薄厚膜集成电路课件

混合集成电路参考教材：薄厚膜混合集成电路，国防工业出版社，1982，胡忠胥、梁瑞林等厚薄膜混合微电子学手册，电子工业出版社，2005，TapanK.Gupta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，JamesJ.Licari,LeonardR.Enlow电子封装工程，清华大学出版社，2003，田民波编著电子产品制造技术，清华大学出版社，2005，王卫平主编课程内容：混合集成电路发展简史及应用实例混合电路中常用数学模型及设计、布图规则厚膜电路工艺原理、使用材料和制作流程厚膜制造中的膜沉积技术薄膜材料的性质及薄膜膜沉积技术电阻器阻值调整技术分立元器件组装技术封装技术及不同封装材料的性能多芯片模块介绍混合电路可靠性试验及失效分析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（IC）也叫单片集成电路（monolithicIC）.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。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（HybridIC）

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：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）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(MultiChipModule)

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。

HIC,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4~6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2~502~>100每片I/O数量<50>250每模块I/O数量<100>200线宽和间距（mil）>5<5层间介质的介电常数5~10<5层间介质材料氧化铝陶瓷陶瓷、聚合物涂覆或塑性层压材料应用模拟、混合信号多为数字系统时钟频率DC~GHz50~>200每模块的功耗（W）<102~1000Si芯片面积/基片表面积<15%>30%>100%(三维模块)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Level2

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。Level3

指构成板或卡的装配工序，将多个完成层次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。Level4

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Level5

将多个单元构成框架，单元与单元间用布线或电缆相连接。Level6

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%混合微电路的发展历史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（BellLabs）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GordonMoore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。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（PCB）：由绝缘基板、连接导线和装配焊接电子元器件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘基板的双重作用。厚膜：膜厚范围在5.08~50.8，通过掩膜形成电路图形，再由丝网选择性沉积糊状浆料形成的膜叫厚膜薄膜：膜厚范围在几nm~几百nm，通过掩膜加法工艺或光刻减法工艺形成电路图形，再由真空沉积或离子溅射等方式形成的膜叫薄膜电子学工艺电子学工艺制造工艺：淀积光刻胶、紫外光曝光和显影、氧化物生成、掺杂、离子注入、气相淀积、离子溅射、丝网印刷、烧成、刻蚀、调阻等组装工艺：贴装、互连和封装的物理方法和物理加热步骤，如粘贴器件、线焊、锡焊、密封等辅助工艺：清洗、退火、稳定性烘烤等HIC应用实例混合微电子产品概括起来有两种应用趋势：一种是要求高可靠性的高端应用，如美国人将厚薄膜电路产品大量用于宇航、军事电子、高可靠性的医用电子产品、汽车电子及大功率电子产品；另一种用于强调低成本的商用电子产品，如日本人更多将厚薄膜电路用于彩电之类的民用产品中。

医用电子学是混合微电路商业应用的一个领域。该领域要求长期可靠和高密度的电路。此外，它可能需要以不规则的基片形状来满足特殊外形封装的要求。医用混合电路必须通过甚至比军用更为严格的测试，为了植入人体，必须没有沾污。医用电子学的广泛领域包括：生命支持和监护病人用的仪器、助听器和心脏起搏器。心脏起搏器市场发展特别快，作为最合理的封装手段，混合电路在这个市场上也同样快速发展。制造在共烧基板上的心脏起搏器如图所示是一个制造在175微米厚的陶瓷带上的心脏起搏器，有六层导体和约400个填充的通孔。另外，混合电路还可用于制作阻止心室肌肉紊乱的心脏除颤器，它所要求的电路是相当复杂的，必须利用最新的混合电路技术才能将其用于人体植入。计算机工业也在扩大使用混合电路和多芯片模块。位于加州的Cupertino的微模块系统公司是CPU子系统和多芯片模块的主要供应商。他们的CPU模块系列产品是为笔记本电脑和其他小型系统设计的。其Gemini和Apollo模块工作在90~133MHz核心时钟频率，它将因特尔奔腾处理器，CirrusLogicVesuvius或IntelPCI,256KB脉冲高速缓冲存储器SRAM和国家半导体公司的温度传感器，全都集成在体积为49mm*54mm*4mm的多芯片模块中。

MCM中装载的芯片数目，包括奔腾MPU芯片在内，第一代MCM中为4个；第二、三代MCM中为2个裸芯片与多层布线板的微互连采用BIT（bumpchipinterconnectiontechnology:凸点芯片微互连）技术，即在裸芯片的Al电极上，形成Au球凸点，通过导电性树脂和充填粘结树脂，在整体热固化的同时，实现Au球凸点与多层板表面电极的压接微互连模拟/数字变换器（A/D）在混合电路行业里是最接近“标准产品”的电路产品。混合微电路技术允许将最好的单片IC与激光微调的高精度薄膜电阻结合，提供十分精确的电路。可见，在高精度要求之处，必须使用混合微电路。军用武器系统使用各种各样的混合电路，如导弹、卫星、飞行器、直升飞机、手持武器、舰载设备和潜艇导航设备。休斯(Hughes)飞机公司为F-14和F/A-18飞机制造的机载数据处理器，原先的计算机包含18块5in*5in印制电路板。重新设计这些电路板并将电路