薄厚膜集成電路課件

混合集成電路參考教材：薄厚膜混合集成電路，國防工業(yè)出版社，1982，胡忠胥、梁瑞林等厚薄膜混合微電子學(xué)手冊，電子工業(yè)出版社，2005，TapanK.Gupta混合微電路技術(shù)手冊—材料、工藝、設(shè)計、試驗和生產(chǎn)，電子工業(yè)出版社，2004，JamesJ.Licari,LeonardR.Enlow電子封裝工程，清華大學(xué)出版社，2003，田民波編著電子產(chǎn)品制造技術(shù)，清華大學(xué)出版社，2005，王衛(wèi)平主編課程內(nèi)容：混合集成電路發(fā)展簡史及應(yīng)用實例混合電路中常用數(shù)學(xué)模型及設(shè)計、布圖規(guī)則厚膜電路工藝原理、使用材料和制作流程厚膜制造中的膜沉積技術(shù)薄膜材料的性質(zhì)及薄膜膜沉積技術(shù)電阻器阻值調(diào)整技術(shù)分立元器件組裝技術(shù)封裝技術(shù)及不同封裝材料的性能多芯片模塊介紹混合電路可靠性試驗及失效分析1.分立元器件電路

指電阻，電容，電感，晶體管等單一特征元件實體按照一定的電路形式，組成完成特定功能的實體。分立元器件電路—有源音箱分立元器件電路——發(fā)射機(jī)體積大，能耗高，故障率高?，F(xiàn)主要用于實驗、教學(xué)中。“用分立元件造P4的話，大概有國家大劇院那么大”2.半導(dǎo)體集成電路（IC）也叫單片集成電路（monolithicIC）.其電路構(gòu)建在單晶基片上，電路中含有有源器件（晶體管、二極管等）、無源元件（電阻、電容等）及它們之間的互連導(dǎo)線，幾乎所有的電路元器件都是通過諸如外延生長、掩模雜質(zhì)擴(kuò)散、氧化物生長、氧化物刻蝕、定義圖形的光刻等這些工藝制造在基片內(nèi)。最后，內(nèi)部接觸用鋁與1%-2%硅和2%-4%銅的合金做成。SOI的作用——解決閂鎖效應(yīng)功能數(shù)字集成電路（門電路、存儲器、微處理器等）模擬集成電路（運算放大器、直流穩(wěn)壓電源、模-數(shù)）由于集成電路體積小，使電子運動距離大幅度縮小，因此速度極快且可靠性高，電子信息產(chǎn)品的很多核心功能都是通過集成電路來實現(xiàn)的。IC電路的優(yōu)勢僅當(dāng)與其他集成電路、電阻器、電容器等以混合電路的形式實現(xiàn)集成時才能最佳化。3.混合集成電路（HybridIC）

混合集成電路是一種將各種功能的片式器件在預(yù)先做好導(dǎo)體圖案或?qū)w與阻容組合圖案的絕緣基片上進(jìn)行電氣互連的電路。之所以叫“混合”電路是因為它在一種結(jié)構(gòu)內(nèi)組合兩種不同的工藝技術(shù)：有源芯片器件（半導(dǎo)體器件）和成批制造的無源器件（電阻器，導(dǎo)體等）薄/厚膜混合集成電路：在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互連線，并在同一基片上將分立的半導(dǎo)體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝，再外加封裝而成。按照制作互連基片工藝的不同，分為薄膜電路與厚膜電路。HIC可視為將厚薄膜技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和其他分立元器件技術(shù)相結(jié)合的不同的微電子元器件的互連封裝技術(shù)在分類中，按互連基片的工藝可以分為薄膜和厚膜，但混合電路也可按它們的功能來分類，如數(shù)字、模擬、射頻微波功率電路HIC是將分立元器件組裝在電路板上的傳統(tǒng)設(shè)計和單一單元或封裝的單片集成電路的中間物。它最大的優(yōu)勢在于能夠選擇和混合不同技術(shù)從而最大限度的滿足實際需要HIC代表了可以將IC與各種分立元器件在適宜的基板上精密集成的先進(jìn)分裝理念4.多芯片模塊MCM(MultiChipModule)

MCM這一術(shù)語普遍被人們接受是在20世紀(jì)90年代初。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的進(jìn)展，出現(xiàn)超高速元件。若采用傳統(tǒng)單個芯片封裝的形式分別搭載在印制電路板上，則芯片之間布線引起的電氣信號傳輸延遲，跟芯片內(nèi)部的延遲相比已不能忽略。因此，要實現(xiàn)電子設(shè)備系統(tǒng)整體性能的提高變得越來越困難。而若將多塊芯片同時搭載在陶瓷等高密度多層基板上實現(xiàn)整體封裝，則可以大大縮短芯片間的布線長度，減小電氣信號傳輸延遲，這便是產(chǎn)生MCM的背景。

HIC,IC和分立元器件電路的優(yōu)劣比較1.HIC與分立元器件電路比較HIC比等效的分立元器件電路重量輕10倍，體積小4~6倍由于電阻器在基片上成批燒出，混合電路需要的互連較少，可靠性比分立元器件電路有很大改善HIC電阻器可以靜態(tài)或動態(tài)調(diào)整到精密的值，故能制造出分立元器件電路不可能達(dá)到的高精度電路為了散熱，分立元器件電路的印刷電路板上必須用粘結(jié)劑粘上很重的散熱板或使用金屬芯的電路板；HIC的大功率器件可以直接裝在導(dǎo)熱好的陶瓷基片上，大大提高了導(dǎo)熱能力HIC與分立元器件電路相比有更小的器件間距，更精細(xì)的導(dǎo)線線寬和間隔，更小公差的電阻器，使得寄生電容和電感減小，從而更適合高頻、高速應(yīng)用場合。2.HIC與IC比較掩膜的開發(fā)，對貴重設(shè)備和專門凈化間的需求及運行控制，使得對定制的IC僅在大量生產(chǎn)的前提下才是可行的；HIC成本低，工藝靈活，適合小到中批量生產(chǎn)在設(shè)計中要求反復(fù)修改的電路，HIC比IC更容易，更快速，更適合做定制電路最高的集成密度僅能由IC獲得，每個IC芯片的電路功能密度比混合電路大幾個數(shù)量級HIC比IC可選的元件參數(shù)范圍寬，精度高，穩(wěn)定性好，可以承受較高的電壓和較大的功率混合電路相對于分立元器件電路的優(yōu)點體積小，重量輕電路路徑短，寄生參數(shù)易控制由于組裝簡單和有功能微調(diào)能力，系統(tǒng)設(shè)計更簡單，致使系統(tǒng)成本降低由于連接少，金屬間的界面少及更好的抗沖擊和振動能力，故有更高的可靠性由于混合電路是預(yù)先測試過的功能塊，系統(tǒng)容易測試，故障追蹤更容易混合電路相對于單片IC的優(yōu)點由于用于設(shè)計和工、模具的成本更低，適合于中小批量產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計更改容易出樣周期短，能盡快投產(chǎn)可選用高性能元器件（基片和外貼元件）能將不同工藝的元器件混合組裝，使設(shè)計靈活性更好允許返工，便于以合理的成品率生產(chǎn)復(fù)雜的電路，并允許適當(dāng)?shù)姆敌藁旌想娐返膬?yōu)點HIC與MCM一般性能的比較特性混合電路多芯片模塊芯片數(shù)量2~502~>100每片I/O數(shù)量<50>250每模塊I/O數(shù)量<100>200線寬和間距（mil）>5<5層間介質(zhì)的介電常數(shù)5~10<5層間介質(zhì)材料氧化鋁陶瓷陶瓷、聚合物涂覆或塑性層壓材料應(yīng)用模擬、混合信號多為數(shù)字系統(tǒng)時鐘頻率DC~GHz50~>200每模塊的功耗（W）<102~1000Si芯片面積/基片表面積<15%>30%>100%(三維模塊)混合微電路封裝的六個層次在半導(dǎo)體器件制作過程中，有前工程和后工程之分，二者以硅圓片(wafer)切分成芯片(chip)為界，在此之前為前工程，在此之后為后工程。

前工程是從整塊硅圓片入手，經(jīng)過多次重復(fù)的制膜、氧化、擴(kuò)散、照相制版、光刻等工序，制成三極管、集成電路等半導(dǎo)體元件及電極等，開發(fā)材料的電子功能，以實現(xiàn)所要求的元器件特性后工程是從由硅圓片切分好的一個一個芯片入手，進(jìn)行裝片、固定、鍵合連接、塑料灌封、引出接線端子、按印檢查等工序，完成作為器件、部件的封裝體，以確保元器件的可靠性并便于與外電路連接Level2

層次2分為單芯片封裝和多芯片模塊兩大類。前者是對單個裸芯片進(jìn)行封裝；后者是將多個裸芯片裝載在陶瓷等多層基板上，進(jìn)行氣密封裝，構(gòu)成MCM。通常，系統(tǒng)用戶是以單芯片封裝的形式從半導(dǎo)體廠家購入集成電路芯片，這樣可以確保元件的功能，而且在封裝狀態(tài)下可進(jìn)行老化處理，對初期不合格的元件進(jìn)行篩選，保證質(zhì)量。此層次中主要運用到HIC封裝與MCM集成技術(shù)。Level3

指構(gòu)成板或卡的裝配工序，將多個完成層次2的單芯片封裝和MCM,實裝在PCB板等多層基板上，基板周邊設(shè)有插接端子，用于與母板及其他板或卡的電氣連接。Level4

稱為單元組裝，將多個完成層次3的板或卡，搭載在稱為母板的大型PCB板上，構(gòu)成單元組件Level5

將多個單元構(gòu)成框架，單元與單元間用布線或電纜相連接。Level6

即總裝。將多個架并排，架與架之間由布線或電纜相連接，由此構(gòu)成大規(guī)模電子設(shè)備。

從電子封裝工程的角度，一般稱層次1為0級封裝，層次2為1級封裝，層次3為2級封裝，層次4、5、6為3級封裝混合微電路技術(shù)的重要性混合微電路技術(shù)是21世紀(jì)的技術(shù)，有著美好的發(fā)展前景，從總體上講，混合微電路和多芯片模塊技術(shù)是達(dá)到高密度、高性能和高可靠性的互連封裝的唯一有效手段作為混合微電路基礎(chǔ)的厚膜和薄膜技術(shù)除了在電路的互連封裝方面的應(yīng)用外，在其他技術(shù)領(lǐng)域如能源技術(shù)、顯示技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)和納米技術(shù)等方面都有重要應(yīng)用根據(jù)美國的商業(yè)通訊公司（BCC）在2004年5月出版的一份市場調(diào)查報告“GB-280厚膜器件、工藝和應(yīng)用”預(yù)測：到2008年，全球厚膜器件和產(chǎn)品的銷售將達(dá)到300億美元；在未來五年，混合電路、微波電路和多芯片模塊的年增長率將達(dá)到8.2%,其他應(yīng)用領(lǐng)域增長最快的將是能源供應(yīng)領(lǐng)域，包括加熱器，太陽能電池和高溫超導(dǎo)體，年增長率將達(dá)到39.7%混合微電路的發(fā)展歷史20世紀(jì)40年代，微電子電路由印在鈦酸鹽陶瓷基片上的電阻和電極構(gòu)成，這是當(dāng)時的最高水平1947年，貝爾實驗室（BellLabs）的一組研究人員發(fā)明了晶體管厚膜電路起始于1960年，由杜邦公司研制成功1964年，仙童公司(Fairchild)的GordonMoore預(yù)言微電子元器件的密度將逐年倍增，驅(qū)使微電子行業(yè)向高度小型化進(jìn)軍1975年，Intel公司借助結(jié)合了單片元器件和厚膜電路的混合技術(shù)在單板上組裝了一個完整的計算機(jī)。于是混合微電路的概念誕生了，混合技術(shù)作為起替代作用的微電子模塊被工業(yè)界廣泛應(yīng)用在國內(nèi)，1976年，北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司微電子分公司最早開始研制混合微電路20實際90年代以后，混合微電子行業(yè)以爆炸式的增長快速發(fā)展。混合微電路的幾個基本術(shù)語

HIC/MCM印刷電路板或刻蝕電路板膜集成電路和分立元器件厚膜薄膜印刷電路板（PCB）：由絕緣基板、連接導(dǎo)線和裝配焊接電子元器件的焊盤組成，具有導(dǎo)電線路和絕緣基板的雙重作用。厚膜：膜厚范圍在5.08~50.8，通過掩膜形成電路圖形，再由絲網(wǎng)選擇性沉積糊狀漿料形成的膜叫厚膜薄膜：膜厚范圍在幾nm~幾百nm，通過掩膜加法工藝或光刻減法工藝形成電路圖形，再由真空沉積或離子濺射等方式形成的膜叫薄膜電子學(xué)工藝電子學(xué)工藝制造工藝：淀積光刻膠、紫外光曝光和顯影、氧化物生成、摻雜、離子注入、氣相淀積、離子濺射、絲網(wǎng)印刷、燒成、刻蝕、調(diào)阻等組裝工藝：貼裝、互連和封裝的物理方法和物理加熱步驟，如粘貼器件、線焊、錫焊、密封等輔助工藝：清洗、退火、穩(wěn)定性烘烤等HIC應(yīng)用實例混合微電子產(chǎn)品概括起來有兩種應(yīng)用趨勢：一種是要求高可靠性的高端應(yīng)用，如美國人將厚薄膜電路產(chǎn)品大量用于宇航、軍事電子、高可靠性的醫(yī)用電子產(chǎn)品、汽車電子及大功率電子產(chǎn)品；另一種用于強(qiáng)調(diào)低成本的商用電子產(chǎn)品，如日本人更多將厚薄膜電路用于彩電之類的民用產(chǎn)品中。

醫(yī)用電子學(xué)是混合微電路商業(yè)應(yīng)用的一個領(lǐng)域。該領(lǐng)域要求長期可靠和高密度的電路。此外，它可能需要以不規(guī)則的基片形狀來滿足特殊外形封裝的要求。醫(yī)用混合電路必須通過甚至比軍用更為嚴(yán)格的測試，為了植入人體，必須沒有沾污。醫(yī)用電子學(xué)的廣泛領(lǐng)域包括：生命支持和監(jiān)護(hù)病人用的儀器、助聽器和心臟起搏器。心臟起搏器市場發(fā)展特別快，作為最合理的封裝手段，混合電路在這個市場上也同樣快速發(fā)展。制造在共燒基板上的心臟起搏器如圖所示是一個制造在175微米厚的陶瓷帶上的心臟起搏器，有六層導(dǎo)體和約400個填充的通孔。另外，混合電路還可用于制作阻止心室肌肉紊亂的心臟除顫器，它所要求的電路是相當(dāng)復(fù)雜的，必須利用最新的混合電路技術(shù)才能將其用于人體植入。計算機(jī)工業(yè)也在擴(kuò)大使用混合電路和多芯片模塊。位于加州的Cupertino的微模塊系統(tǒng)公司是CPU子系統(tǒng)和多芯片模塊的主要供應(yīng)商。他們的CPU模塊系列產(chǎn)品是為筆記本電腦和其他小型系統(tǒng)設(shè)計的。其Gemini和Apollo模塊工作在90~133MHz核心時鐘頻率，它將因特爾奔騰處理器，CirrusLogicVesuvius或IntelPCI,256KB脈沖高速緩沖存儲器SRAM和國家半導(dǎo)體公司的溫度傳感器，全都集成在體積為49mm*54mm*4mm的多芯片模塊中。

MCM中裝載的芯片數(shù)目，包括奔騰MPU芯片在內(nèi)，第一代MCM中為4個；第二、三代MCM中為2個裸芯片與多層布線板的微互連采用BIT（bumpchipinterconnectiontechnology:凸點芯片微互連）技術(shù)，即在裸芯片的Al電極上，形成Au球凸點，通過導(dǎo)電性樹脂和充填粘結(jié)樹脂，在整體熱固化的同時，實現(xiàn)Au球凸點與多層板表面電極的壓接微互連模擬/數(shù)字變換器（A/D）在混合電路行業(yè)里是最接近“標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品”的電路產(chǎn)品?；旌衔㈦娐芳夹g(shù)允許將最好的單片IC與激光微調(diào)的高精度薄膜電阻結(jié)合，提供十分精確的電路?？梢?，在高精度要求之處，必須使用混合微電路。軍用武器系統(tǒng)使用各種各樣的混合電路，如導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛行器、直升飛機(jī)、手持武器、艦載設(shè)備和潛艇導(dǎo)航設(shè)備。休斯(Hughes)飛機(jī)公司為F-14和F/A-18飛機(jī)制造的機(jī)載數(shù)據(jù)處理器，原先的計算機(jī)包含18塊5in*5in印制電路板。重新設(shè)計這些電路板并將電路