厚薄膜混合集成电路
关于 HIC、MCM、SIP 封装与 SOC 的区别及工艺分析
0 引言随着国防军工、计算机和汽车电子产业的发展，电子产品和系统要求实现功能强、性能优、体积小、重量轻之特性，从当前电子产品及芯片发展的技术领域来考虑，实现该功能的电子产品有两种方式：其一，从芯片设计角度出发，依赖于 SoC 片上系统芯片设计及制造技术的发展和推进；其二，从芯片封装技术的角度考虑，依赖于近年来逐步发展和成熟起来的先进封装技术的支持。
SoC（System on Chip）片上系统是芯片研发人员研究的主方向。
它是将多个功能模块进行片上系统设计，进而形成一个单芯片电子系统，实现电子产品小型化、多功能、高可靠的特征需求，是芯片向更高层次发展的终极目标；但是，SoC 片上系统需要多个功能模块工艺集成，同时涉及各功能模块电路的信号传输和处理，技术要求高，研发周期长，开发成本高，无法满足电子产品升级换代的快速更新。
基于以上产品需求，在混合集成电路 HIC（Hybrid integrated circuit）封装技术基础上，MCM（Multi-Chip Module）及 SIP （System in package）等微电子封装技术逐渐在此方向上获得突破，在牺牲部分面积等指标的情况下，形成单一的封装“芯片”，并且可快速实现相同功能的芯片量产，推动产品快速上市。
本文将介绍 SoC 片上系统的优势和产品快速更新需求的矛盾，为解决此矛盾，从封装技术角度出发，给出微电子封装技术发展的 3 个关键环节，即HIC、MCM 及 SIP，介绍了其各自封装技术的优缺点，阐释了 HIC、MCM 及 SIP 的相互关系，最终分析形成一套基本满足 SOC 片上系统功能且可快速开发组装形成批量产能的 SIP 封装技术，快速实现电子产品整机或系统的芯片级更新需求。
1 SoC 片上系统分析SoC 即系统级芯片，从狭义的角度讲，SoC 是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义的角度讲，SoC 是一个微小型系统。
CH3-厚薄膜技术
环氧树脂系导体浆料
树脂浆料
优点
导电材料 块体材料 1 便宜 电阻率的 /Ω•cm 1.63×10-6
第三章 厚薄膜技术 3.3 厚膜材料
导电性粉末的种类及特性
平均粒径 /μm
粒子形状
2 所用设备投资少
1～3 球状、片状
所制成导电 浆料的电阻率 / Ω•cm
用途
印制电路板，键盘开 关，芯片安装，片式 元件电极，LTCC 印制电路板，LTCC 印制电路板，键盘开 关，电磁屏蔽 电磁屏蔽
Ag-Pd ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-钯导体
使用Ag-Pd导体时，通常进行下述试验：
第三章 厚薄膜技术 3.3 厚膜材料
①测定电阻值 （按需要有时也包括TCR） ②浸润性。测量导体膜上焊料液滴的展宽直径。 ④迁移性。在导体图形间滴上水滴，并施加一定电压测量达 到短路今后经过的时间。 ⑤结合强度。在导体膜焊接引线，沿垂直于膜面方向拉伸， 测量拉断时的强度，确定破断位臵，分析断面形貌结构等。 ⑥热老化后的强度。焊接后，在150℃下放臵48小时，测量导 线的结合强度等。
氧化铝陶瓷基板 目前用的比较多的基板，它的主要成分是Al2O3，基板 中Al2O3的含量通常为92-99.9%，Al2O3的含量愈高基板的 性能愈好，但与厚膜的附着力较差，因此一般采用94-96% Al2O3的陶瓷。 这种氧化铝陶瓷板要在1700℃以上高温下烧成，因而 成本比较高。所以国内外也有采用85%和75% Al2O3陶瓷的 ，虽然它们的性能稍差些，但成本低，在一般的电路生产 中可采用。
第三章 厚薄膜技术
3.2 厚膜技术 厚膜技术是用丝网印刷或喷涂等方法，将导体浆料、 电阻浆料和介质浆料等涂覆在陶瓷基板上制成所需图形， 再经过烧结或聚合完成膜与基板的粘接。它的基本内容是 印刷和烧结，但目前已发展成综合性很高的一种技术。它 的范围和内容越来越广泛，包括互连技术，制造元器件技 术和组装封装技术。
集成电路封装标准
集成电路封装标准集成电路封装标准1、BGA(ball grid array)球形触点陈列，表面贴装型封装之一。
在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在印刷基板的正面装配LSI 芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。
也称为凸点陈列载体(PAC)。
引脚可超过200，是多引脚LSI 用的一种封装。
封装本体也可做得比QFP(四侧引脚扁平封装)小。
例如，引脚中心距为1.5mm 的360 引脚BGA 仅为31mm 见方；而引脚中心距为0.5mm 的304 引脚QFP 为40mm 见方。
而且BGA 不用担心QFP 那样的引脚变形问题。
该封装是美国Motorola 公司开发的，首先在便携式电话等设备中被采用，今后在美国有可能在个人计算机中普及。
最初，BGA 的引脚(凸点)中心距为1.5mm，引脚数为225。
现在也有一些LSI 厂家正在开发500 引脚的BGA。
BGA 的问题是回流焊后的外观检查。
现在尚不清楚是否有效的外观检查方法。
有的认为，由于焊接的中心距较大，连接可以看作是稳定的，只能通过功能检查来处理。
美国Motorola 公司把用模压树脂密封的封装称为OMPAC，而把灌封方法密封的封装称为GPAC(见OMPAC 和GPAC)。
2、BQFP(quad flat package with bumper)带缓冲垫的四侧引脚扁平封装。
QFP 封装之一，在封装本体的四个角设置突起(缓冲垫) 以防止在运送过程中引脚发生弯曲变形。
美国半导体厂家主要在微处理器和ASIC 等电路中采用此封装。
引脚中心距0.635mm，引脚数从84 到196 左右(见QFP)。
3、碰焊PGA(butt joint pin grid array) 表面贴装型PGA 的别称(见表面贴装型PGA)。
4、C－(ceramic)表示陶瓷封装的记号。
例如，CDIP 表示的是陶瓷DIP。
是在实际中经常使用的记号。
5、Cerdip用玻璃密封的陶瓷双列直插式封装，用于ECL RAM，DSP(数字信号处理器)等电路。
集成电路制造工艺和版图
1、集成电路：↗Integrated Circuit，缩写IC✍通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
2、摩尔定律：↗集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍，这就是摩尔定律。
↗理解：基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。
3、描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标:↗ 1.集成度（Integration Level）是以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。
随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减孝产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。
为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。
为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。
晶片集成(Wafer Scale Integration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。
自IC问世以来，集成度不断提高，现正迈向巨大规模集成(Giga Scale Integration-GSl)。
从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。
↗ 2.特征尺寸(Feature Size) /（Critical Dimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。
减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。
特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。
集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.15μm、0.13μm工艺，Intel目前将部分芯片生产制成转换到0.022μm（22nm)。
薄厚膜技术
➢薄膜技术
薄膜技术是一种减法技术，在整个基板上覆几层金属
膜，一些不需要的部分被光刻掉。用光刻工艺形成的 图形比厚膜工艺能够形成的线条更窄、边缘更清晰。 这个特性促进了薄膜技术在高密度和高频领域的应用 薄膜技术利用热蒸镀、电子束蒸镀、溅镀、化学气相 沉积等薄膜镀着技术配合微影成像与蚀刻等技术在基 板上制成导线电路与各种电阻、电容等元件。
➢厚膜技术
厚膜技术是采用丝网印刷和烧结等工艺，将传统无
源元件（电阻、电容）及导线电路形成于散热良好 的陶瓷绝缘基板表面。 厚膜技术的基本内容是印刷和烧结。 网印是使用刮刀将导体浆料、电阻浆料和介质浆料 等刷过镂刻有电路图形的网板或金属板，以在陶瓷 基板表面形成所需的电路、电阻、电容图形，再经 过烧结或聚合完成膜与基板的粘接。 烧结技术也包括陶瓷基板的制作。
✓ 电容材料 氧化钽（Ta2O5）、氮化硅（Si3N4）
✓ 绝缘层材料 氧化硅、聚亚醯胺
光刻
在光刻工艺中，基板上涂一层光敏材料，紫外线透过在玻璃 上形成的图案对光敏材料进行曝光。不需要的材料，即没有 被光刻胶保护的部分，可以通过“湿法”（化学）刻蚀来去 除，也可以通过“干法”（溅散）刻蚀去除。
化学刻蚀仍然是薄膜刻蚀的最常用的方法，但许多制造商 用采用溅射刻蚀。在这项技术中，基板覆盖上光刻胶，与化 学刻蚀完全一样的方法露出图形。接着将基板放置于等离子 体内，加上电位。实际上，在溅散刻蚀过程中基板起靶的作 用，气体离子轰击薄膜的暴露部分除去不需要的材料。光刻 胶膜比溅散的薄膜厚很多，故它是不受影响的。
先用丝绸、尼龙或不锈钢丝编织成的网绷紧在框架上 ，再将刻有导体或电阻图形的有机膜或金属箔（称掩模 ）贴到丝网上。
印刷时，将基板放在丝网下面，而将浆料放在丝网上 面，然后用橡胶或塑料制成的刮板以一定的速度和压力 在丝网上移动，使它通过掩模上的开孔图形而漏印到基 板上，于是在基板上便得到该浆料印出的所需图形。
集成电路的定义、特点及分类介绍
集成电路的定义、特点及分类介绍集成电路（integratedcircuit，港台称之为积体电路）是一种微型电子器件或部件。
采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。
它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。
集成电路特点集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。
它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。
用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。
集成电路的分类（一）按功能结构分类集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。
模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间边疆变化的信号。
例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。
而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。
例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号）。
（二）按制作工艺分类集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。
膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。
（三）按集成度高低分类集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。
（四）按导电类型不同分类集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路,他们都是数字集成电路.双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。
半导体芯片制造工考试试题
半导体芯片制造高级工考试试题•一、填空题• 1.禁带宽度的大小决定着（电子从价带跳到导带）的难易，一般半导体材料的禁带宽度越宽，所制作的半导体器件中的载流子就越不易受到外界因素，如高温和辐射等的干扰而产生变化。
• 2.硅片减薄腐蚀液为氢氟酸和硝酸系腐蚀液。
砷化镓片用( 硫酸)系、氢氧化氨系蚀腐蚀液。
• 3. 铝丝与铝金属化层之间用加热、加压的方法不能获得牢固的焊接，甚至根本无法实现焊接的原因是铝的表面在空气中极易生成一层（氧化物），它们阻挡了铝原子之间的紧密接触，达不到原子之间引力范围的间距。
• 4. 在半导体制造工艺中往往把减薄、划片、分片、装片、内引线键合和管壳封装等一系列工艺称为（组装）。
• 5.钎焊包括合金烧结、共晶焊；聚合物焊又可分为（导电胶粘接）、( 银浆烧结)等。
• 6. 金丝球焊的优点是无方向性，键合强度一般( 大于)同类电极系统的楔刀焊接。
•7. 芯片焊接质量通常进行镜检和( 剪切强度)两项试验。
•8. 如果热压楔形键合小于引线直径1．5倍或大于3．0倍，其长度小于1．5倍或大于6．0倍，判引线键合( 不合格)。
•9. 钎焊密封工艺主要工艺条件有钎焊气氛控制、温度控制和密封腔体内( 湿度)控制。
•10 外壳设计包括电性能设计、热性能设计和结构设计三部分，而( 可靠性)设计也包含在这三部分中间。
•11. 厚膜混合集成电路的基片种类很多，目前常用的有：氧化铝陶瓷，( 氧化铍陶瓷)，氮化铝(A1N)陶瓷。
•12.微波混合集成电路是指工作频率从300 ～100 的混合集成电路，可分为分布参数微波混合集成电路和( 集总参数)微波混合集成电路两类。
•13.外延层的迁移率低的因素有原材料纯度（不够）；反应室漏气；外延层的晶体（质量差）；系统沾污等；载气纯度不够；外延层晶体缺陷多；生长工艺条件不适宜。
•14.离子注入杂质浓度分布中最重要的二个射程参数是（平均投影射程）和（平均投影标准差）。
•15、二氧化硅的制备方法很多，其中最常用的是高温（氧化）、（气相）淀积、淀积。
军用混合集成电路的现状与对策
军用混合集成电路的现状与对策醛斌苯胶第6卷第23媚混合擞电子技术V o1.6№2’31]军用混合集成电路的现状与对策西安微电子技术研究所T斗S摘要潺合集成电路是军事/宇航电子装备的重要基础元件.混合集成技米步入新的筮晨阶段,将对军用电子装备的更新换代产生重大影响.本文扼要舟绍目前国内外军用混合集成电路的市场规模,应用顸域,主要技米的现状_瑟对策.我国的差距t以及笔者的几点建议.一,前言混合集成电路(HIC)有近半个世纪的发展史,从总体上看,可以说它是靠军用兴起,靠军用发展,虽然现在它已渗透到各个领域,但是军事/航天仍然是第一个大用户,约占HIC总量的四分之一.HIC发展到一个新阶段,其标志是先进混合集成电路(AHIC)面世.多芯片组件(McM)显露头角,军界尤为关注.世人公认,八十年代的技术是表面安装技术,九十年代的技术是MCM,九十年代是HIC走向组件化的十.年.MCM在军用领域初露锋芒,前景光明.=,军用HIC的市场概况据统计,1990年美国HIC的市场规模为61亿美元,其中军事/宇航类占24,6;1993年的市场规模为138亿美元,军事/宇航类约占30在厚膜HIC中,军用类占30以上}在薄膜HIC中,军事/宇航类占70上,在MCM中,军事/宇航类占一半左右.混合微波集成电路(HMIC)的大多数用于军事和宇航,1992年,北美地区HMIC 的消费额为23,5亿美元,预计97年为44.1亿美元,综合年均增长率(CAGR)超过1z,其中以单片微波集成电路(MMIC)为核心的I{MIc占24,在10亿美元以上.1990年,西欧H1C的市场规模为ll65亿荧元,其中军事/宇航类为3.806亿美元,约占3O%.虽然冷战时代已经结束,世界范围内的军费开支可能逐年减少,但是用于军事电子装备的总费用仍有增无减.大国之间争夺太空,海洋,国际军火市场,商业卫星及尖端科学技术优势的争斗愈演愈烈.美国已将AHIC作为九十年代优先发展的军事电子技术之一.西欧各匡群台行动,采取各种措施,加速AHIC的发展.在未来几年里.军事/宇航仍然是HIC的大甩户,仍将保持10以上的年均增长率.17三,HIC的军用领域七十年代初.美国率先将NIC善了系统的性能,提高了可靠性.2.航空在空中和海上使用的各种军用飞机中,普遍使用HIC改进电子系统的性能,缩小体积,减轻重量.休斯AH-64直升飞机的火控计算机用了15种HIC,比用分立器件时的体积缩小了一半.最近,美国霍尼韦尔公司军用航空电子装备部推出一种叫做H-764G的机械惯性导航系统(INS),装在直升飞机的同定机翼和导弹上,接收全球定位系统发出的方位信息.这种系统采用了SMT技术,HIC,多层PCB及密集的电连接器,高175mm,宽187.5mm,长275mm,重9072克,与老系统比较,尺寸缩小一半,重量减轻75,成本降低10,最大功耗不足60W.其中的高压电源,低压电源及内部传感器都用HIC.加拿大的Marconi公司开发了一种叫做CMA764—1的机载导航敏感器,从GPS和Omega系统获得方位信息.该系统的尺寸为197ram×381.5mmX66.25ram,重3583,44克,功耗32W,其中的电源使用厚膜HIC.美国TrimbleNavigation公司出售的名叫FlightmateGPS个导航接收机,重量只有28.35克,功耗1W,电源是4节AA碱电池,尺寸为82,5ram×170mm×32.5mm.其中大约98的电路用SMT,HIC中使甩的片式电容的尺寸是0402(O,4×O.2ram).美国MartinMarietta公司采用MCM-C为军用飞机和导弹生产用于目标搜索及识别的图象处理电子装置,组件叫做SEM—E,其中MCM的尺寸为117.5mm×77.5mm,总功耗为48W,SEM—E的重量为748.4克.MCM的基板是l0层陶瓷,采用厚膜混合集成工艺,每个MCM中有16个处理器芯片,导线的宽度和间距为125Fm,基板材料是低温共烧陶瓷(L TCC),用TAB实现芯片之间的互连.机载电子装备对小尺寸,轻重量的要求越来越严格,在这个领域HIC 大有作为3.常规武器HIC已经成为坦克测距系统,火炮引信系统,相控阵雷达,夜视和监控系统,甚至士兵单人侦察电子装置中必不可少的电子元件美国的爱国者导弹系统,战斧巡航导弹系统中都用到了HIC.184.军用通信.兵贵神速”靠指挥,令行禁止”靠通信.现代军事指挥系统由情报,通信,指挥,控制四部分组成,有人称为C3I系统.电子战就是制服敌方的C31系统,保护自己的C3I系统,以克敌致胜.电子战的特点是各类电子装备的部署密度越来越大,信号更加密集,频谱宽,信号特征复杂.这里,快和准是关键,通信电子装置至关重要,这是HIC的一个重要应用领域.在美国.通~.HIC占HIC总市场的27左右.军用通信系统中使用的HIC主要是微波HIC和功率HIC,如混频器,调制解调器,放大器,衰减器,滤波器,A/D(D/A)转换器,13(3/DC或DE/AC电源变换器等.从多层次大纵深通信到连排甚至单兵通信装备,从卫星通信到移动通信,个人电台都要使用这些HIC,HIc尤其是McM的优越性在军用通信领域更为突出,因为它能极大地满足军用通信系统的快,准要求.有人认为电子战是自有火药以来最重大的军事技术革命,军用电子装备的优势成为战场的”制高点”,电磁频谱成为与陆海,空并存的第四战场.可以预言,AHIC将对军用电子装备的高性能,高速度,”轻薄短小’作出重大的贡献.四,军用HIC的重点技术军用ff/C与其他用途的HIC的明显区别在于更加苛求性能(高速性,高稳定性,低功耗)和可靠性,而不太计较成本.军用HIC的重点技术的开发都是为了提高其性能,从而促使军用电子装备更先进.下面简要介绍与此相关的几项技术及其发展趋势.1.保证半导体Ic棵芯片的品质半导体Ic裸芯片是HIC的心脏.现在,一个HIc或MCM一般至少要用4个以上的半导体Ic裸芯片,多者接近200个,而且裸芯片的类型不同,来自不同厂家.半导体Ic厂家一般只提供制作好芯片的大图片,对每个裸芯片一般不进行各种测试.Ic裸芯片的质量与HIc的质量和成品率密切相关,对MCM来说尤其如此.统计分析证明,在一个HIC中如果有10个Ic裸芯片,它们的平均成品率为95,而HIC的成品率只有60.对军用HIC来说,Ic裸芯片必须是的确好的芯片即KGD或测试过的好芯片即BTD(best—testeddie).KGD就是半导体Ic裸芯片的可信度,至步必须与已封装的同类芯片的质量相同甚至更高.因此,半导体Ic裸芯片的测试成为头等重要而又必须解决的大难题.目前,半导体Ic厂家,HIC厂家,MCM厂家开发了许多各有特色的LSI裸芯片测试技术.(1)建立芯片库这是美国国防部先进研究计划局(DARPA)倡导的,井与两家公司签订研究台同,首先为建立芯片库提供标准,建立样品库.Se,rmTech和MCC公司提出了KGD标准——微型封装芯片的通用标准.符台标准的芯片均可入库,保证HIC厂家的急需.这一举措还有诸多问题有待解决,但并非妄谈,一旦成功.意义很大.(2)可测性芯片载体给裸芯片加上一个与载带自动键合用的载带类似的载体或壳体,如图1所示,通过载体对裸芯片进行与已封装Ic完全相同的一切测试和试验.载俸用柔性材料如聚酰亚胺制成,19可以反复使用,也可以制成表面安装式的,完成测试后与裸芯片一起贴装到H1C中?这种方法的优点是:1)载体可重复使用;2)与现有半导俸Ic测试设备兼容,有刺于降低测试成本;3)在生产过程中,载体对棵芯片有保护作用.这种方法的缺点也是明显的:1)增加了裸芯片与载体的对准,装卸及载体的清洗-2)载体材料与裸芯片的CTE(热膨胀系数)要尽量一致,否则无法应用}3)载体必须耐用.成本低;4)与大生产不适应.虽然现在很多裸芯片用户采用了这种方法,但是似乎只是一种有效实用的应急措施.趋辩载悻圈1苏片载体(3)裸片级老化(DLBI)裸芯片老化是禄芯片测试中最大的难关,为了解决这个难题,芯片厂家和用户开发了许多各具特色的方法.美国DARPA资助一项开发计划,在MCC公司成立了有37家公司参加的组织”ConsortiaforKGDProgram——KGD计划联合体,并于1993年l2月发表了该组织的第一阶段研究报告,提出评价每种DLBI技术的评分标准技术评价指南”,对各种DLBI技术进行了垒面的评估.在24家公司的DLBI技术中,AehrTestSystem公司的暂时性载体台和聚酰亚胺柔性老化板得分最高,已开始用于生产.一般是给裸芯片加上暂时性或永久性载体,小型壳体,软连接体等,放在老化扳(BIB)的插座上,送进老化护老化.(4)全片级老化(WLBI)这是一项全新的技术,是美国DARPA提出的一项战略性课题(编号为BAA93—25),许多公司竞相申请,由DARPA在94年6月底前选定.目前,进展情况尚未揭密,预计大概两年后会初露端倪.围2是WLBI的概念图,显然,这是一种柔性生产系统,由一台中央大圆片自动传送系统和多台自动大圆片探铡台组成.探涮台包括大圆片探针头,大圆片对准系统,热控式x,Y,z片台,DUT电源,其中,全片探测是头等重要和决定性的技术.目前,DARPA已对8家公司的儿种WLBI技术进行了评价,其中4种技术可满足基本标准.WLBI与封装级老化(PLBI)和裸片级老化比较,主要优点是:1)老化工艺大大提前,避免了下游工艺中淘汰废品的经济损失;2)可以尽早反馈成品率及缺陷数据,以便尽早采取保护措藏;3)无须在锯片后进一步测试,可以缩短制片工艺周期.可以预言,这种技术一旦突破和实用,将对HIC和半导体Ic的生产产生极大韵影响.无论裸片级或全片级老化技术,都必须尽量满足以下要求,才有可能实用:1)满足产品的质量和可靠性筛选要求;2)成本与现在的已封装产品的老化工艺相差不大;3)能支持KGD的批量生产;4)经济上的风险性不大;5)与现有的Ic生产流程相容.(5)内建自测试(B1ST)这是借助设计技术在裸芯片内集成产生激励和进行测试分析的电路,芯片能完成本身2O的逻辑功能,又能在正确的控制下进行自我测试,外部测试设备只需输入激励源,并将所测结果与目标值进行比较.以寻找故障.这种方法的优点是;1)能完成裸芯片的参数测试,高速功能测试,可靠性测试,故障复盖率在99~以上;2)减少用于测试的管脚,简化测试工序和设备,降低测试成本;3)易于自动化,是一种柔性测试技术.其缺点是增加了设计难度,要占用一定的芯片面积.周边扫描也是BIST技术,现在,一般是将周边扫描和内建测试电路相结合,通过总线或通道,用边界扫描标准指夸执行自测试.这种方法的故障复盖率最高,用于工艺监控,可太大提高生产成品率.还可用于大圆片测试,极大地简化测试设备.圈2全片缎老化概念圈2.;i叟热问题对电子产品故障原因的统计性分析证明,55是热,20是振动,19是湿度,6是尘埃?HIC和MCM中使用的半导体IC裸芯片愈来]舡多,加之多层徽细布线和高密度封装,热效应更为严重,不解决散热问题,就不可能在军事电子装备中应用.(1)采用热导性能好的基板材料AIN,BeO,SiC,金刚石的热导率比AI:0;高得多,引起军方的极大关注.AIN基板已经实用化,特别适用于大功率和微波mc,在军用领域,金刚石基板更具吸引力,但目前还未大量使用?美国国防电子供货中心(DEsc)从几年前开始执行高性能基板材料开发计划,在氮化铝,碳化硅,氧化镀,包铜氧化铝,金刚石,热压碳化硅,含氧化铍或氧化镁的碳化硅等研究中取得很大的进展.2】硅基板,金属或金届芯基板也是散热性能很好的基板材料.硅基板已经引起军方的高度重视.(2)台理的热设计有17个参数与HIC的散热性能有关,必须进行综合分析,找到合理的折衷,实现合理的热设计美国Mentor公司开发了一种取得专利的用于MCM的热分析软件,用它可以实现最佳热设计,在裸芯片周围及布线层之间巧布热通道.使热量迅建有效地传输到封装体上下的散热5-~.布线结构不同,互连通孔和散热通孔的结构也各异.常见的通孔有迭加式,阶梯式,螺旋式,交错式,埋人式,偏移式,一端封闭式,如图3所示,在一个HIC中,往往要用几种结构的通孔.通孔制造技术是AHIC技术的一大特征,目前主要有湿法腐蚀,反应离子腐蚀,光敏聚酰亚胺(PSPI)光刻,激光打孔.表1列出这4种技术的比较,显然,激光打孔最好,其次是PSPI技术.Ⅱ面臣鍪鋈重蔓瘟圈3通孔的结构表1通孔制造技术的比较聚酰亚胺通孔工艺工序数量关键工艺及设备纵横比/饭限通孔壁剖面的选用睬敷聚酰亚胺2,1/最小直径梯形湿法腐蚀9烘烤抗蚀剂光大多数15ttm50.妻j,湿法腐蚀抗蚀剂光刻RIE9RIE.除去剩余全部2t1/最=I:厚度梯形物50.1,1/最小直径梯形激光打孔6激光打孔机全部30.～65.10um1t1/最小直径桶形PSPI7PSPI光刻很少lIxt50.～80’(3)有效的散热采用水冷,空冷和附加各种结构的散热片,使HIC产生的热量及时散发,这虽然增添麻烦,但有时实难舍去,不得已而为之.3高稳定,高可靠稳定性和可靠性是对任何军用产品的第一要求,HIC也不例外.下面扼要介绍与HIC22的稳定性和可靠性有关的主要技术及动向.(1)热膨胀系数(CTE)匹配在HIC中使用的有源元件主要是硅IC裸芯片,因而基板材料与硅的热膨胀系数(cTE)要尽量接近或一致,以免在长期工作中因为温度变化所产生的热应力而导致焊料疲劳性破坏,使HIC失效.军用HIC中的基板材料必须具有很好的热导性能,同时尽量与硅的CTE一致.最近出现的SOS(SiliconanSilicon)技术受到军方的欢迎,因为是用硅片作为基板.用半导体技术在硅基板上布线,再在其上搭载硅Ic裸芯片.由于CTE完全一致,电路的性能提高.长期稳定可靠.另外,在HIC中使用的导体材料,介质材料,封装材料的选择也必须考虑CTE的匹配.(2)选用吸水性小的介质材料HIC尤其是MCM中有多层的布线,目前的军用HIC一般都是8层以上的结构,层闻介质的选用很重要,除致密性,与相关材料的粘附性,介电性之外.吸水性是军用HIC必须考虑的重要因素.吸水性太大,HlC在长期工作中会因受潮导致介质层起泡,龟裂而失效.SiO:和生带基本上不吸期.聚酰亚胺的吸水性稍大一些(3).BCB的吸水性为0.23,可替代聚酰亚胺.PPQ(聚苯酚奎啉)的吸水性为0.9,是较理想的介质材料.用它制造HIc尤其是MCM.其可靠性比多层PcB高1O倍.(3)选用电迁移小的导体材料HIC中使用的导电材料有铝,银,铜,金,钨等.铝的电迁移性大,易形成申扰,军用HIC中多数使用金和铜.目前正在开发的导体材料有合金材料,有机金属,超导材料.美国军方对超导材料制作mc(McM)尤其重视,已有样品.4.体积小,重量轻,性能好体积小,重量轻历来是军用电子装备的重大课题,它与兵贯神速息息相关.HIC之所以倍受军方青睐,在相当大的程度上正由于此.在上述三个问题解决之后,体积和重量成了鉴别任何一种工艺技术有无军用潜力的关键.由于这个问题与非军用HIC基本相同.有大量的文献报道,这里仅简述一,二.(1)多层结构,傲细布线这不仅是缩小体积,减轻重量的主要途径,也是改善HIC性能的重大技措.由于多层共烧技术和多层布线技术的成熟,多层HIC迅速发展.从1990年到1995年,美国多层I-TIC市场规模可望从u亿美元增加到21亿美元,市场占有率从19上升到25.l992年,厚膜HIC达到8层布线,线宽/间距为75Fro,同一功能的电路,基板可以缩小三分之二,从1.6×0.8ram缩小到0.7X0.35ram.厚膜混合集成技术的关键是采用高级丝网印刷技术或其他转印技术如扩散刻图,光成形,低温共烧陶瓷技术,浆料自动喷射技术,自动描画技术,进一步缩小线宽/闻距,现在的线宽/间距已经达到tSV.m.低温共烧玻璃陶瓷基板已经达到6l层布线,布线宽度30Fro,间距120vm,制作的电路已经用在VP2000高级计算机中.薄膜混合集成技术对HIC的微型化更为重要.同一种HIC,采用薄膜布线技术可将电路尺寸缩小五分之四.目前的主要动向是采用半导体lc的徽细;bH-F 技术如光刻技术,蒸发{霞射等成膜技术缩小布线的线宽和间距,提高布线密度.目前的线宽/间距达10Fro,9层以23上的布线,内含72个LSI裸芯片,封装密度比同功能的PCB高30倍,已经达到军用水平?IBM公司的3090微处理机中的HIC,陶瓷基板尺寸为11x11.7m,3g 层布线,其中有132个LSI裸芯片,总速度比3033高4倍,连接点减少4/5,可靠性大大提高?(2)部件化,系统化,由于微细化,多层化技术的推动,HIC的封装密度越来越高,功能越来越多,向部件,子系统,系统的方向发展,由板上芯片(COB)向片上芯片(COW)发展,即在一个基板或基片上贴装或埋入若干VLSI裸芯片和无源元件,形成具有一定功能的部件或系统MCM或MCP(多芯片组件或多芯片封装)就是代表这一发展方向的典型.MCM的主要优点是:(1)用多层基板,微细布线,LSI裸芯片,牛式或埋入式无源元件,内部互连线的总长度大大缩短,信号传输延迟时间减少,与单芯片SMT比较,速度提高4～10倍.(2)同一功能的电路,由于焊点和I/O减少,包封密度高,组装效率可达8O～90,重量减轻90.(3)避免元件和器件的封装,简化了系统的组装层次和电路板之间的连接,大大提高了最终产品的可靠性.(4)能把数字电路,模拟电路,功率器件,光电器件,微波器件合理地组合在一个封装内,形成多功能部件,子系统或系统,线路问的串扰小,阻抗易控,稳定性大大提高.这些优点特别适用于军事电子装备,引起各国政府和军方的极大关注.计算机,通信,军事/航天是MCM的三大用户.美国已将MCM技术列为九十年代优先发展的军事电子技术之一,DARPA挑选一些公司组成两个MCM集团,目标是开发速度在100MHz以上的MCM,使系统的重量减小到原来的1/10,可靠性提高1O倍.1993年,美国开始实麓一项投资5亿美元的MCM技术三年研究计划,1993年政府拨款7千万美元,其目标是保持美国在MCM技术领域的世界领先地位,美国国防部和陆,海,空三军都直接参与了MCM的开发.1991年底,由英国,法国,磺典,芬兰等国的10家公司和两个研究中心结成联盟.投资2320万美元,执行一项开发MCM技术的三年计翔.日本科学技术厅技术政策研究所1993年宣布的未来3O年前12项重大技术课题中有若干项都涉及到MCM技术的发展,侧如运算逮度超过每秒1O万亿次浮点运算的超高速巨型机将于2004年达到实用化;利用人造卫星建成世界性航空管制系统将于2001年投入使用.S,几项重点军用HIC制造技术AHIC尤其是MCM技术集中了半导体Ic的微细加工技术,HIC的薄厚膜技术,PCB的多层基板技术,是典型的高技术,多学科领域.军用HIc涉及的研究领域更广泛.这里仅从军事/航空航天考虑简述凡项有发展潜力的技术.,(1)硅基板(SOS)技术硅的性能和用途,人们非常熟悉,但是作为HIc的基板材料还是从八十年代中期开始的.现在,硅基HIC,硅基MCM,硅基多层布线技术的开发非常热门.九十年代后期,硅基扳会得到广泛应用,尤其适用于军事和宇航电子装备.SOS的主要优点是:①用半导体工艺在硅基板上实现多层徽细布线,布线密度高,4层布线相当于30多层陶瓷布线,目前的布线密度达到80线/era’,组装密度高达85,同时有利于速度的提高;24②硅的热导率是氧化铝的10倍,CTE与硅IC完全一致,散热性好,HIC的可靠性高;③采用现有半导体工艺和设备,开发周期大幅度缩短.用硅基扳翻作的HIC或MCM已用于超级计算机,军事和宇航电子设备.(2)HCOB(HermeticChip—-oi1—-Board)用载带自动键台(TAB)技术将LSI裸芯片焊接在陶瓷或硅基板上,基板上有盒属密封环与硬辞的金属化屡钎焊,再椰上一十封帽实现密封,不需要单独的封装,可进一步减轻重量,缩小体积.(3)EPCOB(Environmcnta]lyProtectedChip—oi1一Board)用先进的钝化和涂覆材料对基板上的LSI禄芯片进行环境保护,无需进行密封封装.这种技术既可解决高价金属封装,从封装到基板的互连可靠性问题,又是提高包封密度,减轻重量的有效途径.关键是钝化和涂覆材料的开发.美国的一些公司已经着手这种材料的研村.以上三项技术可能是下一代军事/宇航电子装备使用的HIC的替代技术.对大的电子系统来说,HIC是制片技术,对LSI来说,HIC又可以看佧封装技术.在ULSI时代,HIC技术可能会起到中间突破,两厢促进的作用,这可能是AHIC技术倍受军方关注的更大缘故.五,国内军用HIC的现状及差距我国HIC的研制始于六十年代初,从厚膜HIE的研究起步,以军用和航空航天应用为目标,在几乎20年的时间里情况没有太大的变化,军用H1C的开发在相当长的时间内停步不前.从1980年到现在.国内引进大约21条HIC生产线,其中14条为厚膜HIC生产线,单线最高年产量为400万块,单线最高用-}亡为220万美元.目前国内从事HIC研究,开发,生产的约有近50十单位,近万名职工.从事军事/宇航HIC开发生产的主要集中在电子工业部和中国航天工业总公司.国内的HIC行业已经从玲变热,初具规模.军用HIc的研稍大有起色,取得长足的进步.1.军用HIc的生产及应用概况经过几年的建设,国内军用HIC的生产能力和生产技术较前大大提高,初步形成小批量多品种生产能力,军用HIC的品种达到二百多种,井能满足质量要求.有几条生产线陆续通过国防科工委组织的军工产品质量保证体系验收,成为军用HIC 的定点生产线.其中有的生产线达到国际上八十年代中期的水平.1993年l0月,国家863项目.微电子组装工艺中试线”在电子部十四所建成,通过国家科委验收,填补了国内空白,达到国际八十年代中后期术平.年产能力1000套发射/接收(T/R)组件,主要技术是微波HIC 制造技术.1988年国内HIC的产量为280万块,市场占有率只有6,多为军甩产品.199Z年国产HIC不足2千万块,市场占有率不到20,其中军用HIC约占its.预计1995年国内HIC的需要量约为1.37亿块,其中军用HIC的需要量约为3000万块,但军用HIC的产量预计很难达到500万块,差距很大.到本世纪束,我国至少还将发射20颗各种用途的人造卫星,1994年就是卫星发射高峰年.我国的军用通信装备将丈规模的更新抉代,坦克,火炮,雷达等常规武器将主要f藏靠电子技术改进性能.国内军用HIC的市场很大.25与国外相比.我国军用HIC的数量和品种还微不足遭,可靠性还差一个数量级,应用范围也相当有限,主要用于星,箭控制系统,军事通信系统,军用仪器仪表,星上电源设备.在坦克,火炮中的应用刚刚开始.2.军用HIc的开发及技术水平从1990年开始,我国军用HIC的发展进X--4”ti~阶段,其标志是技术开发活跃,军品不断涌现,水平明显提高.表2列出国内部分军用HIC的开发情况.除此之外,已能小批量生产的还有用于国家重点工程,军用通信装备,坦克激光澜l距系统,火炮引信装置及军用计算机的各种类型的HIC,如电子郁四十三所的宽带放大器,八九三厂的D/A转换器,航天工业总公司西安微电子技术研究所的高速AD/D-A转换器,石英挠性加速度计伺服电路,弹上平台系列,星上太阳敏感器系列,航天工业总公司北京遥感设备研究所,上海航天局八0四所兵器工业总公司二一四所的微波HIC,频段0.8~10cm,频率2~14GHz,适用于s,C,X波段.MCM及其相关技术的开发也取得初步进展,有几种产品已小批量生产?用于军事/宇航电子设备,如64路交换子及采集开关,三相正弦波电源,锁相测角。
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厚薄膜混合集成电路
王攀
（陕西国防工业职业技术学院微电3101班西安市710300）
摘要：厚薄膜集成电路在我国发展至今，几经沧桑、几起几落，从无到有、从小到大，在近四十年中，经过两代人的奋斗，现在已被广泛用于航空航天、卫星火箭、家电通讯、仪器仪表、医疗卫生、计算机。
汽车和电力等许多方面，已经发展成为具有相当规模的、在我国电子产业中不可缺少的一门产业。
关键字：厚薄膜集成电路应用发展趋势
由半导体集成工艺与薄（厚）膜工艺结合而制成的集成电路。
混合集成电路是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。
与分立元件电路相比，混合集成电路具有组装密度大、可靠性高、电性能好等特点。
相对于单片集成电路，它设计灵活，工艺方便，便于多品种小批量生产；并且元件参数范围宽、精度高、稳定性好，可以承受较高电压和较大功率。
制造混合集成电路常用的成膜技术有两种：网印烧结和真空制膜。
用前一种技术制造的膜称为厚膜，其厚度一般在15微米以上，用后一种技术制造的膜称为薄膜，厚度从几百到几千埃。
若混合集成电路的无源网路是厚膜网路，即称为厚膜混合集成电路；若是薄膜网路，则称为薄膜混合集成电路。
为了满足微波电路小型化、集成化的要求，又有微波混合集成电路。
这种
电路按元件参数的集中和分布情况，又分为集中参数和分
布参数微波混合集成电路。
集中参数电路在结构上与一般
的厚薄膜混合集成电路相同，只是在元件尺寸精度上要求
较高。
而分布参数电路则不同，它的无源网路不是由外观
上可分辨的电子元件构成，而是全部由微带线构成。
对微
带线的尺寸精度要求较高，所以主要用薄膜技术制造分布
参数微波混合集成电路。
1、厚薄膜集成电路的应用；
1.1、在航空航天方面的应用；
在航空和宇航行业，厚膜混合集成电路由于其结构和设计的灵活性。
小型化。
轻量化。
高可靠性。
耐冲击和振动。
抗辐射等特点，在机载通信。
雷达。
火力控制系统。
导弹制导系统以及卫星和各类宇宙飞行器的通信。
电视。
雷达。
遥感和遥测系统中获得大量应用。
在军工行业，厚膜电路一般用作高稳定度。
高精度。
小体积的模块电源，
传感器电路，前置放大电路，功率放大电路等。
1.2、在家电通讯方面的应用
在彩电行业，厚膜电路一般用作功率电路和高压电路，包括开关稳压电源电路。
视放电路。
帧输出电路。
电压设定电路。
高压限制电路。
伴音电路和梳状滤波器电路等。
厚膜多层步线技术已成功用于数码显示管的译码。
驱动电路，透明厚膜还用于冷阴极放电型。
液晶型数码显示管的电极。
在通讯设备中，厚膜混合集成压控振荡器。
模块电源。
精密网络。
有源滤波器。
衰减器。
线路均衡器。
旁音抑制器。
话音放大器。
高频和中频放大器。
接口阻抗变换器。
用户接口电路。
中继接口电路。
二 /四线转换器。
自动增益控制器。
光信号收发器。
激光发生器。
微波放大器。
微波功率分配器。
微波滤波器。
宽带微波检波器等。
1.3、在仪器仪表方面的应用；
在仪器仪表及机床数控行业，厚膜混合集成电路一般用于各种传感器接口电路。
电荷放大器。
小信号放大器。
信号发生器。
信号变换器。
滤波器。
IGBT等功率驱动器。
功率放大器。
电源变换器等。
1.4、在计算机方面的应用；
计算机（全称：电子计算机；英文：Computer）
是20世纪最伟大的科学技术发明之一，对人类的
生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以
强大的生命力飞速发展。
它的应用领域从最初的军
事科研应用扩展到目前社会的各个领域，已形成规
模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进
步，由此引发了深刻的社会变革。
计算机已遍及学
校、企事业单位，进入寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具。
在计算机工业，厚膜电路一般用于集成存储器。
数字处理单元。
数据转换器。
电源电路。
打印装置中的热印字头等。
1.5、在汽车方面的应用；
在汽车行业，厚膜电路一般用作发电机电压调节器。
电子点火器和燃油喷射系统。
此外，厚膜技术在许多新兴的与电子技术交叉的边缘学科中也具有持续发展的潜力，有关门类有：磁学与超导膜式器件。
声表面波器件。
膜式敏感器件(热敏。
光敏。
压敏。
气敏。
力敏).膜式太阳能电池。
集成光路等。
2、厚薄膜集成电路的发展趋势；
混合集成技术的发展趋势是：
1、用多层布线和载带焊技术，对单片半导体集成电路进行组装和互连，实现二次集成，制作复杂的多功能、高密度大规模混合集成电路。
2、无源网路向更密集、更精密、更稳定方面发展,并且将敏感元件集成在它的无源网路中,制造出集成化的传感器。
3、研制大功率、高电压、耐高温的混合集成电路。
4、改进成膜技术，使薄膜有源器件的制造工艺实用化。
5、用带互连线的基片组装微型片状无引线元件、器件，以降低电子设备的价格和改善其性能。
参考文献：
【1】百度百科···········；
【2】国防学院电子期刊········；。