薄厚膜集成电路.ppt

薄/厚膜,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，Tapan K. 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，James J.Licari, Leonard R.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,第一章 引言,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（IC） 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） 90 65 45,Moore定律：IC中晶体管的数目每隔两年就翻一番，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：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 (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，称为多芯片组件。 MCM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 MCM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MCM MCM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,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,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,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,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（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。,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90133MHz核心时钟频率，它将因特尔奔腾处理器，Cirrus Logic Vesuvius或Intel PCI,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（bump chip interconnection technology: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划分进混合电路，结果浓缩成一块十层的包含8个混合电路，13个分立IC，多个电阻器和电容器的6in*9in的印制板。除缩小了体积和减轻重量外，转变成混合电路后，因信号路径的缩短，计算机速度也增加了1.5倍。,因为混合电路可缩小体积，减轻重量并增加可靠性，美国航空航天管理局(NASA)在每艘宇宙飞船使用了10000多个混合电路，在每个轨道舱中使用了1000多个功率混合电路。这些混合电路用于打开设备舱门，释放着陆锁和在燃料用尽后弹出外部燃料箱。,汽车行业是混合微电子学的另一重要市场。在未来十年，对混合微电子来说，它可能是增长最快的领域。汽车中的许多电子装置都是用混合微电子构成其基本部分，如压力传感器、防抱死制动系统、直接点火装置等，混合微电路在恶劣的环境下仍能出色的工作。,用厚膜混合电路技术制造的汽车压力传感器,选用混合微电路的理由 尺寸、导体线宽分辨率、可重复生产性以及成本是项目决定成功的主要因素，在低频领域，HIC可有效减小系统尺寸且经济、方便 近年来，对军事和宇航系统的体积和质量的限制越来越多。这些系统需要具有更高元器件封装密度和功率耗散能力的封装技术。HIC成为解决问题的唯一有效方法,特殊功能的混合电路正在医学植入装置方面呈现巨大市场 HIC能够在恶劣环境下高可靠地完成电路功能,作业： 论述什么是混合集成电路？它与分立器件电路，单片集成电路比较有什么特点？ 除课件已列出的实例外，另举两例混合集成电路的应用实例。,