数年的研究和开发才能将新技术引入市场。因此,虽然2纳米技术的开发正在进行中,但可能还需要数年时间才能准备好商业生产。


以下是半导体领域出现的几种新技术:

1.碳化硅(SiC):SiC是一种具有优越电学性能的材料,与传统的硅相比更为先进。它正在被用于高功率和高频应用的开发,例如电力电子和电动汽车充电系统。

2.氮化镓(GaN):GaN是另一种正在用于高功率和高频应用开发的材料。它有潜力在诸如电力电子、数据中心和无线充电系统等应用中取代传统的硅。

3.量子计算:量子计算是一种利用量子力学原理处理信息的技术。它有潜力解决传统计算机无法处理的复杂问题,如密码学和药物发现。

4.神经形态计算:神经形态计算是一种受到大脑工作方式启发的计算方式。它使用人工神经网络执行图像和语音识别等任务,有潜力用于自动驾驶汽车和机器人等应用。

5.5G网络:5G是最新一代无线技术,旨在比之前的技术更快更可靠。它有潜力应用于广泛的领域,包括智慧城市、自动驾驶汽车和虚拟现实等。

这些技术在汽车、航空航天、医疗保健、电信等行业都有各种应用。例如,SiC和GaN正在用于电动汽车充电系统,量子计算正在用于药物发现,神经形态计算正在用于机器人,5G网络正在用于智慧城市应用。


结论

在过去的40年中,半导体产业经历了巨大的发展,并对社会产生了重大影响。人们从中获得了许多好处,包括:

1.提高了计算能力:半导体的发展使计算能力显著提高,从而推动了智能手机、平板电脑和笔记本电脑等新技术的产生。

2.改善了通信:半导体使通信更快捷、更便利,如5G网络、人工智能(AI)等技术的发展。

3.促进了医学进步:半导体在医疗设备中的应用已经推动了医疗技术的重大进步,如改善成像和诊断工具,以及更精确和精细的治疗选择。

4.提高了能源效率:半导体使得更多的能源高效利用成为可能,如LED照明和电动车等技术的发展,有助于降低能耗和碳排放。

总体而言,过去40年半导体产业的发展对人们的生活、工作和通信方式产生了深远的影响。随着技术的不断进步和新的创新的出现,半导体产业在塑造社会未来的过程中仍然将发挥重要作用。



 
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