厚膜混合集成电路 课件第1章.ppt

第一章概述 1 1微电子技术发展1 2微电子技术的分类1 3半导体IC与混合IC的比较1 4厚膜混合集成电路的特殊问题1 5厚膜混合集成电路的基本工艺过程1 6混合集成电路的应用 什么是微电子学什么是微电子技术微电子技术的发展 1 1微电子技术发展概况 微电子学 Microelectronics微电子学 微型电子学研究电子系统 部件 元器件 材料工艺的微型化核心 集成电路 微电子技术设计 制造 应用微型电子系统 集成电路 器件 电子学 微电子学 微电子科学技术的战略地位 自然界和人类社会的一切活动都在产生信息 信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式 是人类社会 经济活动的重要资源 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体 由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息 从而使社会信息化 网络化和数字化 微电子 信息社会发展的基石 实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和 或通讯机 它们的基础都是微电子1946年第一台计算机 ENIAC 这样的计算机能够进入办公室 车间 连队和家庭 当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC 目前 全世界计算机不包括微机在内有几百万台 微机总量约6亿台 每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量 第一台通用电子计算机 ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool Univ ofPennsylvania18 000个电子管组成 大小 长24m 宽6m 高2 5m速度 5000次 sec 重量 30吨 功率 140KW 平均无故障运行时间 7min 微电子科学技术的发展历史 电子技术的发展已经历了四个主要阶段 通常称为四代 二十世纪初发明了利用阴极热电子发射现象的电子管 利用电子管和其他各种无源电子元件组成的电子电路实现了电信号的发生 放大 调制 检波等各种功能 这种以电子管为基本有源器件的电子电路和电子设备为电子学的发展奠定了基础 这就是电子技术发展的第一代 1948年发明了晶体管 并相继出现了许多小型无源元件 如小型电阻 电容 电感 继电器 开关等 由晶体管和各种小型无源元件组成的电路在很大程度上满足了电子设备日益复杂化所提出的一系列要求 使电子技术进入了一个新的发展阶段 这就是电子技术发展的第二代 1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W SchokleyJ BardeenW Brattain 获得1956年Nobel物理奖 继晶体管的发明和应用之后 人们于1952年又提出了集成电路的设想 并于1958年 研制成功第一块集成电路 同时 由于膜式无源元件制造技术的发展和应用 各种混合集成电路也相继出现 集成电路的出现 使电子设备和系统在晶体管电路的基础上进一步小型化 轻量化 高集成 并更适应于在高频 高速电路中工作 从而使电子技术进入了第三代 1958年第一块集成电路 TI公司的Kilby 12个器件 Ge晶片 获得2000年Nobel物理奖 1964年人们提出了大规模集成电路的设想和概念 并很快于1966年研制成功大规模集成电路 大规模集成电路在提高集成度 可靠性 工作频率和电路工作速度等技术性能方面的一系列重大成就 使电子设备和电子系统出现了崭新的面貌 从而使电子技术的发展进入了第四代 第一个CPU 4004 PentiumIIICPU芯片 综上所述 从第一只电子管的发明至今 电子技术的发展至少已经历四代 而直到现在仍在日新月异地向前发展 从第二代之后 电子技术即逐步进入微电子技术的发展阶段 微电子发展史上的几个里程碑 1962年Wanlass C T Sah CMOS技术现在集成电路产业中占95 以上1967年Kahng S Sze 非挥发存储器1968年Dennard 单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器 计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台 在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量 美国欧特泰克公司认为 微处理器 宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新 不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力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倍 这就是摩尔定律 微电子发展的规律 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 在新技术的推动下 集成电路自发明以来四十年 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倍 这就是由Intel公司创始人之一GordonE Moore博士1965年总结的规律 被称为摩尔定律 微电子技术发展的ROADMAP 厚膜技术起源于古代 唐三彩 厚膜技术的发展 四 厚膜技术的发展 萌芽期 成长期 成熟期 衰退期 1943年美国Centralab厚膜小型振荡放大电路 1965年美国IBM公司首先将厚膜IC应用于电子计算机 1948年电路由体积型向平面型转化 萌芽期 1959年大规模厚膜混合集成电路问世 1975年厚膜二次集成技术诞生 进入成长期 1976混合大规模厚膜IC出现 多芯片模块MCM技术诞生 超大规模混合集成阶段 1990 进入成熟期 厚膜印 烧技术应用到电路上只有几十年的历史 1943年美国Centralab公司用厚膜技术为炮弹的无线电引信生产了一种小型振荡 放大电路 标志着厚膜混合微电路的诞生 1948年晶体管的发明使有源器件的体积大大缩小 促进了电路由体积型结构向平面型结构转化 产生了真正意义上的平面化的厚膜混合电路并开始在工业产品和消费类产品中应用 1959年大规模厚膜混合集成电路问世 并于1962年开始批量生产 1965年美国IBM公司首先将厚膜IC应用于电子计算机并获得成功 厚膜技术和厚膜IC进入成熟和大量应用 1975年厚膜导体浆料 介质浆料有了新发展 使细线工艺和多层布线技术有了突破 促进了厚膜IC的组装密度的极大提高并使 二次集成 成为可能 1976年混合大规模厚膜IC出现 1980年 90年代为超大规模混合集成阶段 现已能在厚膜技术基础上综合利用半导体技术 薄膜技术和其它最新技术成就 可以制造能完成功能很复杂的超大规模的功能块电路 90年代后期 发明了多芯片模块 MCM MCM可使封装密度提高一个数量级 性能上改善一个数量级 MCM是为满足80年代出现的超高密度高速度VLSIC和VHSIC芯片的封装需求而发展 厚膜混合集成电路 IBMpower5处理器MCM技术集成了8个芯片 1 2微电子技术的分类 微电子技术分为三大类 小型电子封装器件 集成电路 功能器件集成电路的分类方式 器件结构类型 集成电路规模 功能 集成电路 IntegratedCircuit缩写IC将组成电路的有源器件 晶体管 芯片等 和无源器件 电阻 电容等 及其互连线一起制作在半导体或绝缘基板上 构成一个完整的具有一定功能的微型电路 集成电路的作用 小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低 集成电路的分类 按器件结构类型分类 双极集成电路 主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路MOS集成电路 主要由MOS晶体管构成NMOSPMOSCMOS 互补MOS 双极 MOS BiMOS 集成电路 同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路 综合了双极和MOS器件两者的优点 但制作工艺复杂 混合集成电路 HIC 厚膜混合IC 半导体技术 厚膜技术薄膜混合IC 半导体技术 薄膜技术 按集成电路规模分类 集成度 每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路 SmallScaleIC SSI 中规模集成电路 MediumScaleIC MSI 大规模集成电路 LargeScaleIC LSI 超大规模集成电路 VeryLargeScaleIC VLSI 特大规模集成电路 UltraLargeScaleIC ULSI 巨大规模集成电路 GiganticScaleIC GSI 按电路功能分类 数字集成电路 DigitalIC 它是指处理数字信号的集成电路 即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路 AnalogIC 它是指处理模拟信号 连续变化的信号 的集成电路线性集成电路 又叫做放大集成电路 如运算放大器 电压比较器 跟随器等非线性集成电路 如振荡器 定时器等电路数模混合集成电路 Digital AnalogIC 例如数模 D A 转换器和模数 A D 转换器等 按制备工艺分类 半导体IC 使用典型的半导体工艺 氧化 光刻 外延 扩散 离子注入等 膜集成电路 厚膜IC 薄膜IC厚膜IC 丝网印刷 烧结薄膜IC 真空蒸发 溅射 化学汽相沉积 CVD 混合集成电路 HIC 厚膜混合IC 半导体技术 厚膜技术薄膜混合IC 半导体技术 薄膜技术 1 3半导体集成电路与混合集成电路的比较 半导体集成电路 采用外延 氧化光刻等半导体技术制成的IC优点 集成度高可靠性高元器件一致性好生产效率高成本低 适合于大批量生产 缺点 1 难以制造出精度高 稳定性好 参数范围宽 性能优良的无源元件 例如 精度高于5 的电阻 阻值很低或很高的电阻 功率很大的电阻 精度高于10 容量大于500pF的电容 电感器更是难以制造 2 难以把各种不同类型的 性能差异很大的元器件集成在同一衬底上 难以外贴组装上各种具有特殊性能的元器件 因此很难制成各种多功能的复杂的模拟电路 3 半导体衬底的绝缘性能不如陶瓷 玻璃 蓝宝石等绝缘基板 因此其元器件之间的隔离不够完善 造成寄生效应大 这样就会使电路在高频下难以稳定地工作 难以制造大功率 大电流 高电压等各种有特殊要求的电路 4 半导体集成电路的设计周期长 工艺装备复杂 不适应灵活的多品种小批量生产 不适合生产各种非标准专用集成电路 混合集成电路 采用混合技术 半导体技术 厚膜技术 薄膜技术 制造的集成电路 将膜集成技术制造的无源元件与半导体技术制造的有源器件 采用灵活的组装技术组装在绝缘基板上所形成的集成电路 优点 1 无源元件参数范围宽 精度高 稳定性好 可调性好 2 高频特性好 适于制作在极高频率和极高速度下工作的电路 原因 混合集成电路是在绝缘基板上制作各种无源元件 多层布线和交叉布线采用电阻率非常高介质材料 因此元器件之间的绝缘隔离十分完善可靠 寄生效应小 因此可以很容易地制成极高频率和极高速度下工作的电路 3 高电压 大电流 大功率电路 4 具有高度灵活的组装技术 能将各种有源器件 无源元件相容地组装在一起 形成各种复杂的 功能完善的混合集成电路 5 能制成精细互连线 交叉布线 多层布线 6 设计灵活 能适应多品种小批量生产 主要缺点 1 集成度低 2 可靠性较低 混合集成电路的组装焊点比半导体集成电路多 3 对于标准化的大批量生产的电路 混合集成技术不如半导体集成技术生产效率高 微弱信号检测微电路模块 半导体集成电路 薄膜混合集成电路 厚膜混合集成电路的比较 混合集成电路与印刷电路板的比较体积小 重量轻 比等效的PCB板重量轻10倍 体积小4 6倍 电路路径短 元器件靠得近 热耦合好 寄生参数易控制 优异的元器件跟踪 所以性能更好 组装简单和有功能微调能力 系统设计简单 成本降低 连接少 金属间的界面少及更好的抗冲击和振动能力 所以有更高的可靠性 混合电路是预先测过的功能块 系统容易测试 故障追踪更容易 混合集成电路与与多芯片模块MCM的比较MCM 微焊接技术微封装技术 IC裸芯片及片式元器件组装起来 形成高密度 高性能 高可靠性的微电子产品 MCM实际也是混合电路 从材料和工艺被精炼从而使电性能 如速度 和密度至少增加一个数量级的新一代混合电路 IBMpower5处理器MCM技术集成了8个芯片 1995 2005全球MCM制造情况 混合集成电路的发展方向 五个大方向 材料方面1 电子浆料贱金属浆料代替贵金属浆料 聚合物厚膜浆料 节省能源 减小环境污染 光刻细线导体浆料 高介低损耗的电容介质浆料 低介低损耗高绝缘强度的多层介质浆料 2 基板高导热的AlN SiC陶瓷基板 各种绝缘的金属复合基板 聚酰亚胺 聚四氟乙烯等柔性基板 2 元器件方面 适合于厚膜电路组装的有源和无源器件 研制和发展厚膜敏感器件 3 电路方面向超大规模方向发展 利用厚膜的多层布线技术和高密度组装技术 提高电路的集成度 4 厚膜技术方面自动化高密度组装技术 突点技术SMT技术焊接技术 激光微焊技术电子束焊接厚膜与其他各种技术的组合技术 厚膜技术 薄膜技术 半导体微细加工技术 CAD CAM CAT 5 多芯片模块 MCM 混合微电路的新品种封装密度增加一个数量级 性能提高一个数量级MCM D 通过薄膜淀积金属和多层介质加工的多层基片 MCM C 通过陶瓷与金属共烧加工的多层基片 HTCC LTCC 1 4厚膜混合集成电路的特殊问题 电路的内部连接问题元器件之间的连接区域范围小 连接的器件复杂 膜器件 裸芯片 贴片器件等 器件的连接类型复杂 焊接 线键合 熔焊 造成电路可靠性差 寄生效应 电路布线和相邻元器件之间的寄生效应 寄生电容膜器件本身的寄生效应 厚膜电阻器的寄生效应 串联电感 分路电容和串联电阻厚膜电容器的寄生效应 损耗 串联电感 直流漏电 热集中问题集成电路的组装密度很大 各种耗散功率的元器件在单位面积上的发热量就很大 如果热量不能很快散发掉 从而使电路内部形成过热区或过热点 造成过大的热应力而使电路结构遭受破坏 或造成元器件性能恶化 混合集成电路的噪声噪声的主要来源 电阻器热噪声和电流噪声有源器件 包括晶体二极管 热噪声 散粒噪声 1 f噪声 1 厚膜混合集成电路的基本工艺过程 工艺步骤 用厚膜技术制作出无源元件及其互连线 将片式元器件用聚合物粘结剂或用焊锡粘贴到基片上 将基片