薄厚膜混合集成电路

生产实习报告课题厚薄膜技术班级050912指导教师张显薄厚膜生产实习报告一、引言集成电路是微电子技术的一个方面，也是它的一个发展阶段。微电子技术主要是微小型电子元件器件组成的电子系统。集成电子则是为了完成电子电路功能，以特定的工艺在单独的基片之上(或之内)形成无源网络并互连有源器件，从而构成的微型电子电路。随着半导体技术，小型电子元器件及印制板组装技术的进步，电子技术在近年来取得了飞速发展。然而，过多的连线。焊点和接插件严重地阻碍了生产率和可靠性的进一步提高。此外，工作频率和工作速度的提高进一步缩短信号在系统内部的传输延迟时间。所以这些都要求从根本上改革电子系统的结构和组装工艺。集成电路工艺是把电路所需要的晶体管、二极管、电阻器和电容器等元件用一定工艺方式制作在一小块硅片、玻璃或陶瓷衬底上，再用适当的工艺进行互连，然后封装在一个管壳内，使整个电路的体积大大缩小，引出线和焊接点的数目也大为减少。集成的设想出现在50年代末和60年代初，是采用硅平面技术和薄膜与厚膜技术来实现的。集成电路大体上可分为两大类：半导体集成电路和混合集成电路，而混合集成电路又可分为两种，一种是薄膜混合集成电路，它是应用真空喷射法的薄膜技术制造。另一种是厚膜集成电路，是应用丝网印刷厚膜技术制造。所谓薄膜是指1μm左右的膜层厚度，厚膜是指10～25μm的膜层厚度，无论是薄膜还是厚膜都有各自的优点。比如说，薄膜技术，不论是有源元件还是无源元件都是根据其各自的技术特点直接加工成集成电路。但现在厚膜技术还不能把有源元件直接加工到电路上，因此，只好把这些元件进行焊接，随着今后研究工作的进展是会实现直接加工的。此外，就成本而言，厚膜比薄膜要低得多，利用丝网印刷方法形成导体及厚膜电阻、电容，与用薄膜形成技术制作的电阻、电容器比较，用厚膜技术制造容易，可靠性好，而且所需生产设备投资少。本次生产实习过程中，我们主要学习厚膜集成电路原理，实际动手实施了厚膜集成电路的工艺流程，并了解了薄膜集成电路的原理与工艺。二、厚膜集成电路1、厚膜集成电路简述厚膜混合集成电路是在80年代中期出现的。1945年美国Centralab公司为迫击炮弹近炸引信生产了小型的振荡放大电路，该电路使用陶瓷基片。上面敷设银导体和电阻，再焊上小型电子管，成为厚膜混合电路的雏形。1950年出现了网印电阻、电容片．1959年美国DuPoint公司首先成功制成了金属陶瓷电阻浆料(钯——银系电阻浆料)，同时提出在A1203陶瓷基片上进行印刷的方案，至此，厚膜混合集成电路已基本定型．也正是从上世纪六十年代开始，厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广，精度和稳定度高、电路设计灵活性大、研制生产周期短、适合于多种小批量生产等特点，与半导体集成电路相互补充、相互渗透，业已成为集成电路的一个重要组成部分。广泛应用于电控设备系统中，对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。虽然在数字电路方面，半导体集成电路充分发挥了小型化、高可靠性、适合大批量低成本生产的特点，但是厚膜混合集成电路在低噪声电路，高稳定性无源网络，高频线性电路，高精度线性电路，微波电路，高压电路，大功率电路，模数电路混合等许多方面，都保持着优于半导体集成电路的地位和特点。随着技术的发展，厚膜混合集成电路使用范围日益扩大，主要应用于航天电子设备、卫星通信设备、电子计算机、通讯系统、汽车工业、音响设备、微波设备以及家用电器等。由此可见，厚膜混合集成电路业已渗透到许多工业部门。在欧洲，厚膜混合集成电路在计算机中的应用占主要地位，然后才是远程通信、通讯、军工与航空等部门。而在日本，消费类电子产品大量采用厚膜混合集成电路。美国则主要用于宇航、通讯和计算机。其中以通讯所占的比例最高。在彩电行业，厚膜电路一般用作功率电路和高压电路，包括开关稳压电源电路、视放电路、帧输出电路、电压设定电路、高压限制电路、伴音电路和梳状滤波器电路等。在航空和宇航行业，厚膜混合集成电路由于其结构和设计的灵活性、小型化、轻量化、高可靠性、耐冲击和振动、抗辐射等特点，在机载通信、雷达、火力控制系统、导弹制导系统以及卫星和各类宇宙飞行器的通信、电视、雷达、遥感和遥测系统中获得大量应用。在军工行业，厚膜电路一般用作高稳定度、高精度、小体积的模块电源，传感器电路，前置放大电路，功率放大电路等。在汽车行业，厚膜电路一般用作发电机电压调节器、电子点火器和燃油喷射系统。在计算机工业，厚膜电路一般用于集成存储器、数字处理单元、数据转换器、电源电路、打印装置中的热印字头等。在通讯设备中，厚膜混合集成压控振荡器、模块电源、精密网络、有源滤波器、衰减器、线路均衡器、旁音抑制器、话音放大器、高频和中频放大器、接口阻抗变换器、用户接口电路、中继接口电路、二／四线转换器、自动增益控制器、光信号收发器、激光发生器、微波放大器、微波功率分配器、微波滤波器、宽带微波检波器等。在仪器仪表及机床数控行业，厚膜混合集成电路一般用于各种传感器接口电路、电荷放大器、小信号放大器、信号发生器、信号变换器、滤波器、IGBT等功率驱动器、功率放大器、电源变换器等。在其它领域，厚膜多层步线技术已成功用于数码显示管的译码、驱动电路，透明厚膜还用于冷阴极放电型、液晶型数码显示管的电极。此外，厚膜技术在许多新兴的与电子技术交叉的边缘学科中也具有持续发展的潜力，有关门类有：磁学与超导膜式器件、声表面波器件、膜式敏感器件(热敏、光敏、压敏、气敏、力敏)、膜式太阳能电池、集成光路等。然而在过去，由于材料和工艺技术等各方面的局限，用厚膜工艺生产出来的产品的高频特性远不如薄膜工艺，所以厚膜产品一股用在中低频率。随着电子整机小型、轻量、多功能、高可靠化的要求日趋迫切，厚膜工艺和材料等各方面也朝商密度、大功率、高频化方向发展。人们相继开发了适合微波和RF电路应用的厚膜浆料、基板材料、介质材料和工艺。这些厚膜技术和材料日益成熟，加上厚膜工艺开发周期短，成本低，适合于大批量生产的特点，应用不断扩大。在上世纪90年代迅速发展的共烧陶瓷多芯片组件(MCM--C)，是厚膜技术的延伸与发展，是厚膜陶瓷工艺的体现。MCM--C的基板根据烧成温度的不同，分为高温共烧陶瓷(HTCC)基板和低温共烧陶瓷(LTCC)基板两种．低温共烧陶瓷技术的导体的电阻率较低，介质材料的高频性能好，工艺灵活，能满足各种芯片组装技术的要求，适合于在微波和RF电路应用。2、厚膜集成电路的特点从上世纪六十年代开始，厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广。精度和稳定度高。电路设计灵活性大。研制生产周期短。适合于多种小批量生产等特点，与半导体集成电路相互补充。相互渗透，业已成为集成电路的一个重要组成部分，广泛应用于电控设备系统中，对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。虽然在数字电路方面，半导体集成电路充分发挥了小型化。高可靠性。适合大批量低成本生产的特点，但是厚膜混合集成电路在许多方面，都保持着优于半导体集成电路的地位和特点：（1）低噪声电路，（2）高稳定性无源网络（3）高频线性电路，（4）高精度线性电路，（5）微波电路,(6)高压电路,(7)大功率电路(8)模数电路混合。随着半导体集成电路芯片规模的不断增大，为大规模与厚膜混合集成电路提供了高密度与多功能的外贴元器件。利用厚膜多层布线技术和先进的组装技术进行混合集成，所制成的多功能大规模混合集成电路即为现在和将来的发展方向。一块大规模厚膜混合集成电路可以是一个子系统，甚至是一个全系统。与薄膜混合集成电路相比，厚膜混合集成电路的特点是设计更为灵活、工艺简便、成本低廉，特别适宜于多品种小批量生产。在电性能上，它能耐受较高的电压、更大的功率和较大的电流。厚膜微波集成电路的工作频率可以达到4吉赫以上。它适用于各种电路，特别是消费类和工业类电子产品用的模拟电路。带厚膜网路的基片作为微型印制线路板已得到广泛的应用。3、厚膜电路的工艺流程根据电路图先划分若干个功能部件图,然后用平面布图方法转化成基片上的平面电路布置图，再用照相制版方法制作出丝网印刷用的厚膜网路模板。厚膜混合集成电路最常用的基片是含量为96％和85％的氧化铝陶瓷；当要求导热性特别好时，则用氧化铍陶瓷。基片的最小厚度为0.25毫米，最经济的尺寸为35×35～50×50毫米。在基片上制造厚膜网路的主要工艺是印刷、烧结和调阻。常用的印刷方法是丝网印刷。图一厚膜电路的工艺流程3.1设计及制板HIC的制造工艺首先从印制版图的设计开始．设计人员根据用户提供的原理电路图来设计出HIC用的印制板图。这项工作是应用计算机辅助设计来完成的。电路图形的平面化设计：逻辑设计。电路转换。电路分割。布图设计。平面元件设计。分立元件选择。高频下寄生效应的考虑。大功率下热性能的考虑。小信号下噪声的考虑。3.2丝网印刷1、厚膜集成电路丝网印刷工艺（1）基板有氧化铝瓷器、镁橄榄石瓷器、锆英石瓷器、董英石瓷器等。主要使用85%~96%的氧化铝陶瓷基板，是一种以三氧化二铝为主体的材料，有较好的传导性、机械强度和耐高温性。当要求导热性特别好时，则用氧化铍陶瓷。基片的最小厚度为0.25mm，最经济的尺寸为（35mm×35mm）~（50mm×50mm）。在基片上制造厚膜网路的主要工艺是印刷（主要是丝网印刷）、烧结和调阻。制作厚膜时应注意陶瓷板的材质、尺寸、粗糙度、翘曲以及表面的缺陷与污染等，并在净化间进行超声波清洗。（2）浆料有导体浆料、电阻浆料和绝缘浆料3种，浆料一般由贵金属和低熔点玻璃组成。制作浆料时要注意浆料的材质、粘度和膨胀系数等。印刷厚膜电路所使用的浆料，其成分有金、银、铂、钯等。上述金属粉末分散在有机树脂粘合剂中调成糊状，然后通过丝网印版印在陶瓷基板上。经高温烧制，有机树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯粹的贵金属，由于玻璃质的作用而密合在基板上。这层膜可作为厚膜线路、厚膜电阻、厚膜电容及半导体集成电路用的底层金属片。用银做导电材料其电阻是很低的，因此有时也使用银—钯、银—钯—铂的混合物做导电材料。为了在基板上形成电阻膜，所用的电阻材料主要是银、金、钯、铙等金属粉末。小型电容器的导电体、电极等是由重叠印刷法制造出来的。电极材料以铂—金、钯—金、银等为主体组成。常用浆料:银钯浆料的组成：导体料中含有的金属粉末，其中或其他合金。无机粘结剂为的无铋、低熔点、低粘度的玻璃陶瓷细粒。金属氧化物，一般占固体含量的，最佳配比为占导体物料、无机粘接剂及金属氧化物总含量的，氧化物在灼烧时与基板材料发生反应，形成尖晶石结构（）。合适的氧化物离子是，要求金属氧化物的粒度能适用于丝网印刷，最好。常用的有机介质有乙酸或丙酸的脂肪醇脂、萜烯类（如萜烯油、松节油）、乙基纤维素溶于松油醇中的溶液，较好的载体是由乙基纤维素及萜烯组成。将上述种物质按一定比例混合，经三辊研轧制成基浆料。可烧结导电浆料中的粘结剂大约在被全部烧去，当温度继续上升，玻璃软化、熔融，金属粉料烧结成膜，与基板有很好的粘结性。烧成膜的厚度为，一般为，膜层略有孔隙。典型的烧成曲线有条。除Ag、Ag-Pd导电浆料外，还有Ag/Pt、Ag/Pt/Pd等贵金属浆料。昆明贵金属研究所厚膜金导电浆料的主要技术指标为：烧结温度：850~950；附着力：热压金丝球焊后，超声铝丝焊接后；分辨率：0.1mm（线宽和间距）；电阻率：3.5-5.0M。这种厚膜导电浆料可制成薄而致密、导电性优良的导体。用于底层、层间，在焊接线采用金丝或硅铝丝的情况下也用于顶层。是适用于厚膜集成电路多层布线等用途的金导电浆料。（3）丝网印版的制作网框：印刷厚膜电路的丝网网框多采用硬铝及铝合金，网框规格一般为100mm×150mm和150mm×200mm。网框形状通常为矩形。丝网印刷厚膜电路的丝网多采用不锈钢丝网或尼龙丝网。一般电路印200~300目丝网；多层布线或要求精度更高时，可采用300目以上的丝网。感光胶：由于厚膜电路丝印要求得到较厚的墨膜(浆料膜)，所以要求使用能将光膜涂至20～30μm厚的感光胶，但显影后不得出现边缘缺陷。首先要选用合适的感光胶。要注意感光胶乳剂的种类、厚度、均衡性。由于厚膜IC网印要求得到较厚的墨膜（浆料膜），所以要求