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纳电子封装纳电子封装

（华中科技大学 a.材料学院；b.微系统中心, 武汉430074）摘要：讨论了将成为21世纪电子制造领域的科学与

技术的纳电子封装的基本概念以及由其产生的驱动力。阐述了纳电子封装的研究内容和纳电子封装的现状及发

展趋势。关键词：纳电子封装; 纳米材料; 纳芯片; 纳互连中图分类号： TN305.94 文献标识码：A 文章编号：

1003-353X(2005)08-0008-051 前言近年来，随着纳米技术的快速发展，已经出现了纳米磁性器件、量子点阵

耦合器件、单分子开关、纳机电系统〔NEMS〕、共振隧穿器件和纳米单电子器件(SET)等纳米器件。这些纳米

结构的电子、光子器件将成为下一代微电子和光

（华中科技大学 a.材料学院；b.微系统中心, 武汉430074）

摘摘要要：讨论了将成为21世纪电子制造领域的科学与技术的纳电子封装的基本概念以及由其产生的驱动力。阐述了纳电子封装

的研究内容和纳电子封装的现状及发展趋势。

关键词关键词：纳电子封装; 纳米材料; 纳芯片; 纳互连

中图分类号中图分类号： TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)08-0008-05

1 前言前言

近年来，随着纳米技术的快速发展，已经出现了纳米磁性器件、量子点阵耦合器件、单分子开关、纳机电系统〔NEMS〕、

共振隧穿器件和纳米单电子器件(SET)等纳米器件。这些纳米结构的电子、光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的。

英特尔公司在2004年2月推出了四款用90nm工艺批量生产的新型处理器[1,2]，90nm工艺的启动标志着处理器已经跨入了

100nm至0.1nm尺度范围内的“纳芯片时代”。整个半导体领域的前沿热点从制造技术、器件物理、工艺物理到材料技术等各

方面随之全面进入纳米领域。国内外学者已经在开始使用纳电子封装或者纳封装（nano packaging）这个新的学术名词，但

是迄今为止还没有文献对纳电子封装进行明确的定义。针对这一情况，本文首先探讨了纳电子封装的内涵，并结合国内外研

究现状分析纳电子封装的研究内容和特点。

2 纳封装的定义及发展驱动力纳封装的定义及发展驱动力

在物理尺度上，纳代表的意义有两重 [3]：一是真正的10-9，如电子器件的尺寸进入纳米范围可称为纳米器件或纳器件；另一

层意义是表示比微更小，例如我们把重几十公斤的人造卫星叫小卫星，重几公斤的叫微卫星，重1kg以下的则叫纳卫星。显

然，对于信息处理芯片中的系统，如在系统前冠以纳替代当前的微，称为纳系统，它决不是纳米系统，而是下一代的微系

统。所以，现在国际上开始广泛使用的纳电子封装这个新名词只是指下一代的微电子封装，因为电子封装的对象还没有发生

根本变革， 90nm工艺实际上只是晶体管间的连线宽度的进一步减小（但可以把100nm至 0.1nm线宽的芯片称为纳芯片）。

近年来，还出现了不少关于纳米科技在封装领域中的应用成果的报道，如：可低温烧结的纳米导电浆料，利用自组装特性构

建有序纳米结构的方法来封装纳机电系统等。在这种背景下，电子封装工程已经留下了纳米科技的烙印。因此，不应该仅仅

从封装的物理尺度上去理解纳电子封装，而应从更广泛的角度加以理解：①纳电子封装技术是应用了纳米科技的技术；②纳

电子封装技术是通过对微电子封装技术进行“升级”而来的技术；③纳电子封装的对象应该是泛指一些高速、高频、多功能化的

下一代微电子器件。结合一些国际知名学者的观点，可提出纳电子封装的研究领域为[4]：纳封装设计、纳布线与纳互连、纳

米到微米的尺度转化、纳封装材料与工艺、纳光互连、纳能量转换与存储、纳传感器封装、纳封装中的光刻技术、纳热科学

和纳机电系统等。

主要是以下三个方面的驱动导致微电子封装走向纳电子封装。

（1）集成电路制造中的铜互连、低k 绝缘层和机械化学抛光（CMP）等工艺已成为制造高端IC的一组关键性的标准工艺

[5]，英特尔在90nm工艺中引入了应变硅、高速铜互连以及新型低 k绝缘材料等技术。新工艺直接导致了芯片纳米时代的到

来。纳芯片的高频、高速、高功能化等特性必然引起微电子封装的革新而走向纳电子封装的时代。

（2）纳电子学的发展也将加快从微电子封装走向纳电子封装的步伐。纳电子学在传统的固态电子学基础上[6]，借助的物理

理论和的工艺手段，按照全新的概念来构造电子器件与系统。纳电子器件是微电子器件发展的下一代产物，但它又不同于微

电子器件的材料、加工组装技术和运行机理。科学家预测，纳米电子器件、纳米光电子器件、纳米集成电路、纳米光电子集

成电路是有发展前途的。纳电子学的发展必然会激发人们对新型封装方式展开研究的兴趣，并加深对纳电子封装的理解。

（3）纳米技术的蓬勃发展特别是纳米材料技术的发展已经对封装产生了重要影响。此外，纳米结构制备技术（超紫外光刻

技术、聚焦离子束光刻技术、分子束外延技术、原子力显微镜和扫描隧道显微镜技术等）的飞速发展将使量子器件代替微电

子器件，在不久的将来，现有的硅基芯片将被体积缩小数百倍的纳米元件代替，封装技术必然要发生巨大的变化才能适应纳

米时代的到来。所以，纳米科技的进步也是纳电子封装的驱动力。

3 纳芯片和纳机电系统纳芯片和纳机电系统(NEMS)封装封装

3.1 纳芯片的封装纳芯片的封装

纳芯片集成了数以百万计的晶体管 [7]，在不久的将来这类芯片可能需要10000个以上的I/O引脚，芯片的工作功率将超过

200W，可提供M2Hz的处理速度。就纳芯片的封装工艺而言，新的发展方向应该是去尽快适应纳芯片在高速、高频、及大容

量化等性能方面的快速提高。文献[8]预测了板上元件密度的“大容量化”发展趋势，从将来的每平方厘米要搭载5000个元件。

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