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英国利物浦约翰摩尔大学博士Zhigang,电子封装技

9月7日,英国利物浦约翰摩尔大学博士Zhigang Ji来中国科学院微电子研究所进行学术交流,并作了题为Advanced CMOS device characterization and modelling for reliability-aware device/circuit co-design的学术报告。微电子所青促会小组成员、微电子重点实验室副研究员毕津顺主持交流会。全所科研人员、研究生共40余人参加了交流会。

日前,以北京大学为第一作者单位的9篇论文在美国旧金山举行的电气电子工程师学会电子器件大会上发表。北大是IEDM 2018接收来自全世界论文最多的高校,这也是IEDM历史上首次由中国高校在论文数量上领衔。参会的北京大学师生与世界各地的研究人员进行了充分的交流,向国际电子器件领域的同行展示了北京大学最新的研究成果。这9篇论文均来自信息科学技术学院微纳电子学研究院,内容涉及新材料新机制晶体管、神经形态计算、CMOS器件与电路可靠性等多项学术前沿领域,具体成果如下。

姓名:张文浩

Zhigang Ji在报告中指出,随着半导体制造结点越来越小,电路可靠性问题日益受到关注,电路/系统的可靠性问题和更高错误率对制造性设计的要求逐步提高,迫切需要优化设计性能、可靠性、功耗和成本,而传统的电路模型和表征技术已很难满足要求。Zhigang Ji介绍了先进互补金属氧化物半导体器件在电路/系统中的可靠性设计和模型,以及一种改进型缺陷中心框架及其与商业电路模拟器的集成。该框架已被实验证明适合22纳米以下结点技术。他详细讲解了利用该框架改进和提高IMEC的先进Ge/III-V器件的技术开发过程,并同与会人员就电路可靠性等领域进行了热烈的学术讨论。

一、新材料新机制晶体管研究

学号:16140210093

Zhigang Ji现任英国利物浦约翰摩尔大学高级讲师,研究重点是先进逻辑和存储器件的退化现象和可靠性建模以及电路/系统的交互问题,先后发表期刊和会议论文60余篇,部分研究成果已被应用到吉时利仪器产品。

功耗是制约未来集成电路发展的瓶颈问题。在栅极中引入铁电新材料的“负电容晶体管”可以突破传统场效应晶体管的亚阈值摆幅开关极限,有望在极低电源电压下工作,从而降低功耗并保持高性能。但是,NCFET中负电容效应的物理原理以及回滞现象的产生机制尚不完全清楚,其是否能够实现无回滞且稳定的超陡亚阈特性以面向实际高速逻辑电路应用成为了近几年国际上争议的焦点。黄芊芊助理教授和黄如院士团队从器件和材料的基本物理机制入手,通过实验首次直接观测到铁电材料的负微分电容现象,提出并证实了基于动态极化翻转的负电容原理的全新理论解释,阐明了NCFET的超陡亚阈值摆幅和回滞现象产生的物理本质,建立了可预测的物理模型,并发现NCFET亚阈值摆幅和回滞现象之间的优化存在本征的冲突,从而指明了面向不同电路应用的器件设计。该工作以《负电容晶体管中负电容和回滞现象的物理根源新理解》为题发表。

转载自

铁电材料还可以应用在存储器领域。基于氧化铪的铁电新材料有着传统铁电材料无法比拟的优势,然而其铁电特性来源在国际上仍有争论,其多样的循环特性也限制了其进一步的发展。黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队从材料计算入手,发现了一种可能的氧化铪中铁电特性来源,并基于计算结果对循环特性的进行了蒙特卡洛模拟。实验结果表明,该器件模拟方法可以很好的拟合并再现各种循环特性,这在一定程度上验证了所提出的铁电特性来源机制。该工作以《氧空位在基于氧化铪的铁电存储材料的循环特性中的作用》为题发表,并入围大会最佳学生论文的候选。

【嵌牛导读】电子封装技术是为基本的电子电路处理和存储信息建立互连和合适操作环境的科学和技术,是构成芯片-器件-组件-产品的桥梁。电子封装是基础制造技术,各类工业产品(家用电器、计算机、通讯、医疗、航空航天、汽车等)的控制部分无不是由微电子元件、光电子元件、射频与无线元件及MEMS等通过电子封装与存储、电源及显示器件相结合进行制造。电子封装又是一门新兴的交叉学科,涉及到封装材料、电磁设计、结构设计、热管理、微纳制造、电子器件、可靠性等较宽的知识范围。

如前所述,如何突破晶体管开关效率的极限对于降低集成电路的功耗至关重要。刘飞助理教授与合作者一起提出并从理论上研究了利用“冷源”过滤高能热电子进而打破晶体管开关效率的极限,基于石墨烯和硅分别设计了两类“冷源”结构,并通过第一性原理输运计算对器件性能进行评估同时讨论了器件优化设计方法。该工作以《基于源端态密度工程的超低功耗器件第一性原理模拟》发表。

【嵌牛鼻子】高等院校  科研院所 封装研究、开发和服务机构

上述工作均得到了广泛关注。特别是,对于负电容晶体管的研究,针对最具争议的关键机制问题提出了符合物理本质的新理论,得到了包括美国工程院院士在内的学术界专家和包括台积电在内的产业界知名公司的高度评价。

【嵌牛提问】中国电子封装技术行业分析和发展前景以及各大院校人才培养计划如何?

二、基于新型器件的神经形态计算研究

【嵌牛正文】

利用新型非易失性存储器实现计算存储的融合可以加速神经形态计算,制备高能效的人工智能芯片。黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队提出了利用NVM累积权重符号位,结合二值神经网络算法解决了NVM神经网络的精准权重在线更新问题,实现了在线训练。该工作以《利用非线性2T2R突触单元现实BNN在线训练的硬件解决方案》为题发表。

电子制造的特点是技术发展迅速、更新换代极快。电子封装正在从芯片-元件-组件-系统的传统制造模式向系统封装的模式转变,圆片级封装(WLP -WaferLevel Package)、系统封装(SOP - System OnPackage / SiP - System in Package)、三维封装(3D Packaging)等先进封装技术已经开始走向市场。封装占电子器件和微系统的制造成本的比重越来越大,在先进封装中达到60%。在高端封装中技术与人才的竞争更为激烈。

针对基于阻变器件的神经形态计算中权重随着时间变化导致系统性能衰退的问题,黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队从物理机制出发,建立了描述阻变器件权重衰变的简约模型,提出了新的突触单元结构和刷新方式以改进神经网络系统的可靠性。该工作以《面向导电通道模拟型阻变阵列的“态”不稳定性和保持行为的解析模型以及其在神经网络设计上的应用》为题发表。

进入二十一世纪以来,微电子封装制造科学与技术的研究与教育步入了迅猛发展的时代。面对新世纪的新挑战,电子封装技术对其掌握者或研究者的知识储备有了更全面、更深入、更灵活的要求,甚至需要掌握一定的经济或市场知识。目前为止,世界上多所知名高校都开设了电子封装技术课程或开展了大量先进的电子封装技术研究,且均与其自身优势相结合而各具特色。

上述工作对于未来基于神经形态计算的人工智能芯片的研制具有重要的意义。

美国的佐治亚理工大学的封装研究中心是最早开展电子封装技术教育和研究的机构之一,具有极大的国际影响力,该机构将培养过程分为三个等级:第一级为基础学科,包括电子与计算机工程、机械工程、化学工程、材料科学与工程、物理和化学等;第二级为交叉学科,包括设计、低成本MCM、大面积制造、无源器件集成、热存储、组装工艺、光电器件、系统集成、无线电技术、可靠性等;第三级为系统级学科,包括行业需求与技术挑战、低成本集成封装等。此外,佐治亚理工大学的互连和封装中心致力于三维集成电路的设计和研发,具备2000平方英尺的超净室和价值超过18MUSD美元的设备;三维系统封装研究中心则侧重于SOP(System-on-Package)的研究,已培养181位学士、283位硕士和198位博士,教授10门本科课程和19门研究生课程,出版4本参考书,发表论文1200余篇,申请发明249项、专利36项,13000平方英尺超净实验室,获得247MUSD资助,与198个公司、15个政府机构有合作关系,建立了4个公司,要求学生掌握电磁学、电子封装及设计、电子封装与组装、封装基板制造、射频微波、雷达及远程传感、集成电路制造、有限元法、无线集成电路设计、半导体过程控制、光电系统、微机电系统封装、先进数字系统测试、热机械可靠性等课程。马里兰大学建立于1986年的 CALCE (计算机辅助产品寿命周期工程)电子产品及系统研究中心是该大学工程学院中最大的研究机构之一;研发了许多先进的科学方法,有效地辅助了电子产品及系统的设计与分析;还是失效物理研究方法的创始者之一;并且在加速破坏性试验、故障及失效分析、电子元器件的选择与管理等研究领域中居世界领先地位;每年承担的各种科研项目价值超过5MUSD;其主要本科生课程为:热力学、电子及仪表、机械工程计算方法、流体力学、热传导、振动控制及优化、程材料及制造工艺、产品集成与过程开发等;研究生课程为:电子系统的机械原理、线性振动、可靠性工程数学、有限元应用、可靠性及失效机制、高功率和高温电子、电子产品生命周期制造的热问题等。亚利桑那州立大学拥有先进的电子封装研究中心,主要通过对一级和二级封装的的建模及电学和热学模拟研究电子元器件的热电性能,资助方主要是半导体研究公司,设置课程包含器件电子学、电工学、材料的光谱性能、电子封装设计、微电子和固态器件等。

三、CMOS器件与电路的可靠性研究

在亚洲,日本东京大学拥有先进的微系统集成与封装实验室,已培养120余名学士、硕士、博士学位毕业生,及多位博士后,致力于开发用于微系统的新型互连和封装技术:室温粘接表面活化键合、高密度互连应用、异构材料晶圆键合、微机电系统、智能可逆互连、无铅互连、生态设计等,设有固体物理、材料热力学、高分子加工、系统集成与封装、微加工技术进展、微流体系统应用、光学微系统应用等课程。新加坡国立大学也在电子封装中的热传导、湿度对电子封装的影响、在热存储和电冷却过程中相变材料中的热传导、IC封装的热机械可靠性、晶圆级封装等领域做了大量工作,并相应开设了工程热力学、热传导、能量转换、电子系统的冷却等相应课程。

随机电报噪声是纳米尺度器件与电路中不稳定性的重要来源。王润声副教授和黄如院士团队在先进FinFET工艺技术中首次观测到“反常”的复杂RTN现象,直接证实了栅介质缺陷的双亚稳态的理论预测,并做了系统的统计性研究和机制分析。该工作以《多Fin体硅FinFET先进技术中“反常”复杂RTN的全面研究》为题发表。

台湾的IC封装测试产业产值为世界之首,守义大学率先在1985年开展了跨系所的电子封装教学,将IC封装制造、IC封装材料作为基础课程,IC封装可靠性作为核心课程,失效分析与可靠度测试、机电一体化与PLC控制、热管理、结构应力、电性能设计、材料选用与制程设计等作为专业课程。台湾清华大学的先进封装中心则有15名先进封装领域的知名教授参与,着重于下一代封装技术的研究、分享、教育等,主要训练课程有三维封装、三维IC、晶圆级封装、内涵系统式封装、微系统封装、封装材料、可靠度分析与评估、软性电子、光电封装、奈米结构技术、半导体微奈米力学及模拟与测试技术等。香港城市大学于1998年设立了电子封装与组装中心,并拥有20MUSD以上的先进设备,香港科技大学也于2004年底设立了先进微系统封装中心。

集成电路功率密度增加会引起芯片工作温度升高,造成性能退化和可靠性失效。常鹏鹰博士后和刘晓彦教授团队提出了纳米片晶体管的自热效应物理模型,嵌入SPICE仿真器可实现电路级别的热评估。该工作以《基于纳米片场效应晶体管的物理模型关于器件电路协同设计》为题发表。

1 进行电子封装科研及人才培养的高等院校

杜刚教授和刘晓彦教授团队基于动力学蒙特卡洛理论得到了从栅介质层缺陷行为出发评估器件退化的方法,实现了全偏置空间以及任意电路操作下的阈值电压漂移预测。该工作以《基于三维KMC方法的全偏置统计可靠性仿真及纳米片场效应晶体管电路可靠性评估的应用》为题发表。

国内的电子封装技术教育已经得到国家及相关部委的重视,2007年工信部及教育部设置了“电子封装技术”目录外紧缺专业。2008年教育部设置了“微电子制造工程”目录外专业,目前已经有华中科技大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、北京理工大学、桂林电子科技大学、厦门理工大学和江苏科技大学创办了独立的电子封装技术或微电子制造专业。许多高校的材料学、材料加工、机械制造方面的研究也逐渐向电子封装的材料、工艺和装备转移,已经有至少30家以上的高校开展了电子封装技术的教育与科研工作。

此外,王润声副教授应邀作了题为《底部太吵?——先进逻辑器件与电路中的随机电报噪声》的特邀报告,得到了广泛关注。王润声副教授是IEDM历史上邀请的来自中国大陆单位中最年轻的学者,在晶体管噪声领域有长期研究,关于RTN的部分成果已与Synopsys和台积电等国际知名半导体公司合作和应用推广。

哈尔滨工业大学2013年重新制定了电子封装技术专业培养方案,课程体系涵盖材料科学与工程、电子科学与技术两个学科,2014年开始实行夏季学期制。新的培养方案注重基础理论与创新、加强工程实践能力培养,在学科基础课和专业核心课程设置方面体现了多学科交叉的性质,设立了“创新型人才”的培养计划。课程体系涵盖半导体器件与物理、微制造与微加工、电子材料、热与电磁、可靠性与失效等。专业核心课程包括半导体器件物理基础、微电子制造技术、微纳加工工艺、电子封装结构与设计、电子材料、微连接原理与方法、电子封装可靠性,增设了电子封装导论和专业英语训练课程。在选修课程的设立上注重学科前沿、工程能力和创新能力的培养,包括MEMS和微系统封装基础、电子制造装备、混合微电路技术、表面组装技术、光电子器件与封装技术等,增加了纳米材料与器件、化学微加工工艺等前沿课程。每年夏季学期将邀请企业专家讲座,使学生能够熟悉本专业领域的科技发展动态及产业发展状况,熟悉国家电子信息产业政策和国内外有关知识产权的法律法规。同时,哈工大威海校区也成立了电子封装技术本科专业,每年招生50多名。哈尔滨工业大学深圳研究生院为研究生开设了电子封装技术方向的双语课程,包括:Solder Joint Technology(钎焊技术80学时), Introduction to

以上论文的相关研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体、重点基金、优秀青年基金、高等学校学科创新引智计划等项目的资助,以及北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室、微电子器件与电路教育部重点实验室等基地平台的支持。

Polymer Materials(聚合物材料导论40学时) Wire Bonding Technology (丝焊技术40学时),Adhesion Materials and Technology(粘结材料及技术40学时)。哈工大本校2012年毕业生22名,6名就业,14名考上研究生,其余出国深造。2012年招生23名,现有专职教师9名。

背景链接:具有六十多年历史的IEDM是微电子器件领域的顶级会议,在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力,被外媒誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。该会议主要报道国际半导体技术方面的最新研究进展,是著名高校、研发机构和英特尔、IBM等企业报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台之一。近年来,集成电路技术领域的许多重大技术突破都是通过该会议正式发布的。北京大学已经连续12年在IEDM大会上发表论文,表明我校在该领域的研究水平持续保持在国际前沿之列。

华中科技大学电子封装技术专业主干课程包括电子制造技术基础、半导体制造工艺、电子工艺材料、电子制造可靠性等,同时还兼顾了材料加工工程专业的主干课程。桂林电子科技大学成立了“微电子制造工程专业”,为国家教委专业目录外特色专业。开设了半导体制造技术、微电子封装与组装技术、PCB设计与制造技术、微纳技术等课程,在本科层次培养电子制造工程师。2012年毕业生36名,就业14名,21名考入研究生,2012年招生56名。现有教师人数20位。

北京理工大学的电子封装技术本科专业同样也属于国防紧缺专业的目录外专业。从2008年起正式开始招生,每年招生30多名。开设的主干课程包括:机械设计基础、电路分析基础、模拟电子和数字电子技术基础、集成电路设计基础、半导体物理基础、半导体器件原理、微电子制造工艺基础、材料科学基础、传输原理、微连接原理、电子封装工艺、电子封装材料、电子封装结构与设计、电子封装可靠性与测试技术、材料物理与力学性能。选修课程包括:高分子材料基础、膜材料与膜技术、电子组装技术、基板技术、材料及其成形测试技术、微机原理与接口技术、塑性成形技术与模具设计、微系统及其封装技术、微加工导论。2010年无本科毕业生,每年招生30名左右,现有教师14人。

西安电子科技大学电子封装技术专业以机电结合为特色,设立了“工程应用型”的人才培养目标。开设的专业课程主要有信号与系统电路分析基础、模拟电子线路基础、数字电路与逻辑设计、射频电路技术、微电子技术概论、电子封装结构设计、电子封装材料与工艺、电子封装设备、电子封装测试与可靠性、微机电及其封装技术。西安电子科技大学每年招生40名左右,现有教师6人。

上海交通大学在机械与动力工程学院开设了微电子制造与装备本科专业,每年有学生约45名,开设的主干课程有高密度半导体封装工艺、高密度半导体封装装备、高速、高精度运动控制、机器视觉等。这是国内首个以电子封装专用设备研究为目标的本科专业。上海交通大学材料学院在本科生培养阶段的后期设立电子封装材料与工艺的模块。

北京工业大学和华南理工大学材料学院也是采取本科生后期培养阶段开设电子封装模块的方式。华南理工大学开设的课程包括电子封装与制造概论、固体物理、薄膜材料与技术、焊接工艺及设备、高性能陶瓷材料、功能材料。

到目前为止,已经召开了四届电子封装技术专业本科教学研讨会,分别由华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学和西安电子科技大学主办。会上讨论了电子封装技术专业的建设规划、教学体系和教学实践,来自工业界的企业和公司对封装教育计划从人才需求、企业实践的角度提出了建议。通过教学研讨会和四年多来的教学实践,国内高校电子封装技术专业教育工作逐渐走向系统和成熟。

至此,国内已经有6所高校正式在本科教育阶段设置了电子封装技术专业,开始在本科生的层面大规模、系统性地开始电子封装技术专门人才的培养,可以在一定程度上缓解国内专门人才缺乏的问题。接受系统电子封装技术教育的本科层次人才将达到500余人/年;接受电子封装技术选修课程的约为1200余人/年。接受研究生阶段培养的学生大约为300余人/年。

表1 国内电子封装技术教育资源

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2 开展电子封装技术研究的科研院所

我国科研院所涉及电子封装技术研究是与电子元器件的研制同时起步的,随着电子元器件技术的发展,电子封装技术同步发展。特别是集成电路技术的发展,促进了电子封装技术日新月异的变化。

目前,全国涉及封装技术研究的科研院所有36家,其中原信息产业部系统17家,其他系统15家。涉及封装研究的从业人员1900余人,其中技术人员1000余人,主要涉及:

·陶瓷封装; ·塑料封装;

·光电子封装; ·混合电路封装;

·管壳研制; ·封装设备研制;

·封装材料; ·引线框架;

·封装技术研究及服务; ·测试技术研究及服务。

涉及封装技术开发与培训的科研院所有中科院上海微系统研究所、中科院电子研究所、中科院微电子中心等。

3封装研究、开发和服务机构

封装研究、开发和服务机构主要集中在“长三角地区”,约有十余家,主要涉及电子封装研究、开发,器件、模块及系统级可靠性试验,与质量和可靠性有关的检测、失效分析、咨询、培训、与无铅相关的元素检测等,有的可小批量制备产品如:CerDIP,

SOIC,MCM, Flip chip等。

封装研究、开发和服务机构有:上海新代车辆技术有限公司、中科院上海微系统与信息技术研究所、爱斯佩克测试科技上海有限公司、宜硕科技(上海)有限公司、复旦大学国际微电子分析中心、上海上大瑞沪微系统集成技术有限公司、上海天祥质量技术服务有限公司、通标标准技术服务有限公司上海分公司、品升电子(上海)有限公司、无锡中微华普电子有限公司、无锡艾伯克国际封装技术有限公司等。

4讨论

初步统计目前涉及封装业研究的科研院所36家、人才培养的院校30家、开发服务机构11家。封装技术教育的规模逐步在提升,不断满足国内企业界对技术人才的需求。但是封装技术研究的水平距离我国电子封装制造的需求还有很大的空间。

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