薄厚膜集成电路

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1、薄/厚膜 混合集成电路参考教材：n薄厚膜混合集成电路，国防工业出版社，1982，胡忠胥 、梁瑞林等n厚薄膜混合微电子学手册，电子工业出版社，2005， Tapan K. Guptan混合微电路技术手册材料、工艺、设计、试验和生产 ，电子工业出版社，2004，James J.Licari, Leonard R.Enlown电子封装工程，清华大学出版社，2003，田民波编著n电子产品制造技术，清华大学出版社，2005，王卫平主 编课程内容：n混合集成电路发展简史及应用实例n混合电路中常用数学模型及设计、布图规 则n厚膜电路工艺原理、使用材料和制作流程n厚膜制造中的膜沉积技术n薄膜材料的性质及薄膜膜

2、沉积技术n电阻器阻值调整技术n分立元器件组装技术n封装技术及不同封装材料的性能n多芯片模块介绍n混合电路可靠性试验及失效分析第一章 引言n混合集成电路（HIC）、半导体集成 电路（IC）与分立元器件电路 现代集成电路可分为半导体集成电路 和厚薄膜混合集成电路两大类，再加 上散装小型元器件的微型电路，统称 为微电子电路。1.分立元器件电路指电阻，电容，电感，晶体管等单 一特征元件实体按照一定的电路形 式，组成完成特定功能的实体。分立元器件电路 有源音箱分立元器件电路发射机 体积大，能耗高，故障率高。现主要用于实验、教学中 。 “用分立元件造P4的话，大概有国家大剧院那么大”2.半导体集成电路（I

3、C）也叫单片集成电路（monolithic IC） .其电路构建在单晶基片上，电路中 含有有源器件（晶体管、二极管等 ）、无源元件（电阻、电容等）及 它们之间的互连导线，几乎所有的 电路元器件都是通过诸如外延生长 、掩模杂质扩散、氧化物生长、氧 化物刻蚀、定义图形的光刻等这些 工艺制造在基片内。最后，内部接 触用铝与1%-2%硅和2%-4%铜的合 金做成。 IC可以从不同角度分类材料Si 集成电路（95%）绝缘体上硅（SOI）锗硅（SiGe)、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）特征尺寸0.25 （深亚微米）0.18 （超深亚微米）906545Moore定律：IC中晶体 管的数目每隔两年就翻

4、一番，芯片性能每18个 月翻一番。SOI的作用解决闩锁效应功能数字集成电路（门电路、存储器、微处理器等）模拟集成电路（运算放大器、直流稳压电源、模- 数） 由于集成电路体积小，使电子运动距离大幅 度缩小，因此速度极快且可靠性高，电子信 息产品的很多核心功能都是通过集成电路来 实现的。 IC电路的优势仅当与其他集成电路、电阻器 、电容器等以混合电路的形式实现集成时才 能最佳化。3. 混合集成电路（Hybrid IC）混合集成电路是一种将各种功 能的片式器件在预先做好导体 图案或导体与阻容组合图案的 绝缘基片上进行电气互连的电 路。之所以叫“混合”电路是因为 它在一种结构内组合两种不同 的工艺技术

5、：有源芯片器件（ 半导体器件）和成批制造的无 源器件（电阻器，导体等）分立的片式元器件有晶体管、二极管、集 成电路、片电阻和电容器；成批制造的元 器件有导体、电阻器，有时还有电容器和 电感器。片式元器件是很小的没有包封的元器件。 半导体片式器件也叫裸芯片，尺寸范围从 非常小（12mil见方）的单个晶体管，到大 至约500mil见方高密度的集成电路（IC）广义来说，已封装好的元器件用锡焊焊到 印有互连导线的陶瓷基片上的电路也可认 为是混合电路。1mil=25.4 =0.0254mm薄/厚膜混合 集成电路： 在基片上用 成膜方法制 作厚膜或薄 膜元件及其 互连线，并 在同一基片 上将分立的 半导体

6、芯片 、单片集成 电路或微型 元件混合组 装，再外加 封装而成。 按照制作互 连基片工艺 的不同，分 为薄膜电路 与厚膜电路 。HIC可视为将厚薄膜技术、半导体技术和 其他分立元器件技术相结合的不同的微电 子元器件的互连封装技术在分类中，按互连基片的工艺可以分为薄 膜和厚膜，但混合电路也可按它们的功能 来分类，如数字、模拟、射频微波功率电 路HIC是将分立元器件组装在电路板上的传 统设计和单一单元或封装的单片集成电路 的中间物。它最大的优势在于能够选择和 混合不同技术从而最大限度的满足实际需 要HIC代表了可以将IC与各种分立元器件在 适宜的基板上精密集成的先进分装理念4.多芯片模块MCM (

7、Multi Chip Module )MCM这一术语普遍被人们接受是在20世纪 90年代初。随着半导体集成电路技术的进 展，出现超高速元件。若采用传统单个芯 片封装的形式分别搭载在印制电路板上， 则芯片之间布线引起的电气信号传输延迟 ，跟芯片内部的延迟相比已不能忽略。因 此，要实现电子设备系统整体性能的提高 变得越来越困难。而若将多块芯片同时搭 载在陶瓷等高密度多层基板上实现整体封 装，则可以大大缩短芯片间的布线长度， 减小电气信号传输延迟，这便是产生MCM 的背景。将高集成度、高性能、高可靠性的集成电 路裸芯片在高密度多层互连基板上用表面 安装技术组装成为多种多样的电子组件、 子系统或系统，

8、称为多芯片组件。nMCM将多块未封装的集成电路芯片高密度 安装在基板上构成一个完整的部件nMCM还没有严格的定义，但由于MCM的 魅力，几乎每种电子模块都被吹嘘成MCMnMCM是混合微电路的延伸，差别只是在复 杂程度、密度和性能上有所不同。它实际 上是材料和工艺已被精炼和扩展从而使电 性能（如速度或密度）至少增加一个数量 级的新一代混合微电路nHIC, IC和分立元器件电路的优劣比较 1.HIC与分立元器件电路比较HIC比等效的分立元器件电路重量轻10倍 ，体积小46倍由于电阻器在基片上成批烧出，混合电路 需要的互连较少，可靠性比分立元器件电 路有很大改善HIC电阻器可以静态或动态调整到精密的

9、 值，故能制造出分立元器件电路不可能达 到的高精度电路为了散热，分立元器件电路的印刷电路板 上必须用粘结剂粘上很重的散热板或使用 金属芯的电路板；HIC的大功率器件可以 直接装在导热好的陶瓷基片上，大大提高 了导热能力HIC与分立元器件电路相比有更小的器件 间距，更精细的导线线宽和间隔，更小公 差的电阻器，使得寄生电容和电感减小， 从而更适合高频、高速应用场合。2. HIC与IC比较掩膜的开发，对贵重设备和专门净 化间的需求及运行控制，使得对定 制的IC仅在大量生产的前提下才是 可行的；HIC成本低，工艺灵活，适 合小到中批量生产在设计中要求反复修改的电路，HIC 比IC更容易，更快速，更适合

10、做定 制电路最高的集成密度仅能由IC获得，每 个IC芯片的电路功能密度比混合电 路大几个数量级HIC比IC可选的元件参数范围宽，精 度高，稳定性好，可以承受较高的 电压和较大的功率混合电路相对于 分立元器件电路 的优点 体积小，重量轻 电路路径短，寄生参数易控制 由于组装简单和有功能微调能力，系统 设计更简单，致使系统成本降低 由于连接少，金属间的界面少及更好的 抗冲击和振动能力，故有更高的可靠性 由于混合电路是预先测试过 的功能块， 系统容易测试，故障追踪更容易混合电路相对于 单片IC的优点 由于用于设计和工、模具的成本更低， 适合于中小批量产品生产 设计更改容易 出样周期短，能尽快投产 可

11、选用高性能元器件（基片和外贴元件 ） 能将不同工艺的元器件混合组装，使设 计灵活性更好 允许返工，便于以合理的成品率生产复 杂的电路，并允许适当的返修混合电路的优点3. HIC与MCM的比较多芯片模块（MCM）实际上也 是混合电路，只是由于要从 VLSI和其他高速器件引出最佳 电性能的需要，将这种封装技 术又向前推进了而已。HIC与MCM一般性能的比较特性混合电路多芯片模块芯片数量2502100每片I/O数量250每模块I/O数量200线宽 和间距（mil）5200每模块的功耗（W）30% 100%(三维模块)n混合微电路封装的六个层次在半导体器件制作过程中， 有前工程和后工程之分，二 者以硅

12、圆片(wafer)切分成芯 片(chip)为界，在此之前为 前工程，在此之后为后工程 。前工程是从整块硅圆片入手，经过 多次重复的制膜、氧化、扩散、照 相制版、光刻等工序，制成三极管 、集成电路等半导体元件及电极等 ，开发材料的电子功能，以实现所 要求的元器件特性后工程是从由硅圆片切分好的一个 一个芯片入手，进行装片、固定、 键合连接、塑料灌封、引出接线端 子、按印检查等工序，完成作为器 件、部件的封装体，以确保元器件 的可靠性并便于与外电路连接以大型电子设备系统为例（如大型 计算机）Level 1特指半导体集成电路元件（芯片） 。芯片由半导体厂商提供，分两大 类：系列标准芯片和针对系统用户

13、特殊要求的专用芯片。此时为未加 封装的裸芯片。此层次中系统用户 是以裸芯片的形式从半导体厂家进 货，如何确保芯片质量成为难以解 决的关键性问题。此层次中主要运 用的是IC技术。Level 2层次2分为单芯片封装和多芯片模块 两大类。前者是对单个裸芯片进行 封装；后者是将多个裸芯片装载在 陶瓷等多层基板上，进行气密封装 ，构成MCM。通常，系统用户是以单芯片封装的 形式从半导体厂家购入集成电路芯 片，这样可以确保元件的功能，而 且在封装状态下可进行老化处理， 对初期不合格的元件进行筛选，保 证质量。此层次中主要运用到HIC封 装与MCM集成技术。Level 3指构成板或卡的装配工序，将 多个完成

14、层次2的单芯片封装和 MCM,实装在PCB板等多层基板 上，基板周边设有插接端子， 用于与母板及其他板或卡的电 气连接。Level 4称为单元组装，将多个完成层 次3的板或卡，搭载在称为母板 的大型PCB板上，构成单元组 件Level 5将多个单元构成框架，单元与单元 间用布线或电缆相连接。Level 6即总装。将多个架并排，架与架之 间由布线或电缆相连接，由此构成 大规模电子设备。从电子封装工程的角度，一般称层 次1为0级封装，层次2为1级封装， 层次3为2级封装，层次4、5、6为3 级封装n混合微电路技术的重要性 混合微电路技术是21世纪的技术， 有着美好的发展前景，从总体上讲 ，混合微电

15、路和多芯片模块技术是 达到高密度、高性能和高可靠性的 互连封装的唯一有效手段作为混合微电路基础的厚膜和薄膜 技术除了在电路的互连封装方面的 应用外，在其他技术领域如能源技 术、显示技术、微电子机械系统和 纳米技术等方面都有重要应用根据美国的商业通讯公司（BCC ）在2004年5月出版的一份市场 调查报告“GB-280厚膜器件、工 艺和应用”预测：到2008年，全 球厚膜器件和产品的销售将达 到300亿美元；在未来五年，混 合电路、微波电路和多芯片模 块的年增长率将达到8.2%,其他 应用领域增长最快的将是能源 供应领域，包括加热器，太阳 能电池和高温超导体，年增长 率将达到39.7%n混合微电

16、路的发展历史20世纪40年代，微电子电路由印在钛酸盐 陶瓷基片上的电阻和电极构成，这是当时 的最高水平1947年，贝尔实验室（Bell Labs）的一组 研究人员发明了晶体管厚膜电路起始于1960年，由杜邦公司研制 成功1964年，仙童公司(Fairchild)的Gordon Moore预言微电子元器件的密度将逐年倍 增，驱使微电子行业向高度小型化进军1975年，Intel 公司借助结合了单片 元器件和厚膜电路的混合技术在单 板上组装了一个完整的计算机。于 是混合微电路的概念诞生了，混合 技术作为起替代作用的微电子模块 被工业界广泛应用在国内，1976年，北京七星华创电 子股份有限公司微电子分公司最早 开始研制混合微电路20实际90年代以后，混合微电子行 业以爆炸式的增长快速发展。n混合微电路的几个基本术语HIC/MCM印刷电路板或刻蚀电路板膜集成电路和分立元器件厚膜薄膜 印刷电路板