薄膜混合集成电路工艺讲座

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1、薄膜混合集成电路工艺王合利2003.09.16薄膜混合集成电路工艺一、 概述 二、 基片加工 三、 金属化 四、 光刻与制版 五、 退火与划片 六、 组装与烧结 七、 键合 八、 调试预镜检 九、 封帽 十、 老化筛选 十一、 激光打标（或网印） 十二、 需要改进的几方面薄膜混合集成电路工艺一、 概述 微波集成电路，按结构分为单片集成电路和混合集成电路。单片集成电路是用半导体工艺在Si片或GaAs等半导体基片上经 过多次的氧化、扩散、光刻，溅射或蒸发金属等工艺形成具有 特定功能的电路。所有的有源器件管芯和和无源元件，如三极 管，二极管，电阻，电容。电感都集成在一个芯片内。管壳上 通常只装一个电

2、路芯片。 l混合集成电路又可分成厚膜集成电路和薄膜集 成电路。l l厚膜集成电路是在陶瓷基片（96%氧化铝）上 丝网印刷上导电浆料（如Au、Ag, AuPd、 AgPd等）、电阻浆料；在高温烧结炉800 1000度的条件下锻烧成电路的导电线路和电阻 元件等。再用丝网印刷方法印上焊膏，贴装上 元器件，放入回流炉回流焊接，从而制成的集 成电路。厚膜电路的膜厚通常10m。线宽常规 上不能太细，一般最细线条0.10.2mm。厚膜集成电路l薄膜集成电路是在抛光的陶瓷基片（ 99.5%氧化铝）、微晶玻璃基片或者Si基 片上溅射电阻薄膜和导电薄膜，经电镀 ，光刻，形成具有部分无源元件和导体 电路的基片。然后

3、贴装芯片和各种片状 元件，键合互连形成特定功能的电路模 块。薄膜集成电路薄膜集成电路图片l相对单片电路而言，混合集成具有电路 设计，生产灵活、周期短、开发费用少 、更适合小批量多品种电路生产的特点 。混合集成电路的特点工艺流程图l下面以工艺流程为主线讲一下薄膜混合集成电路工艺 和相关问题。l l1.基片的选择原则l基片是微波电磁场传输媒质，又是电路的支撑体。l其主要性能指标：l1) 高频损耗tg，随温度T和工作频率fo升高而增加l在微波频段工作的材料，其高频吸收能量lP=2fV2rtg一、基片的准备2) 介电常数l0.22rA/tlr大时电路尺寸可以小，有利集成; 但 频率太高时，有时为了减小

4、加工难度， 选r较小的材料。l3) 表面光洁度l形响到电路损耗，薄膜的附着力，和线 条的分辨率，划痕等缺陷。l4)基片平整度（基片上最高点与最低点 的距离叫平整度）l基片翘度：最高点与最低点的距离除的 基片的长度l经研磨和抛光，翘度可小于0.0001in/inl5) 化学稳定性。基片对酸碱的耐性，对金 属膜是否相互作用。如微晶玻璃就应避免 Ti/Pt/Au系统。l l6) CTE ,基片的热膨胀系数应与管壳材料 ，元器件材料相匹配，以避免产生应力， 影响可靠性。l7) 热导率，决定了基片的导热性，热导率 高有利于电路的散热。l8) 容易加工l微波电路基片常用的主要有陶瓷基片， 有机材料基片和复

5、合介质基片。l微波薄膜混合集成电路主要采用的陶瓷 基片是：l Al2O3 陶瓷基片l 微晶玻璃基片l BeO陶瓷基片l AlN陶瓷基片l还有碳化硅，人造金刚石等用的较少。 2. 基片的种类l（1）Al2O3陶瓷基片l从组分讲有含Al2O3 75，Al2O3 96，l Al2O399.5叫99瓷，l还有99.99的蓝宝石基片l96瓷主要用于厚膜，光洁度较低。l成份不同，性质就不同l 75 9596 9999.5lr 8.0 9.3 9.7l介质损耗（25m）1010-4 310-4 110-4 l热导率（W/mK） 12 21 33.5（37）l目前常用的是A99瓷，（南安电子元件厂 ）l Al

6、2O3 含量 99.5l介电常数r（2-12G）9.7l介质损耗 tg（2-12G） 310-4 lCTE (/) 710-6l光洁度 12-13 (抛光面)l(2)微晶玻璃基片l普通玻璃高频损耗太大，但光敏微晶玻璃微 波低端尚可使用，其优点价格便宜，光洁度 高，易于加工。l成份：SiO2 6080, Al2O3 1040% , Li2O 或PO MgO等l lr（25 1MHz） 5.5-6l介质损耗（25 1MHz） 25.810-4l热导率（25） 0.91（W/mK）l热膨胀系数(CTE) 71110-6 (/)l（3）BeO基片l热导率高，250 w/mK与金属相近是Al2O3 81

7、0倍l lr 251MHz 6.8 7.1l 100MHz 6.5 6.6l介损 25 1MHz 510-4 210-4l 100MHz 110-4 110-4 lCTE 710-6 710-6l热导率 W/mK 200 250l缺点：粉末极毒,适于高功率电路，和有源器件的热 沉l l(4) AlN基片 高热导率l不一定要作基片，太贵。但可以作功率有源器 件绝缘导热lr 251G 10l介损 251G 210-3 lCTE 2.6510-6 l热导率 W/mK 140230l目前我们所用基片，主要是微晶玻璃基片和 氧化铝陶瓷基片，有时还用复合介质基片。 复合介质基片多数是在聚四氟内掺有各种陶

8、瓷粉，提高介电常数。l现有微晶玻璃尺寸有3535 3838 4040等尺寸，厚度0.350.4mml陶瓷主要是单面抛光片 35350.5mm,40mm40mm0.4mm 30600.8mml为了统一尺寸，今后集中在 40mm40mm,50mm50mm两种尺寸。 (5) F4聚四氟覆铜泊基片l陶瓷打孔用超声波打孔和激光打孔。l（1） 激光打孔，位置准确、可偏程、效率高，可打很小的 孔，比如0.2mm，还可打异形孔。只是设备贵。l（2） 超声波打孔l 打孔质量较好，壁直、圆滑l 不仅可打陶瓷，也可打微晶玻璃l 可以打 0.5mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm.2.0mm,2.5m

9、m的孔， l 缺点是定位精度差、效率低。主要靠金刚沙研磨，需 要把基片粘到玻璃上，打完孔后取下基片，清洗蜡层。l（3） 划片。陶瓷片用砂轮化片机，或激光划片。l 微晶玻璃片用金刚刀划片机划片。 3.基片的加工l1）去油去蜡l1可以用甲苯煮或超声（5mim）l2用丙酮超声 25minl3用乙醇超声 25minl 微晶玻璃基片可用浓流酸煮至发烟；l2）去除金属离子l10HCl煮沸、水冲、水煮l10NaOH煮沸3min，水沸l微晶玻璃可用王水煮l3）大量冲水l4）乙醇脱水l5）烘干4.基片的清洗程序l除了溅射前的基片，无明显油和蜡的片子， 可以只用甲苯、丙酮、乙醇超声，水超声、 烘干即可。超声时间不

10、要太长，一般不要超 过5min。超声过长，可能影响金属附着性能 。根据基片清洁情况，可以减少前面步骤。 l1.多层金属化的选择l为了达到规定的功能，基片上要制做电路和元 件。如微带线、电阻、螺旋电感、焊盘等。通 常的选择多层金属化。l l(1)电阻膜l电阻膜常用的有TaN、NrCr合金和金属陶瓷电 阻。l lTaN电阻耐高温性能好，有自然的钝化层：TaO 。可通过氧气中退火调整方块电阻。常有负的 电阻温度系数。三.金属化工艺NiCr膜也是常用的电阻膜材料，其主要成份是 NiCr(80:20)。掺入微量的Al、Si、Fe、Au 等，可使电阻温度系数接近于0。膜的厚度 也是影响电阻温度系数的主要因

11、素之一。l该合金块状电阻率约为100cm。膜 厚1000时电阻率为15/ 。 NiCr膜l对薄膜导体的要求：l1.)微波损耗小。l损耗的原因：1电阻 2超肤深度l一般要求：l集总参数电容的电极厚度应为 12,l微带线厚度 35,l平面螺旋电感 10,l l2）有较高的分辨率l3）基片附着力好l4）焊接能力好l5）耐候性好（2）导体膜常用薄膜导体材料性能金属块金属电阻率 （cm）趋肤深度 f=1GHz (m)膜厚1000 方块电阻 （/）Ag1.622.030.18Cu1.732.090.20Au2.442.490.27Al2.682.610.33l1NiCr/Au 系统 2ml2AuSn焊要求

12、金层更厚些，或者需有阻挡层 如Ni层/Au层。l3AuSi烧结对Si管是最好的连接方式，电阻 小、热阻也小，但对管芯大时最好用AuSb片作 为焊料，以获得更好的焊接效果。l4烧结的优点是电阻小，热阻小，芯片粘结 牢固可靠。l5烧结的缺点是：是工艺复杂，成本高（焊 料几乎都是Au。焊片厚度13-50m厚）效率低 ，难于返工。（5）元件的组装l1MOS电容可以用烧管芯的方式烧上去，当然 MOS电容是无源元件，要求不是很高时，仍可 用导电环氧粘上去。l2片状阻容元件可用导电环氧粘上去，国外 许多公司也是有源元件和基片烧上去，无源元 件粘上去。l若在基片正面Au层下镀有Ni层，也可以用PbSn 焊膏把

13、片状元件贴上去，再回流焊。电感线圈 也可以直接焊到基片上去。l3电感线圈，还可以用窄隙电极电阻焊方式 （电焊）直接焊到基片上，无需焊料，但需专 用设备。（6）关于锡焊的有关问题l多种合金可以作为焊料，如PbSn、Pbln、Snln、SnAg 、AuSn、SnBi等，各种焊料适于不同的应用场合。不 同的组份和比例其熔化温度不同。l各种焊料还有各自的特性。比如：l含银的焊料比如SnAg，“吃”银慢些l含金的焊料比如AuSn“吃”Au慢些l另外含铟的合金吃Au也慢些。l焊料中合金比列，决定了焊料的液化温度和固化温度 。l有些焊料合金，其液化温度与固化温度是一点，有时 叫共晶温度。l比如 62 Sn3

14、6Pb2Ag 179l96.5 Sn 3.5Ag 221l63 Sn37Pb 183l80 In/Pb15/Ag05 150149l根据被焊件的热容量大小，一般焊接温度要高 于共晶温度3050。l所谓焊膏只不过是把合金加工成微细小球，加 入了助焊剂和熔剂等。合金的理化性质并未改 变。l用于军品的助焊剂一般是中性的松香基的助焊 剂，其活性比酸类焊剂弱，不会造成电路腐蚀 。l在管壳封装电路器件内，尽量采用共晶温度较 高的221焊料。因为器件有的后来还要用环 氧贴装元件，其固化温度175左右，稍有温 冲就可能超过179焊料的熔点。而且固化时 间3-4hr对可靠性不利。 七.键合l1.装架完的器件，在

15、电路上还不完整，许多元 器件还没有连接到基片和管壳上。键合的目的 ，就是把管芯元件，电路和管壳互连起来。完 成一个特定功能的电路器件。l l2.在混合电路里，键合的另一个作用是调节电 阻，电感和电容。l3.键合的机理是在劈刀压力，超声波能量，和 热量的共同作用之下，使得被焊金属表面之间 的距离减小到分子间距离的量级，到了这个距 离物质之间的力起作用的主要是称之为范德瓦 尔斯力的分子间力的作用，使得两块金属牢牢 地吸引在一起，形成了一个整体。l l它不同于电阻熔焊和钎焊。电阻焊是两块金属 局部熔化焊在了一起。钎焊是焊料熔化把被焊 金属焊在了一起。键合时金属丝并没有熔融。 4键合的种类l键合分为超声压焊，超声热压焊（包括金丝球焊）， 热压焊三类。l超声压焊适用于硅铝