器官芯片毕业论文

集成电路芯片封装技术浅谈 自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到 ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。 对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 ……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。 下面将对具体的封装形式作详细说明。 一、DIP封装 70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。DIP封装结构具有以下特点: 1.适合PCB的穿孔安装; 2.比TO型封装(图1)易于对PCB布线; 3.操作方便。 DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)，如图2所示。 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。 Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。 二、芯片载体封装 80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)，封装结构形式如图3、图4和图5所示。 以焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是: 1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线; 2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用; 3.操作方便; 4.可靠性高。 在这期间，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。 三、BGA封装 90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种--球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。如图6所示。 BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有: 引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率; 2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能: 3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上; 4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高; 5.组装可用共面焊接，可靠性高; 封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大; Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。 四、面向未来的新的封装技术 BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。 Tessera公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。 1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封装具有以下特点: 1.满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要; 2.解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题; 3.封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。 曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(Multi Chip Model)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有: 1.封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化; 2.缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3; 3.可靠性大大提高。 随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(wafer level)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(System On Chip)和电脑级芯片PCOC(PC On Chip)。 随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。

在研制新型处方药和解毒剂的早期阶段，研究人员会进行大量动物实验。实际上，动物实验不仅成本高耗时长，而且动物身体与人类身体的生理机能不同，研究人员也无法从中得到对人体完全有效的数据。即便能进行人体实验，某些实验结果将损害被测试者的健康，不符合人道准则，法律禁止这样的实验。

在不进行动物实验或人体实验的情况下，有没有一种方法让科学家了解害化学物质、病毒或毒品对人体产生的影响，并获得准确的人体实验数据？

为了实现上述目的，美国劳伦斯利物莫国家实验室正在研制一套“人体芯片”；这套芯片是一套微型人体器官复制品，综合运用了生物学和工程学技术，将微流体技术和多电极阵列技术相结合。

人体芯片使用聚合物这样的合成材料制造。此类材料制造的器官芯片可能是透明的，可以使用显微镜来观察细胞情况。器官芯片采用人体细胞培养，结构十分精细。只要具备合适的条件，芯片内的人体细胞能自然地生长，就像在人体内一样；这些细胞的功能及对外来刺激的反应也和在人体内一样。微流体的技术被用来向器官芯片里的细胞提供营养，向细胞注入与血液成分类似的液体。值得注意的是，器官芯片不含有完整器官，只是将相关器官的细胞培植在芯片里。

劳伦斯利物莫国家实验室的人体芯片项目被称为iCHIP平台，由四个生物学系统组成：中央神经系统（大脑）、外周神经系统、血脑屏障系统和心脏系统。

戴夫·欶斯卡是劳伦斯利物莫国家实验室的工程师，也是iCHIP平台的“大脑芯片”研制团队的领导人之一，大脑芯片是模拟人体中央神经系统的装置。戴夫·欶斯卡说道：“这是一个测试平台，用来检测各种新药。只要研究人员有一套类似人体环境的系统，研究人员就用不着进行周期冗长的动物实验，动物实验提供给我们的信息不一定与人体相关。”

劳伦斯利物莫国家实验室研发团队将他们的精力主要用来研究人体大脑；他们试图弄明白神经元如何互动，对化学刺激会产生怎样的反应，例如大脑受到咖啡因、阿托品、辣椒素以及其他化学物质等激后的反应。

iCHIP平台将多种脑细胞以混合方式培植在一个装置里。为了研究人体大脑，初级神经元被植入一个微电极阵列装置，该装置能模拟人体大脑的四个区域（海马区、丘脑区、基底神经节和脑皮层）。在脑细胞长成后，将一种化学物质（例如阿托品）注入微电极阵列，神经元的生物电活动情况将被记录下来。

欶斯卡表示：这种装置的理念就是让观察到大脑更复杂的整体反应，我们之前无法做到这一点；初步结果显示海马区细胞和脑皮层细胞能在芯片里存活数月，这些细胞的反应将被记录并予以分析。

人体内有一套被称为血脑屏障的重要机制，该机制能在化学物质或毒物抵达中央神经系统之前，对这些物质进行过滤，这是人体的重要功能之一。劳伦斯利物莫国家实验室的工程师莫妮卡·莫亚领导的研发团队试图利用iCHIP平台复制出人体血脑屏障。莫亚他们使用的装置采用微管和微流控芯片（该芯片采用微型蚀刻管道而不是微管）来模拟血液流经大脑。莫亚的研发团队用咖啡因和其他化学物质对该装置进行了测试，以确保该装置正常工作以及装置内的细胞对这些物质反应与人体大脑一致。

莫亚说道：血脑屏障是大脑的门卫，让血液里的营养物质进入大脑，阻止潜在的有毒物质进入大脑；但血脑屏障的功能太过有效，可能阻止了一些治疗药物进入中央神经系统。一套真实的人体实验血脑屏障模型将有助于研究人员研究血脑屏障的渗透性；作为一套用于药物研发的体外模型，iCHIP平台的用途让人难以想象。研制iCHIP平台能促进新型癌症药品和疫苗的研发以及提高对生物武器防御措施功效评估的准确性。

科学家希瑟·恩赖特是外围神经系统研究团队的领导人，外围神经系统是将大脑与四肢及其他器官连接的神经系统。外围神经系统装置是多个微电极阵列嵌在玻璃上，微电极阵列内植入了脊椎神经细胞。类似与辣椒素这样的化学物质（用于研究疼痛反应）就能通过一个小型精确泵注入iCHIP平台，以刺激微电极阵列里的神经细胞。

微电极将记录神经细胞发出的电信号，能在不损伤神经细胞的情况下，让研究人员观察神经细胞对刺激做出的反应。与现有技术相比，iCHIP平台的这项技术极具优势。恩赖特表示：“像iCHIP平台这样的多电极阵列研究方式能让研究人员对神经细胞进行多次观察实验，研究人员能最大限度地从中获取数据。当对初级人体细胞进行测试时，iCHIP平台的这种功能显得尤为重要。例如，当研究人员观测人体细胞暴露在未知化学物质反应，细胞暴露数小时的反应与暴露数周乃至数月的反应是不同的。iCHIP平台提供了一种评估人体细胞在一段时期内的健康程度和功能变化的无损观察方法。”

此外，劳伦斯利物莫国家实验室早期还进行过在一个芯片上复制心脏的研究。在电刺激下，芯片上的心肌细胞成功地进行了跳动，研制心脏芯片的目的就是同时对心肌细胞的电生理学和运动进行研究。

伊莉莎白·惠勒是iCHIP研发团队的主要研究员，按照她的说法，iCHIP研发团队下一步将整合各个系统，从而建立一套完整的测试平台，用于研究某些基础科学问题；最终建立一个完整的人体平台，i不仅能为疫苗提供相关人体数据，还能为了解疾病机制提供有价值的信息。在将来某一天，从人体芯片系统得到的信息将用于研制定制药品。”

要停止全部动物实验和人体实验，仅仅依靠器官芯片就取得准确的实验数据，研究人员还有有一段很长的路要走，可能还得耗费十多年时间。在现阶段，一些生物医药机构还无法得到适用的器官芯片。人体免疫系统对外来物质的反应是一种相当复杂的过程，尤其是人体神经系统对药物的反应。随着相关技术的改进和研究人员对器官芯片更深的了解，越来越多的实验动物将被器官芯片取代。