发布时间：2021-05-12所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：混合集成技术是一种将零级封装直接组装封装为1～3级封装模块或系统，以满足航空、航天、电子及武器装备对产品体积
摘要：混合集成技术是一种将零级封装直接组装封装为1～3级封装模块或系统，以满足航空、航天、电子及武器装备对产品体积小、重量轻、功能强、可靠性高、频率宽、精密度高、稳定性好需求的高端封装技术。从20世纪70年代至今，混合集成技术历经了从厚薄膜组装到多芯片组件(MCM)、系统级封装(SiP)、微系统集成等阶段。它始终专注于微观器件与宏观器件的联结，是一种融合设计、材料、工艺、工程、实验的多学科持续创新技术。通过分析研究不同时期混合集成技术的工艺特征、技术要点和典型产品，通过归纳与总结首次提出混合集成技术代际划分，同时根据不同代际的技术特征与趋势，对下一代混合集成技术的发展方向进行预测。
关键词：混合集成电路;混合集成技术;厚薄膜工艺;微系统;代际
0引言
混合集成电路(HIC)原定义是由半导体集成工艺与厚膜(包括LTCC/HTCC，下同)/薄膜工艺结合而制成的集成电路，按GJB-2438《混合集成电路通用规范》：“由两个或两个以上下列元件的组合，并且其中至少有一个是有源器件：(a)膜集成电路;(b)单片集成电路;(c)半导体分立器件;(d)片式、印刷或淀积在基片上的无源元件。”[1]混合集成技术即为实现混合集成电路的技术。相对于单片集成电路，它设计灵活，工艺方便，便于快速研制、多品种小批量生产;并且其元件参数范围宽、精度高、稳定性好，可以承受较高电压和较大功率。但随着基于硅基TSV技术引发的3DIC变革、日渐成熟SoC技术领域快速扩张、PCB级产品的组装密度和可靠性提升、低成本和商业化消费电子的突飞猛进，混合集成电路传统优势不断被挑战，所以混合集成技术也在不断进步和发展，已远超出厚薄膜电路范畴，但也带来了涵义和内容的模糊化。第一、二代混合集成技术已经建立从设计、材料、工艺到后续封装、试验、应用等十分完善的技术体系，其典型指标(线宽/线间距、多层层数、I/O密度)基本稳定;而三、四代技术(功能一体化封装、3D组装、微纳组装)正在突飞猛进。为了迎合不断发展的信息装备小型化、轻量化、高速化、多功能化的市场需求，混合集成技术也在升级换代，以更好地发挥灵活、快速、低成本、实用性强的技术优势。混合集成技术是电子技术的一个分支，工艺技术与产品应用本身具有一体两面性，所以混合集成的代际发展与电子科技的五次技术浪潮[2](微电子学、射频/无线、光电子学、MEMS、量子器件)两者相辅相成，互相促进形成今天的电子行业。
1混合集成电路技术代际发展
混合集成技术本质上是一种高集成度、高性能和高可靠的先进封装技术，它由设计、仿真、集成、制造、检测技术构成，自20世纪60年代以来，形成了一、二、三代技术，并正向第四代发展。通过混合集成技术可以有效地解决一、二、三代半导体材料不兼容问题;解决运算、存储、射频、光电、MEMS、传感等半导体工艺不兼容问题;大幅提升产品质量与寿命，是有源、无源器件和功能器件实现高密度、小型化与高可靠的一体化封装手段。
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总的来说，混合集成技术的发展历程是功率密度、组装密度、集成密度、功能性、可靠性等不断发展提升的过程;也是实现代表品种不断推陈出新，功能提升再提升的过程，更是满足不同时期高新武器装备需求的过程。
1.1第一代混合集成电路技术
20世纪六七十年代开始，由于军事和宇航工业领域的迫切需求，在厚薄膜电路的基础上，开展了基于厚薄膜基板的混合集成电路研制，以实现电子设备的微型化。混合集成电路(HIC)就是来源于该形态，指以厚薄膜基板为承载，在基板上集成阻容器件，然后将其他分立无源元件和有源元件芯片(主要是成品)进一步组装到基板上形成的电路。第一代混合集成电路的整体特征可以归结为成品芯片、非气密封装、焊接工艺、有源和无源混装等特点。第一代混合集成电路相对当时的单片封装具有较大提升，而且建立了早期混合集成电路的基本特征。第一代混合集成代表产品有点火器、电源等，典型性能是：功率密度约为5W/in3，组装密度为40IO/cm2，使用寿命为10年左右。由于处于可靠性技术建立初期，体系化的可靠性技术未建立，也没有气密性封装要求。第一代产品相对同时期其他封装，具有集成度高、功率大、体积小的特征。目前依然有少量民品供应商采用第一代混合集成电路技术生产加热、点火、传感等功率或特种电路产品。图1所示为第一代混合集成技术代表产品HLSDC-DC变换器[3]。
1.2第二代混合集成技术
第一代混合集成技术满足了当时的需求，但在集成密度和可靠性上优势不明显，在其基础上结合裸芯片组装工艺和金属气密封装工艺的发展，混合集成电路开始向第二代转变。第二代混合集成电路产品出现在20世纪80年代，发展于90年代、成熟于21世纪初期;采用的典型工艺有多层厚膜基板、裸芯片组装、多芯片焊接、金丝/铝丝键合、激光无源/有源调阻、气密封装等。主要是通过厚薄膜工艺进步实现线宽/线间距降低、布线层数的大幅增长;采用裸芯片工艺减少组装面积;采用全金属气密封装提升可靠性。典型产品(如DC/DC变换器)功率密度约为43W/in3，组装密度为200IO/cm2，使用寿命约为18年。
1.2.1多层厚膜基板技术
随着介质及通孔材料的发展，厚膜(含LTCC/HTCC)由单层布线向厚膜多层布线发展，通过叠层交联、通孔填充等技术实现了多层电路的互联，同时导体的线宽/线间距大幅下降，部分工艺与半导体工艺技术同步发展。通过多层厚膜技术发展为后续裸芯片组装等打下基础。通常在二代混合集成技术体系中表面印刷厚膜可以满足10层布线;线宽/间距100μm/100μm;LTCC/HTCC厚膜满足50层布线;线宽/间距75μm/75μm、通孔直径75μm。
1.2.2裸芯片组装技术
裸芯片是封装的最小尺寸，采用裸芯片直接组装可以大幅减少组装面积，提升组装密度，从而减小产品的尺寸及重量。尤其是多个裸芯片贴装及键合到一个腔体内效果更加显著，混合集成技术正是由于引入具有最小芯片体积的裸芯片而得到了快速的发展及应用。通常在二代混合集成技术体系中采用裸芯片组装比采用成品器件可以减少50%面积和70%的重量。
1.2.3多芯片焊接技术
由于混合集成技术核心是有源和无源的一体化封装，内部器件相对较多，组装工艺要求高。裸芯片多芯片焊接以及基板和芯片多层一次焊接技术是重要工艺;通过采用热风回流焊、推板回流焊、红外回流焊等，可以满足多芯片焊接要求，实现关键器件75%以上焊接面积;结合陶瓷基板高导热系数对产品的功率密度提升显著。难点是基板类器件与芯片类器件之间的体积差大于100倍，不同基板导热系数差距大于10倍;再加上焊料厚度差异和可观的一次焊接数量，都对混合集成的焊接提出苛刻要求;所以多芯片多器件多层一次焊接是二代混合集成技术代表性技术之一。
1.2.4金丝/铝丝键合技术
金丝热压超声键合和铝丝超声键合是与裸芯片工艺配套的工艺技术，二代混合集成重点是通过设备和工艺优化在混合集成电路中实现多芯片键合参数的兼容性，多线径、金丝/铝丝、楔焊/球焊的集成，通过25～500μm这种宽范围的线径，基本覆盖了产品内部互联的需求，大幅提升了混合集成技术的灵活性与兼容性，是技术能力重要体现之一。通常在二代混合集成技术体系中键合工序为关键工序，采用SPC统计过程控制，CPK>1.33。
1.2.5激光无源/有源调阻技术
在二代混合集成技术中一般采用激光代替砂轮或喷砂方式调阻，提高了效率和精度，提升了技术适应性。更加重要的是混合集成产品内部的厚膜电阻是集成在基板上的，不用披釉和封装，可以进行二次调阻;所以激光有源调阻在产品组装完成后进行二次修调，通过对产品加电同时对预设电阻进行精密修调，可以直接改变产品参数精度，进一步消除了各分立器件波动误差形成的累积误差，降低了因裸芯片无法全性能测试和元器件自身精度范围对最终产品的影响，是集成器件数量大幅提升同时保障最终产品一致性的关键。通常二代混合集成产品的输出精度可以修调至电压2‰、电流5‰、频率5‰。
1.2.6全金属气密封装技术
随着混合集成电路应用于各种苛刻的环境，对于可靠性要求不断提高，并需要满足小型化导热、防潮、抗震需求，气密性封装成为混合集成技术标准工艺之一，尤其是全金属气密封装几乎是二代混合集成电路的标准配置。主要封口方式有：平行缝焊、储能焊、锡封焊等;气密封装为裸芯片等内部器件提供了良好环境，是产品长期可靠性的重要保障;并且满足了机械支撑和质量追溯的要求。通常在二代混合集成技术体系中密封性要达到R1≤5×10-3Pa·cm3/s(He)内部水汽含量<5000ppm，这是产线重要能力指标[4]。
1.2.7混合集成技术标准建设
随着第二代混合集成技术的发展，我国的混合集成技术发展迎来了重要里程碑——GJB2438-1995《混合集成电路通用规范》发布实施，其中明确规定了K、H等产品质量保证等级，尤其是H级军标工艺基线奠定混合集成发展的基石。随后于2003年又发布了GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》，再一次把混合集成的内涵和定义明确阐述。
第二代混合集成技术开始普遍采用EDA软件进行设计和辅助生产，也开展了部分类型的仿真和产品数字化，这也是二代产品的特征之一。同时在设备数控化、生产线贯标、筛选检验等方面都建立了完善的体系，自二代混合集成电路技术真正形成了一套流程化、规范化、制度化的体系。部分代表产品如图2所示。
第二代混合集成技术依然是当前混合集成技术的主要技术组成，其产品占据混合集成的主流，大量应用于高可靠的功率电路、精密电路、其他电路等，仅其代表产品军用DC/DC及滤波器、脉宽调制器、基准源和精密变换器的年产量已超过50万只，在民品方面汽车控制、IGBT等用量更是极大。并且由于其典型性特征，第二代混合集成往往被认为是混合集成的全部，这是外界的误解。但是不可否认二代混合集成技术奠定了技术特征，目前依然广泛应用于市场上各类产品，未来也将是新代际混合集成的重要组成。
1.3第三代混合集成技术
随着武器装备发展需求的不断提升，混合集成技术向着多工艺融合、更高密度集成、高频高效、一体化和高可靠发展，进而产生第三代混合集成技术。第三代混合集成产品发展于21世纪初期，目前已相对成熟。其主要特征表现为MCM-C/D多层布线、一体化封装、射频与MEMS器件、梯度温度焊接、金带/铝带键合、激光气密封装、数字化设计仿真、K级生产过程控制和超长储存寿命等。产品的典型参数有功率密度约为75W/in3，组装密度达到500IO/cm2，使用寿命可以达到到32年[5]。
1.3.1MCM-C/D一体化封装技术
LTCC/HTCC与薄膜工艺结合作为封装载体，可以实现多层布线与高密度互连布线融合，同时也有利于制作各种不同用途的腔体。这样形成的一体化封装实现了高密度集成、寄生电容和电感减少、信号耗损减少，有利于信号的高速传输，并改善其高频性能[6]，最终实现更高的密度、更强的功能、更多的I/O、更低的功耗、更小的延迟、更快的速度的系统性能[7]。陶瓷一体化封装的尺寸相对全金属气密封装可以减少30%以上，这类封装已经大量应用到无线通信、雷达、卫星通信方面，例如美国F-22战斗机有源电扫阵列由采用LTCC制作的2000个低功率X波段收/发(T/R)组件构成[8]。
1.3.2射频与MEMS器件
第三代混合集成技术重要需求之一是射频与MEMS产品。射频芯片(RadioFrequency，RF)是能发射高频交流变化电磁波的芯片，它具有功率大、频率高、对组装界面敏感等特征，一般采用二、三代半导体材料，表面有空气桥构件等，它与功分器、放大器、环形器共同组成射频电路。微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)是集成了电子电路和机械部件的微型系统，将处理热、光、磁、化学、生物等新兴结构和器件通过微电子工艺及其他微加工工艺制造在芯片上，并通过与电路的集成和相互间的集成来构筑复杂的微型系统，它与运算、存储、通信器件共同组成MEMS电路。这类功能性裸芯片因其自身特征，芯片须采用表面非接触组装、低空洞焊接、低应力粘接、高精度组装等工艺保障最终性能。通常在三代混合集成技术体系中可以覆盖100GHz以下的频率要求，组装精度可以达到3σ±15μm。
1.3.3梯度温度焊接技术
采用工艺温度由高到低方式进行产品组装是通用性工艺要求，也是业界的共识;但是由于混合集成技术面向的是大量有源和无源器件在一个封装体的集成，而且器件种类多，封装结构复杂;研制生产又是小批量、多品种模式，所以梯度温度焊接作为一种保障可实施性和组装合格率的重要手段，被作为三代混合集成的重要手段，一般会采用280℃、230℃、183℃三个梯度，结合共晶焊、回流焊以及新的焊接工艺如真空热风回流焊、真空气相回流焊等，能够有效保障特定芯片5%以下空洞率要求的保障。焊接层级达到4～5层，焊接器件大于300个。
1.3.4金带/铝带键合技术
带状键合不是三代发展的技术，但是在三代开始普遍应用。随着产品功率与电流的增长，对于互连线的截面积要求大幅提升，而芯片厚度却在不断下降、芯片材质也有调整、导体和镀层厚度无法大幅提升。丝状键合在承流能力、弧度、高度、键合压力方面都已经不适应需求变化。结合新的工艺设备、检验能力提升，金带/铝带键合成为三代混合集成的通用工艺之一。虽然由于其形状限制，键合带相对键合丝方向灵活性较差，但它可以在键合界面不用大幅调整的情况下，通过增加键合面积达到低压力、大功率、低弧度、多层互联的目的。进一步说，由于带相对丝来说有更好的接触面和更小的转弯角，可以实现多芯片连续键合、多层复合键合、包裹键合等。通常在三代混合集成技术中铝带键合通流可以达到100A，金带宽度大于200μm。
1.3.5激光气密封装技术
由于三代混合集成电路的封装体材质、形状、尺寸和应用有较大调整，因此常规的平行缝焊等无法完全满足，采用激光缝焊成为通用工艺之一。例如铝或者铝硅材质的封装体，必须采用激光方式。异性构件的封装体越来越多，增加的加强筋和多面体必须采用激光封装。还有激光局部加热锡封工艺，以及激光加强封口工艺等。激光气密封装还包括激光检漏等新式无损检漏手段。通常在三代混合集成技术体系中激光封焊的气密性可以达到R1≤5×10-5Pa·cm3/s(He)，封装尺寸达到200mm×200mm。
1.3.6数字化设计与仿真技术
随着混合集成技术的发展，内部器件和互联数量急剧提升，而且其采用的元器件、原材料和结构范围广、灵活度大，同时又是多品种、小批量生产，产品既要高可靠又无法进行大量产品反复验证，所以数字化设计与仿真的重要性越来大。三代混合集成技术一般需要采用基于基线和IP核的数字化的设计理念和科学的过程控制;产品的一次研发成品率、直通率、批次/批量合格率等，也成为三代混合集成线体的重要指标之一。混合集成自二代生产基本实现了生产的数控化，大幅提升了产品一致性和合格率，在三代混合集成时由于元器件数量大幅增加(二代上限200只器件，三代可以达到1000只)、互联关系增长显著，部分工序必须实施自动化生产，例如贴片、键合等只有采用自动化方可保障产品质量。——论文作者：朱雨生1，施静2，陈承1
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