發布時間：2021-05-12所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：混合集成技術是一種將零級封裝直接組裝封裝為1～3級封裝模塊或系統，以滿足航空、航天、電子及武器裝備對產品體積
摘要：混合集成技術是一種將零級封裝直接組裝封裝為1～3級封裝模塊或系統，以滿足航空、航天、電子及武器裝備對產品體積小、重量輕、功能強、可靠性高、頻率寬、精密度高、穩定性好需求的高端封裝技術。從20世紀70年代至今，混合集成技術歷經了從厚薄膜組裝到多芯片組件(MCM)、系統級封裝(SiP)、微系統集成等階段。它始終專注于微觀器件與宏觀器件的聯結，是一種融合設計、材料、工藝、工程、實驗的多學科持續創新技術。通過分析研究不同時期混合集成技術的工藝特征、技術要點和典型產品，通過歸納與總結首次提出混合集成技術代際劃分，同時根據不同代際的技術特征與趨勢，對下一代混合集成技術的發展方向進行預測。
關鍵詞：混合集成電路;混合集成技術;厚薄膜工藝;微系統;代際
0引言
混合集成電路(HIC)原定義是由半導體集成工藝與厚膜(包括LTCC/HTCC，下同)/薄膜工藝結合而制成的集成電路，按GJB-2438《混合集成電路通用規范》：“由兩個或兩個以上下列元件的組合，并且其中至少有一個是有源器件：(a)膜集成電路;(b)單片集成電路;(c)半導體分立器件;(d)片式、印刷或淀積在基片上的無源元件。”[1]混合集成技術即為實現混合集成電路的技術。相對于單片集成電路，它設計靈活，工藝方便，便于快速研制、多品種小批量生產;并且其元件參數范圍寬、精度高、穩定性好，可以承受較高電壓和較大功率。但隨著基于硅基TSV技術引發的3DIC變革、日漸成熟SoC技術領域快速擴張、PCB級產品的組裝密度和可靠性提升、低成本和商業化消費電子的突飛猛進，混合集成電路傳統優勢不斷被挑戰，所以混合集成技術也在不斷進步和發展，已遠超出厚薄膜電路范疇，但也帶來了涵義和內容的模糊化。第一、二代混合集成技術已經建立從設計、材料、工藝到后續封裝、試驗、應用等十分完善的技術體系，其典型指標(線寬/線間距、多層層數、I/O密度)基本穩定;而三、四代技術(功能一體化封裝、3D組裝、微納組裝)正在突飛猛進。為了迎合不斷發展的信息裝備小型化、輕量化、高速化、多功能化的市場需求，混合集成技術也在升級換代，以更好地發揮靈活、快速、低成本、實用性強的技術優勢。混合集成技術是電子技術的一個分支，工藝技術與產品應用本身具有一體兩面性，所以混合集成的代際發展與電子科技的五次技術浪潮[2](微電子學、射頻/無線、光電子學、MEMS、量子器件)兩者相輔相成，互相促進形成今天的電子行業。
1混合集成電路技術代際發展
混合集成技術本質上是一種高集成度、高性能和高可靠的先進封裝技術，它由設計、仿真、集成、制造、檢測技術構成，自20世紀60年代以來，形成了一、二、三代技術，并正向第四代發展。通過混合集成技術可以有效地解決一、二、三代半導體材料不兼容問題;解決運算、存儲、射頻、光電、MEMS、傳感等半導體工藝不兼容問題;大幅提升產品質量與壽命，是有源、無源器件和功能器件實現高密度、小型化與高可靠的一體化封裝手段。
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總的來說，混合集成技術的發展歷程是功率密度、組裝密度、集成密度、功能性、可靠性等不斷發展提升的過程;也是實現代表品種不斷推陳出新，功能提升再提升的過程，更是滿足不同時期高新武器裝備需求的過程。
1.1第一代混合集成電路技術
20世紀六七十年代開始，由于軍事和宇航工業領域的迫切需求，在厚薄膜電路的基礎上，開展了基于厚薄膜基板的混合集成電路研制，以實現電子設備的微型化�；旌霞呻娐�(HIC)就是來源于該形態，指以厚薄膜基板為承載，在基板上集成阻容器件，然后將其他分立無源元件和有源元件芯片(主要是成品)進一步組裝到基板上形成的電路。第一代混合集成電路的整體特征可以歸結為成品芯片、非氣密封裝、焊接工藝、有源和無源混裝等特點。第一代混合集成電路相對當時的單片封裝具有較大提升，而且建立了早期混合集成電路的基本特征。第一代混合集成代表產品有點火器、電源等，典型性能是：功率密度約為5W/in3，組裝密度為40IO/cm2，使用壽命為10年左右。由于處于可靠性技術建立初期，體系化的可靠性技術未建立，也沒有氣密性封裝要求。第一代產品相對同時期其他封裝，具有集成度高、功率大、體積小的特征。目前依然有少量民品供應商采用第一代混合集成電路技術生產加熱、點火、傳感等功率或特種電路產品。圖1所示為第一代混合集成技術代表產品HLSDC-DC變換器[3]。
1.2第二代混合集成技術
第一代混合集成技術滿足了當時的需求，但在集成密度和可靠性上優勢不明顯，在其基礎上結合裸芯片組裝工藝和金屬氣密封裝工藝的發展，混合集成電路開始向第二代轉變。第二代混合集成電路產品出現在20世紀80年代，發展于90年代、成熟于21世紀初期;采用的典型工藝有多層厚膜基板、裸芯片組裝、多芯片焊接、金絲/鋁絲鍵合、激光無源/有源調阻、氣密封裝等。主要是通過厚薄膜工藝進步實現線寬/線間距降低、布線層數的大幅增長;采用裸芯片工藝減少組裝面積;采用全金屬氣密封裝提升可靠性。典型產品(如DC/DC變換器)功率密度約為43W/in3，組裝密度為200IO/cm2，使用壽命約為18年。
1.2.1多層厚膜基板技術
隨著介質及通孔材料的發展，厚膜(含LTCC/HTCC)由單層布線向厚膜多層布線發展，通過疊層交聯、通孔填充等技術實現了多層電路的互聯，同時導體的線寬/線間距大幅下降，部分工藝與半導體工藝技術同步發展。通過多層厚膜技術發展為后續裸芯片組裝等打下基礎。通常在二代混合集成技術體系中表面印刷厚膜可以滿足10層布線;線寬/間距100μm/100μm;LTCC/HTCC厚膜滿足50層布線;線寬/間距75μm/75μm、通孔直徑75μm。
1.2.2裸芯片組裝技術
裸芯片是封裝的最小尺寸，采用裸芯片直接組裝可以大幅減少組裝面積，提升組裝密度，從而減小產品的尺寸及重量。尤其是多個裸芯片貼裝及鍵合到一個腔體內效果更加顯著，混合集成技術正是由于引入具有最小芯片體積的裸芯片而得到了快速的發展及應用。通常在二代混合集成技術體系中采用裸芯片組裝比采用成品器件可以減少50%面積和70%的重量。
1.2.3多芯片焊接技術
由于混合集成技術核心是有源和無源的一體化封裝，內部器件相對較多，組裝工藝要求高。裸芯片多芯片焊接以及基板和芯片多層一次焊接技術是重要工藝;通過采用熱風回流焊、推板回流焊、紅外回流焊等，可以滿足多芯片焊接要求，實現關鍵器件75%以上焊接面積;結合陶瓷基板高導熱系數對產品的功率密度提升顯著。難點是基板類器件與芯片類器件之間的體積差大于100倍，不同基板導熱系數差距大于10倍;再加上焊料厚度差異和可觀的一次焊接數量，都對混合集成的焊接提出苛刻要求;所以多芯片多器件多層一次焊接是二代混合集成技術代表性技術之一。
1.2.4金絲/鋁絲鍵合技術
金絲熱壓超聲鍵合和鋁絲超聲鍵合是與裸芯片工藝配套的工藝技術，二代混合集成重點是通過設備和工藝優化在混合集成電路中實現多芯片鍵合參數的兼容性，多線徑、金絲/鋁絲、楔焊/球焊的集成，通過25～500μm這種寬范圍的線徑，基本覆蓋了產品內部互聯的需求，大幅提升了混合集成技術的靈活性與兼容性，是技術能力重要體現之一。通常在二代混合集成技術體系中鍵合工序為關鍵工序，采用SPC統計過程控制，CPK>1.33。
1.2.5激光無源/有源調阻技術
在二代混合集成技術中一般采用激光代替砂輪或噴砂方式調阻，提高了效率和精度，提升了技術適應性。更加重要的是混合集成產品內部的厚膜電阻是集成在基板上的，不用披釉和封裝，可以進行二次調阻;所以激光有源調阻在產品組裝完成后進行二次修調，通過對產品加電同時對預設電阻進行精密修調，可以直接改變產品參數精度，進一步消除了各分立器件波動誤差形成的累積誤差，降低了因裸芯片無法全性能測試和元器件自身精度范圍對最終產品的影響，是集成器件數量大幅提升同時保障最終產品一致性的關鍵。通常二代混合集成產品的輸出精度可以修調至電壓2‰、電流5‰、頻率5‰。
1.2.6全金屬氣密封裝技術
隨著混合集成電路應用于各種苛刻的環境，對于可靠性要求不斷提高，并需要滿足小型化導熱、防潮、抗震需求，氣密性封裝成為混合集成技術標準工藝之一，尤其是全金屬氣密封裝幾乎是二代混合集成電路的標準配置。主要封口方式有：平行縫焊、儲能焊、錫封焊等;氣密封裝為裸芯片等內部器件提供了良好環境，是產品長期可靠性的重要保障;并且滿足了機械支撐和質量追溯的要求。通常在二代混合集成技術體系中密封性要達到R1≤5×10-3Pa·cm3/s(He)內部水汽含量<5000ppm，這是產線重要能力指標[4]。
1.2.7混合集成技術標準建設
隨著第二代混合集成技術的發展，我國的混合集成技術發展迎來了重要里程碑——GJB2438-1995《混合集成電路通用規范》發布實施，其中明確規定了K、H等產品質量保證等級，尤其是H級軍標工藝基線奠定混合集成發展的基石。隨后于2003年又發布了GJB2438A-2002《混合集成電路通用規范》，再一次把混合集成的內涵和定義明確闡述。
第二代混合集成技術開始普遍采用EDA軟件進行設計和輔助生產，也開展了部分類型的仿真和產品數字化，這也是二代產品的特征之一。同時在設備數控化、生產線貫標、篩選檢驗等方面都建立了完善的體系，自二代混合集成電路技術真正形成了一套流程化、規范化、制度化的體系。部分代表產品如圖2所示。
第二代混合集成技術依然是當前混合集成技術的主要技術組成，其產品占據混合集成的主流，大量應用于高可靠的功率電路、精密電路、其他電路等，僅其代表產品軍用DC/DC及濾波器、脈寬調制器、基準源和精密變換器的年產量已超過50萬只，在民品方面汽車控制、IGBT等用量更是極大。并且由于其典型性特征，第二代混合集成往往被認為是混合集成的全部，這是外界的誤解。但是不可否認二代混合集成技術奠定了技術特征，目前依然廣泛應用于市場上各類產品，未來也將是新代際混合集成的重要組成。
1.3第三代混合集成技術
隨著武器裝備發展需求的不斷提升，混合集成技術向著多工藝融合、更高密度集成、高頻高效、一體化和高可靠發展，進而產生第三代混合集成技術。第三代混合集成產品發展于21世紀初期，目前已相對成熟。其主要特征表現為MCM-C/D多層布線、一體化封裝、射頻與MEMS器件、梯度溫度焊接、金帶/鋁帶鍵合、激光氣密封裝、數字化設計仿真、K級生產過程控制和超長儲存壽命等。產品的典型參數有功率密度約為75W/in3，組裝密度達到500IO/cm2，使用壽命可以達到到32年[5]。
1.3.1MCM-C/D一體化封裝技術
LTCC/HTCC與薄膜工藝結合作為封裝載體，可以實現多層布線與高密度互連布線融合，同時也有利于制作各種不同用途的腔體。這樣形成的一體化封裝實現了高密度集成、寄生電容和電感減少、信號耗損減少，有利于信號的高速傳輸，并改善其高頻性能[6]，最終實現更高的密度、更強的功能、更多的I/O、更低的功耗、更小的延遲、更快的速度的系統性能[7]。陶瓷一體化封裝的尺寸相對全金屬氣密封裝可以減少30%以上，這類封裝已經大量應用到無線通信、雷達、衛星通信方面，例如美國F-22戰斗機有源電掃陣列由采用LTCC制作的2000個低功率X波段收/發(T/R)組件構成[8]。
1.3.2射頻與MEMS器件
第三代混合集成技術重要需求之一是射頻與MEMS產品。射頻芯片(RadioFrequency，RF)是能發射高頻交流變化電磁波的芯片，它具有功率大、頻率高、對組裝界面敏感等特征，一般采用二、三代半導體材料，表面有空氣橋構件等，它與功分器、放大器、環形器共同組成射頻電路。微機電系統(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)是集成了電子電路和機械部件的微型系統，將處理熱、光、磁、化學、生物等新興結構和器件通過微電子工藝及其他微加工工藝制造在芯片上，并通過與電路的集成和相互間的集成來構筑復雜的微型系統，它與運算、存儲、通信器件共同組成MEMS電路。這類功能性裸芯片因其自身特征，芯片須采用表面非接觸組裝、低空洞焊接、低應力粘接、高精度組裝等工藝保障最終性能。通常在三代混合集成技術體系中可以覆蓋100GHz以下的頻率要求，組裝精度可以達到3σ±15μm。
1.3.3梯度溫度焊接技術
采用工藝溫度由高到低方式進行產品組裝是通用性工藝要求，也是業界的共識;但是由于混合集成技術面向的是大量有源和無源器件在一個封裝體的集成，而且器件種類多，封裝結構復雜;研制生產又是小批量、多品種模式，所以梯度溫度焊接作為一種保障可實施性和組裝合格率的重要手段，被作為三代混合集成的重要手段，一般會采用280℃、230℃、183℃三個梯度，結合共晶焊、回流焊以及新的焊接工藝如真空熱風回流焊、真空氣相回流焊等，能夠有效保障特定芯片5%以下空洞率要求的保障。焊接層級達到4～5層，焊接器件大于300個。
1.3.4金帶/鋁帶鍵合技術
帶狀鍵合不是三代發展的技術，但是在三代開始普遍應用。隨著產品功率與電流的增長，對于互連線的截面積要求大幅提升，而芯片厚度卻在不斷下降、芯片材質也有調整、導體和鍍層厚度無法大幅提升。絲狀鍵合在承流能力、弧度、高度、鍵合壓力方面都已經不適應需求變化。結合新的工藝設備、檢驗能力提升，金帶/鋁帶鍵合成為三代混合集成的通用工藝之一。雖然由于其形狀限制，鍵合帶相對鍵合絲方向靈活性較差，但它可以在鍵合界面不用大幅調整的情況下，通過增加鍵合面積達到低壓力、大功率、低弧度、多層互聯的目的。進一步說，由于帶相對絲來說有更好的接觸面和更小的轉彎角，可以實現多芯片連續鍵合、多層復合鍵合、包裹鍵合等。通常在三代混合集成技術中鋁帶鍵合通流可以達到100A，金帶寬度大于200μm。
1.3.5激光氣密封裝技術
由于三代混合集成電路的封裝體材質、形狀、尺寸和應用有較大調整，因此常規的平行縫焊等無法完全滿足，采用激光縫焊成為通用工藝之一。例如鋁或者鋁硅材質的封裝體，必須采用激光方式。異性構件的封裝體越來越多，增加的加強筋和多面體必須采用激光封裝。還有激光局部加熱錫封工藝，以及激光加強封口工藝等。激光氣密封裝還包括激光檢漏等新式無損檢漏手段。通常在三代混合集成技術體系中激光封焊的氣密性可以達到R1≤5×10-5Pa·cm3/s(He)，封裝尺寸達到200mm×200mm。
1.3.6數字化設計與仿真技術
隨著混合集成技術的發展，內部器件和互聯數量急劇提升，而且其采用的元器件、原材料和結構范圍廣、靈活度大，同時又是多品種、小批量生產，產品既要高可靠又無法進行大量產品反復驗證，所以數字化設計與仿真的重要性越來大。三代混合集成技術一般需要采用基于基線和IP核的數字化的設計理念和科學的過程控制;產品的一次研發成品率、直通率、批次/批量合格率等，也成為三代混合集成線體的重要指標之一。混合集成自二代生產基本實現了生產的數控化，大幅提升了產品一致性和合格率，在三代混合集成時由于元器件數量大幅增加(二代上限200只器件，三代可以達到1000只)、互聯關系增長顯著，部分工序必須實施自動化生產，例如貼片、鍵合等只有采用自動化方可保障產品質量。——論文作者：朱雨生1，施靜2，陳承1
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