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摘 要： 摘要：混合集成技術(shù)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(tǒng)，以滿足航空、航天、電子及武器裝備對產(chǎn)品體積
摘要：混合集成技術(shù)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(tǒng)，以滿足航空、航天、電子及武器裝備對產(chǎn)品體積小、重量輕、功能強(qiáng)、可靠性高、頻率寬、精密度高、穩(wěn)定性好需求的高端封裝技術(shù)。從20世紀(jì)70年代至今，混合集成技術(shù)歷經(jīng)了從厚薄膜組裝到多芯片組件(MCM)、系統(tǒng)級封裝(SiP)、微系統(tǒng)集成等階段。它始終專注于微觀器件與宏觀器件的聯(lián)結(jié)，是一種融合設(shè)計、材料、工藝、工程、實(shí)驗(yàn)的多學(xué)科持續(xù)創(chuàng)新技術(shù)。通過分析研究不同時期混合集成技術(shù)的工藝特征、技術(shù)要點(diǎn)和典型產(chǎn)品，通過歸納與總結(jié)首次提出混合集成技術(shù)代際劃分，同時根據(jù)不同代際的技術(shù)特征與趨勢，對下一代混合集成技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測。
關(guān)鍵詞：混合集成電路;混合集成技術(shù);厚薄膜工藝;微系統(tǒng);代際
0引言
混合集成電路(HIC)原定義是由半導(dǎo)體集成工藝與厚膜(包括LTCC/HTCC，下同)/薄膜工藝結(jié)合而制成的集成電路，按GJB-2438《混合集成電路通用規(guī)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(dǎo)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(shù)即為實(shí)現(xiàn)混合集成電路的技術(shù)。相對于單片集成電路，它設(shè)計靈活，工藝方便，便于快速研制、多品種小批量生產(chǎn);并且其元件參數(shù)范圍寬、精度高、穩(wěn)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(shù)引發(fā)的3DIC變革、日漸成熟SoC技術(shù)領(lǐng)域快速擴(kuò)張、PCB級產(chǎn)品的組裝密度和可靠性提升、低成本和商業(yè)化消費(fèi)電子的突飛猛進(jìn)，混合集成電路傳統(tǒng)優(yōu)勢不斷被挑戰(zhàn)，所以混合集成技術(shù)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展，已遠(yuǎn)超出厚薄膜電路范疇，但也帶來了涵義和內(nèi)容的模糊化。第一、二代混合集成技術(shù)已經(jīng)建立從設(shè)計、材料、工藝到后續(xù)封裝、試驗(yàn)、應(yīng)用等十分完善的技術(shù)體系，其典型指標(biāo)(線寬/線間距、多層層數(shù)、I/O密度)基本穩(wěn)定;而三、四代技術(shù)(功能一體化封裝、3D組裝、微納組裝)正在突飛猛進(jìn)。為了迎合不斷發(fā)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(shù)也在升級換代，以更好地發(fā)揮靈活、快速、低成本、實(shí)用性強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。混合集成技術(shù)是電子技術(shù)的一個分支，工藝技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)用本身具有一體兩面性，所以混合集成的代際發(fā)展與電子科技的五次技術(shù)浪潮[2](微電子學(xué)、射頻/無線、光電子學(xué)、MEMS、量子器件)兩者相輔相成，互相促進(jìn)形成今天的電子行業(yè)。
1混合集成電路技術(shù)代際發(fā)展
混合集成技術(shù)本質(zhì)上是一種高集成度、高性能和高可靠的先進(jìn)封裝技術(shù)，它由設(shè)計、仿真、集成、制造、檢測技術(shù)構(gòu)成，自20世紀(jì)60年代以來，形成了一、二、三代技術(shù)，并正向第四代發(fā)展。通過混合集成技術(shù)可以有效地解決一、二、三代半導(dǎo)體材料不兼容問題;解決運(yùn)算、存儲、射頻、光電、MEMS、傳感等半導(dǎo)體工藝不兼容問題;大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量與壽命，是有源、無源器件和功能器件實(shí)現(xiàn)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(shù)的發(fā)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(fā)展提升的過程;也是實(shí)現(xiàn)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(shù)
20世紀(jì)六七十年代開始，由于軍事和宇航工業(yè)領(lǐng)域的迫切需求，在厚薄膜電路的基礎(chǔ)上，開展了基于厚薄膜基板的混合集成電路研制，以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的微型化。混合集成電路(HIC)就是來源于該形態(tài)，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(jìn)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(jié)為成品芯片、非氣密封裝、焊接工藝、有源和無源混裝等特點(diǎn)。第一代混合集成電路相對當(dāng)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(chǎn)品有點(diǎn)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(shù)建立初期，體系化的可靠性技術(shù)未建立，也沒有氣密性封裝要求。第一代產(chǎn)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(yīng)商采用第一代混合集成電路技術(shù)生產(chǎn)加熱、點(diǎn)火、傳感等功率或特種電路產(chǎn)品。圖1所示為第一代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品HLSDC-DC變換器[3]。
1.2第二代混合集成技術(shù)
第一代混合集成技術(shù)滿足了當(dāng)時的需求，但在集成密度和可靠性上優(yōu)勢不明顯，在其基礎(chǔ)上結(jié)合裸芯片組裝工藝和金屬氣密封裝工藝的發(fā)展，混合集成電路開始向第二代轉(zhuǎn)變。第二代混合集成電路產(chǎn)品出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，發(fā)展于90年代、成熟于21世紀(jì)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(diào)阻、氣密封裝等。主要是通過厚薄膜工藝進(jìn)步實(shí)現(xiàn)線寬/線間距降低、布線層數(shù)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(chǎn)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(shù)
隨著介質(zhì)及通孔材料的發(fā)展，厚膜(含LTCC/HTCC)由單層布線向厚膜多層布線發(fā)展，通過疊層交聯(lián)、通孔填充等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多層電路的互聯(lián)，同時導(dǎo)體的線寬/線間距大幅下降，部分工藝與半導(dǎo)體工藝技術(shù)同步發(fā)展。通過多層厚膜技術(shù)發(fā)展為后續(xù)裸芯片組裝等打下基礎(chǔ)。通常在二代混合集成技術(shù)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(shù)
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(chǎn)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(nèi)效果更加顯著，混合集成技術(shù)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(fā)展及應(yīng)用。通常在二代混合集成技術(shù)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(shù)
由于混合集成技術(shù)核心是有源和無源的一體化封裝，內(nèi)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(shù)是重要工藝;通過采用熱風(fēng)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(shí)現(xiàn)關(guān)鍵器件75%以上焊接面積;結(jié)合陶瓷基板高導(dǎo)熱系數(shù)對產(chǎn)品的功率密度提升顯著。難點(diǎn)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(dǎo)熱系數(shù)差距大于10倍;再加上焊料厚度差異和可觀的一次焊接數(shù)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(shù)代表性技術(shù)之一。
1.2.4金絲/鋁絲鍵合技術(shù)
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(shù)，二代混合集成重點(diǎn)是通過設(shè)備和工藝優(yōu)化在混合集成電路中實(shí)現(xiàn)多芯片鍵合參數(shù)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(chǎn)品內(nèi)部互聯(lián)的需求，大幅提升了混合集成技術(shù)的靈活性與兼容性，是技術(shù)能力重要體現(xiàn)之一。通常在二代混合集成技術(shù)體系中鍵合工序?yàn)殛P(guān)鍵工序，采用SPC統(tǒng)計過程控制，CPK>1.33。
1.2.5激光無源/有源調(diào)阻技術(shù)
在二代混合集成技術(shù)中一般采用激光代替砂輪或噴砂方式調(diào)阻，提高了效率和精度，提升了技術(shù)適應(yīng)性。更加重要的是混合集成產(chǎn)品內(nèi)部的厚膜電阻是集成在基板上的，不用披釉和封裝，可以進(jìn)行二次調(diào)阻;所以激光有源調(diào)阻在產(chǎn)品組裝完成后進(jìn)行二次修調(diào)，通過對產(chǎn)品加電同時對預(yù)設(shè)電阻進(jìn)行精密修調(diào)，可以直接改變產(chǎn)品參數(shù)精度，進(jìn)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(chǎn)品的影響，是集成器件數(shù)量大幅提升同時保障最終產(chǎn)品一致性的關(guān)鍵。通常二代混合集成產(chǎn)品的輸出精度可以修調(diào)至電壓2‰、電流5‰、頻率5‰。
1.2.6全金屬氣密封裝技術(shù)
隨著混合集成電路應(yīng)用于各種苛刻的環(huán)境，對于可靠性要求不斷提高，并需要滿足小型化導(dǎo)熱、防潮、抗震需求，氣密性封裝成為混合集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部器件提供了良好環(huán)境，是產(chǎn)品長期可靠性的重要保障;并且滿足了機(jī)械支撐和質(zhì)量追溯的要求。通常在二代混合集成技術(shù)體系中密封性要達(dá)到R1≤5×10-3Pa·cm3/s(He)內(nèi)部水汽含量<5000ppm，這是產(chǎn)線重要能力指標(biāo)[4]。
1.2.7混合集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)
隨著第二代混合集成技術(shù)的發(fā)展，我國的混合集成技術(shù)發(fā)展迎來了重要里程碑——GJB2438-1995《混合集成電路通用規(guī)范》發(fā)布實(shí)施，其中明確規(guī)定了K、H等產(chǎn)品質(zhì)量保證等級，尤其是H級軍標(biāo)工藝基線奠定混合集成發(fā)展的基石。隨后于2003年又發(fā)布了GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》，再一次把混合集成的內(nèi)涵和定義明確闡述。
第二代混合集成技術(shù)開始普遍采用EDA軟件進(jìn)行設(shè)計和輔助生產(chǎn)，也開展了部分類型的仿真和產(chǎn)品數(shù)字化，這也是二代產(chǎn)品的特征之一。同時在設(shè)備數(shù)控化、生產(chǎn)線貫標(biāo)、篩選檢驗(yàn)等方面都建立了完善的體系，自二代混合集成電路技術(shù)真正形成了一套流程化、規(guī)范化、制度化的體系。部分代表產(chǎn)品如圖2所示。
第二代混合集成技術(shù)依然是當(dāng)前混合集成技術(shù)的主要技術(shù)組成，其產(chǎn)品占據(jù)混合集成的主流，大量應(yīng)用于高可靠的功率電路、精密電路、其他電路等，僅其代表產(chǎn)品軍用DC/DC及濾波器、脈寬調(diào)制器、基準(zhǔn)源和精密變換器的年產(chǎn)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(rèn)為是混合集成的全部，這是外界的誤解。但是不可否認(rèn)二代混合集成技術(shù)奠定了技術(shù)特征，目前依然廣泛應(yīng)用于市場上各類產(chǎn)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(shù)
隨著武器裝備發(fā)展需求的不斷提升，混合集成技術(shù)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(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生第三代混合集成技術(shù)。第三代混合集成產(chǎn)品發(fā)展于21世紀(jì)初期，目前已相對成熟。其主要特征表現(xiàn)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(shù)字化設(shè)計仿真、K級生產(chǎn)過程控制和超長儲存壽命等。產(chǎn)品的典型參數(shù)有功率密度約為75W/in3，組裝密度達(dá)到500IO/cm2，使用壽命可以達(dá)到到32年[5]。
1.3.1MCM-C/D一體化封裝技術(shù)
LTCC/HTCC與薄膜工藝結(jié)合作為封裝載體，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)更高的密度、更強(qiáng)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(tǒng)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(jīng)大量應(yīng)用到無線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信方面，例如美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)有源電掃陣列由采用LTCC制作的2000個低功率X波段收/發(fā)(T/R)組件構(gòu)成[8]。
1.3.2射頻與MEMS器件
第三代混合集成技術(shù)重要需求之一是射頻與MEMS產(chǎn)品。射頻芯片(RadioFrequency，RF)是能發(fā)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(dǎo)體材料，表面有空氣橋構(gòu)件等，它與功分器、放大器、環(huán)形器共同組成射頻電路。微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)是集成了電子電路和機(jī)械部件的微型系統(tǒng)，將處理熱、光、磁、化學(xué)、生物等新興結(jié)構(gòu)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(gòu)筑復(fù)雜的微型系統(tǒng)，它與運(yùn)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(yīng)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(shù)體系中可以覆蓋100GHz以下的頻率要求，組裝精度可以達(dá)到3σ±15μm。
1.3.3梯度溫度焊接技術(shù)
采用工藝溫度由高到低方式進(jìn)行產(chǎn)品組裝是通用性工藝要求，也是業(yè)界的共識;但是由于混合集成技術(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜;研制生產(chǎn)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(shí)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(jié)合共晶焊、回流焊以及新的焊接工藝如真空熱風(fēng)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(dá)到4～5層，焊接器件大于300個。
1.3.4金帶/鋁帶鍵合技術(shù)
帶狀鍵合不是三代發(fā)展的技術(shù)，但是在三代開始普遍應(yīng)用。隨著產(chǎn)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(zhì)也有調(diào)整、導(dǎo)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(jīng)不適應(yīng)需求變化。結(jié)合新的工藝設(shè)備、檢驗(yàn)?zāi)芰μ嵘饚?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(diào)整的情況下，通過增加鍵合面積達(dá)到低壓力、大功率、低弧度、多層互聯(lián)的目的。進(jìn)一步說，由于帶相對絲來說有更好的接觸面和更小的轉(zhuǎn)彎角，可以實(shí)現(xiàn)多芯片連續(xù)鍵合、多層復(fù)合鍵合、包裹鍵合等。通常在三代混合集成技術(shù)中鋁帶鍵合通流可以達(dá)到100A，金帶寬度大于200μm。
1.3.5激光氣密封裝技術(shù)
由于三代混合集成電路的封裝體材質(zhì)、形狀、尺寸和應(yīng)用有較大調(diào)整，因此常規(guī)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(zhì)的封裝體，必須采用激光方式。異性構(gòu)件的封裝體越來越多，增加的加強(qiáng)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(qiáng)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(shù)體系中激光封焊的氣密性可以達(dá)到R1≤5×10-5Pa·cm3/s(He)，封裝尺寸達(dá)到200mm×200mm。
1.3.6數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)
隨著混合集成技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)部器件和互聯(lián)數(shù)量急劇提升，而且其采用的元器件、原材料和結(jié)構(gòu)范圍廣、靈活度大，同時又是多品種、小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品既要高可靠又無法進(jìn)行大量產(chǎn)品反復(fù)驗(yàn)證，所以數(shù)字化設(shè)計與仿真的重要性越來大。三代混合集成技術(shù)一般需要采用基于基線和IP核的數(shù)字化的設(shè)計理念和科學(xué)的過程控制;產(chǎn)品的一次研發(fā)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(biāo)之一。混合集成自二代生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的數(shù)控化，大幅提升了產(chǎn)品一致性和合格率，在三代混合集成時由于元器件數(shù)量大幅增加(二代上限200只器件，三代可以達(dá)到1000只)、互聯(lián)關(guān)系增長顯著，部分工序必須實(shí)施自動化生產(chǎn)，例如貼片、鍵合等只有采用自動化方可保障產(chǎn)品質(zhì)量。——論文作者：朱雨生1，施靜2，陳承1
