厚膜混合集成电路

中北大学微米纳米技术研究中心MicroandNanoTechnologyResearchCenter,NorthUniversityofChina,Taiyuan,Shanxi,030051授课教师:何常德(电子与计算机科学技术学院)Tel：[phone](O)E-mail:[e-mail]厚薄膜混合集成电路参考书目※《混合微电路技术手册-材料、工艺、设计试验和生产》.[美]JamesJ.LicariLeonardR.Enlow著.电子工业出版社，2004年※《半导体制造工艺基础》.施敏.安徽大学出版社，2005年※《硅集成电路工艺基础》.关旭东，北京大学出版社，2003年课程学习目的和内容★了解什么是混合电路和混合电路工艺技术研究的主要内容；􀂄★对混合电路的发展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识.★初步掌握厚膜电路及厚膜工艺、薄膜电路及成膜方法、电阻阻值的调整方法以及各种组装方法（包括粘接、互连、清洗、涂覆、真空焙烤、密封和封装）。对混合微电路技术所涉及的相关知识和学科领域有一个较为系统、全面的认识；★为今后更加深入地学习混合微电路等方面的相关知识奠定基础。课程学习目的和内容★掌握半导体制造工艺（半导体集成电路基础）的主要内容（1）晶体生长；（2）硅的氧化；（3）光刻；（4）刻蚀；（5）扩散；（6）离子注入；（7）薄膜淀积；（8）工艺集成；（9）集成电路封装技术；本课程与其它课程的关系固体物理学半导体物理材料工艺器件集成电路微机电器件电子信息系统量子力学统计物理学IC工艺MEMS工艺共同之处集成电路（混合微电路）设计需要的知识范围•1)系统知识——计算机/通信/信息/控制等学科•2)电路知识——模拟/数字/模数混合/RFIC/MMIC•3)工具知识——任务和内容→相应的软件工具（SPICE/HDL/Cadence）•4)工艺知识——元器件的特性和模型/工艺原理和过程第一章引言1.1微电子材料分类1.2工艺分类1.3混合电路的定义和特性1.4应用§1.1微电子材料分类根据材料所具有的导通和阻止电流的能力导体：容易导电的物体。导体容易导电是因为它们有很多和能自由移动的电子。电导率是自由电子数量和迁移率的函数。绝缘体：不容易导电的物体。价电子被紧紧束缚，不能自由移动。共价键（被共享的电子）将原子束缚在一起。这种键有很高的键合强度。半导体：电导率位于导体和绝缘体之间的材料。其电阻率范围几Ω•㎝到105Ω•㎝。※1.1.1导体导体的特性：导电性好（电阻率低：ρ＜10-3Ωcm，例：ρCu：10-6Ωcm)；正的电阻温度系数（TCR）；TCR：随温度的升高，电阻率增加。然而高电导率的导体（Al、Ag、Au），在电路测试或使用温度（25～150℃）范围内，这种效应不太明显。导体材料：金属，位于周期表中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ族。典型的金属：Au、Ag、Cu（Ⅰ族元素）※1.1.1导体图1-1金属电阻率与温度的关系※1.1.2绝缘体特性：电阻率高一ρ＞109Ωcm具有负TCR（ρ随温度增加而下降）；优良的绝缘体材料：塑料、橡皮、陶瓷、玻璃、蓝宝石、金属氧化物/氮化物等。位于周期表中的Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ族。陶瓷的电阻率（负TCR）※1.1.2绝缘体主要用途：基片--将电阻、电容和金属导体做在它的上面。衬底--在其内部产生半导体、电阻和导体区域（IC）。钝化层--保护有源电路免受湿气和其它苛刻环境的损坏。※1.1.3半导体半导体特性：电阻率ρ介于导体和绝缘体之间；具有有负的电阻温度系数；掺入杂质可以改变其电阻率；半导体：10-2Ωcm＜ρ＜109Ωcm例：ρGe=0.2ΩcmTR半导体绝缘体电阻温度系数※1.1.3半导体在每立方厘米的硅材料中掺入1020个原子的载流子，其电导率趋于纯粹的金属。本征半导体：通过提高温度或施加强电场产生半导体特性的材料。N型半导体：具有多余电子的半导体。P型半导体：产生空穴的半导体。载流子浓度对硅电阻率的影响§1.2微电子学的分类（工艺）单片集成电路（裸片形式或封装好）混合微电路或多芯片模块印刷线路组件标准电子模块或标准航空模块★混合电路的薄膜和厚膜的沉淀工艺也能用于微电路★在以上四种主要分类中，也有共同的工艺。如金属溅射和气相对于IC制造和混合电路制造基本上采用相同的工艺注意§1.3混合电路的定义和特性采用混合技术（半导体技术、厚膜技术、薄膜技术）制造的集成电路。混合集成电路之所以叫“混合”电路是因为一种结构内组合两种及以上不同的工艺技术。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。定义※1.3.1类型和特性薄膜IC：金属化膜层是用真空蒸发沉积的，膜厚可达30Å或2500Å厚膜IC：金属化膜层是在基片上用丝印和烧成导体和电阻浆料方法，膜厚范围几μm~几十μm。厚薄膜混合IC：混合集成电路分类※1.3.1类型和特性薄膜和厚膜混合组装的剖面图※1.3.2与印刷电路版比较混合电路的优点：►体积小、重量轻，可以用到飞机和空间技术中。（比等效的印刷电路重量轻10倍，体积小4~6倍）►互连线少，与印刷电路版相比得到很大改善。►精度高。►导热性能好。►电路路径短、更细更精确的导线线宽和间隔，减小了寄生电容和电感，更适合于高频、高速应用的场合。※1.3.2与印刷电路版比较在TO封装中的小型混合微电路※1.3.2与印刷电路版比较中等密度薄膜混合电路※1.3.2与印刷电路版比较采用分层次键合，容纳1700多根焊线,具有9层导体，8mil线间间距和5600个通孔的高密度滤波用厚膜混合电路陶瓷印刷电路卡※1.3.3与单片集成电路比较混合电路的优点：►设计灵活，适合于小到中批量生产的不同类型电路。►混合电路的修改比IC更容易、更快速、成本更低。►周期短，能尽快投产。►可选用高性能元器件（基片和外贴元器件），例如±0.1%电阻器、±0.1%电容器、低TCR齐纳二级管。►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，便于合理的成品率生产复杂的电路，并且允许适当的返修。※1.3.4与多芯片模块比较多芯片模块（MCM）：材料和工艺已被精练和扩展从而使电性能、密度至少增加一个数量级的新一代的混合微电路。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。※1.3.4与多芯片模块比较IBMpower5处理器用MCM技术集成了8个芯片多层闪存无线存储器使用MCM技术在8*11mm的封装体内实现1Gb的RAM混合电路被采用的主要原因：与标准的印刷电路相比提高了可靠性和缩小了体积。§1.4应用•商业：计算机、示波器、电视机、医用•军事：导弹、卫星、直升飞机、舰艇设备商业上的应用混合电路医用电子学计算机工业电测设备A/D变换器示波器混合电路A/D变换器薄膜数据采集混合电路16位模拟/数字变换器商业上的应用汽车调节器混合微电路模块汽车点火器电路通讯接口电路微弱信号检测微电路模块在负载控制器混合电路中，并入了内部熔断器，混合电路使用三个平行的1mil的金线与输入电源串联。这种内部的熔断器保护了宇宙飞船飞行器的线路，且进一步减轻了它的总重量。军事上和空间上的应用航天飞机用的功率混合电路功率电路的应用高性能电流调整扭矩控制器500W的运算放大器电源变换器混合电路※1.4.3功率电路的应用3相马达驱动器专用功率混合电路H桥马达驱动器本章小结了解导体、绝缘体、半导体的概念，掌握混合电路的定义和优缺点。了解印刷电路、单片集成电路、和多片集成电路的优缺点及各自应用领域。本章小结了解导体、绝缘体、半导体的概念，掌握混合电路的定义和优缺点。了解印刷电路、单片集成电路、和多片集成电路的优缺点及各自应用领域。