《薄厚膜集成电路》.ppt
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1、薄薄/厚膜厚膜混合集成电路混合集成电路1 1整理整理pptppt参考教材:1.1.薄厚膜混合集成电路,国防工业出版社,薄厚膜混合集成电路,国防工业出版社,19821982,胡忠胥、,胡忠胥、梁瑞林等梁瑞林等2.2.厚薄膜混合微电子学手册,电子工业出版社,厚薄膜混合微电子学手册,电子工业出版社,20052005,TapanTapan K.Gupta K.Gupta3.3.混合微电路技术手册混合微电路技术手册材料、工艺、设计、试验和生产,材料、工艺、设计、试验和生产,电子工业出版社,电子工业出版社,20042004,James James J.LicariJ.Licari,Leonard,Leon
2、ard R.EnlowR.Enlow4.4.电子封装工程,清华大学出版社,电子封装工程,清华大学出版社,20032003,田民波编著,田民波编著5.5.电子产品制造技术,清华大学出版社,电子产品制造技术,清华大学出版社,20052005,王卫平主,王卫平主编编2 2整理整理pptppt课程内容:n n混合集成电路发展简史及应用实例混合集成电路发展简史及应用实例n n混合电路中常用数学模型及设计、布图规则混合电路中常用数学模型及设计、布图规则n n厚膜电路工艺原理、使用材料和制作流程厚膜电路工艺原理、使用材料和制作流程n n厚膜制造中的膜沉积技术厚膜制造中的膜沉积技术n n薄膜材料的性质及薄膜膜
3、沉积技术薄膜材料的性质及薄膜膜沉积技术n n电阻器阻值调整技术电阻器阻值调整技术n n分立元器件组装技术分立元器件组装技术n n封装技术及不同封装材料的性能封装技术及不同封装材料的性能n n多芯片模块介绍多芯片模块介绍n n混合电路可靠性试验及失效分析混合电路可靠性试验及失效分析3 3整理整理pptppt第一章 引言n n混合集成电路(混合集成电路(混合集成电路(混合集成电路(HICHIC)、半导体集成电)、半导体集成电)、半导体集成电)、半导体集成电路(路(路(路(ICIC)与分立元器件电路)与分立元器件电路)与分立元器件电路)与分立元器件电路 现代集成电路可分为半导体集成电路和现代集成电路
4、可分为半导体集成电路和厚薄膜混合集成电路两大类,再加上散厚薄膜混合集成电路两大类,再加上散装小型元器件的微型电路,统称为微电装小型元器件的微型电路,统称为微电子电路。子电路。4 4整理整理pptppt1.分立元器件电路 指电阻,电容,电感,晶体管等单一指电阻,电容,电感,晶体管等单一特征元件实体按照一定的电路形式,特征元件实体按照一定的电路形式,组成完成特定功能的实体。组成完成特定功能的实体。分立元器件电路分立元器件电路 有源音箱有源音箱5 5整理整理pptppt 分立元器件电路发射机体积大,能耗高,故障率高。现主要用于实验、教学中。“用分立元件造P4的话,大概有国家大剧院那么大”6 6整理整
5、理pptppt2.2.半导体集成电路(半导体集成电路(ICIC)也叫单片集成电路(也叫单片集成电路(monolithic ICmonolithic IC).其电路构建在单晶基片上,电路中含其电路构建在单晶基片上,电路中含有有源器件(晶体管、二极管等)、有有源器件(晶体管、二极管等)、无源元件(电阻、电容等)及它们之无源元件(电阻、电容等)及它们之间的互连导线,几乎所有的电路元器间的互连导线,几乎所有的电路元器件都是通过诸如外延生长、掩模杂质件都是通过诸如外延生长、掩模杂质扩散、氧化物生长、氧化物刻蚀、定扩散、氧化物生长、氧化物刻蚀、定义图形的光刻等这些工艺制造在基片义图形的光刻等这些工艺制造在
6、基片内。最后,内部接触用铝与内。最后,内部接触用铝与1%-2%1%-2%硅硅和和2%-4%2%-4%铜的合金做成。铜的合金做成。7 7整理整理pptpptIC可以从不同角度分类材料Si 集成电路(95%)绝缘体上硅(SOI)锗硅(SiGe)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)特征尺寸0.25 (深亚微米)0.18 (超深亚微米)906545Moore定律:定律:IC中晶体中晶体管的数目每隔两年就翻管的数目每隔两年就翻一番,芯片性能每一番,芯片性能每18个个月翻一番。月翻一番。8 8整理整理pptppt SOI的作用的作用解决闩锁效应解决闩锁效应9 9整理整理pptppt功能功能数字集成电路(
7、门电路、存储器、微处理器等)模拟集成电路(运算放大器、直流稳压电源、模-数)由于集成电路体积小,使电子运动距离大幅度缩小,因此速度极快且可靠性高,电子信息产品的很多核心功能都是通过集成电路来实现的。IC电路的优势仅当与其他集成电路、电阻器、电容器等以混合电路的形式实现集成时才能最佳化。1010整理整理pptppt3.混合集成电路(Hybrid IC)混合集成电路混合集成电路是一种将各种功能的片式器件在预先做好导体图案或导体与阻容组合图案的绝缘基片上进行电气互连的电路。之所以叫“混合”电路是因为它在一种结构内组合两种不同的工艺技术:有源芯片器件(半导体器件)和成批制造的无源器件(电阻器,导体等)
8、1111整理整理pptppt分立的片式元器件有晶体管、二极管、集成分立的片式元器件有晶体管、二极管、集成电路、片电阻和电容器;成批制造的元器件电路、片电阻和电容器;成批制造的元器件有导体、电阻器,有时还有电容器和电感器。有导体、电阻器,有时还有电容器和电感器。片式元器件是很小的没有包封的元器件。半片式元器件是很小的没有包封的元器件。半导体片式器件也叫裸芯片,尺寸范围从非常导体片式器件也叫裸芯片,尺寸范围从非常小(小(12mil12mil见方)的单个晶体管,到大至约见方)的单个晶体管,到大至约500mil500mil见方高密度的集成电路(见方高密度的集成电路(ICIC)广义来说,已封装好的元器件
9、用锡焊焊到印广义来说,已封装好的元器件用锡焊焊到印有互连导线的陶瓷基片上的电路也可认为是有互连导线的陶瓷基片上的电路也可认为是混合电路。混合电路。1mil=25.4 =0.0254mm1212整理整理pptppt 薄薄薄薄/厚膜混合集厚膜混合集厚膜混合集厚膜混合集成电路成电路成电路成电路:在基:在基片上用成膜方片上用成膜方法制作厚膜或法制作厚膜或薄膜元件及其薄膜元件及其互连线,并在互连线,并在同一基片上将同一基片上将分立的半导体分立的半导体芯片、单片集芯片、单片集成电路或微型成电路或微型元件混合组装,元件混合组装,再外加封装而再外加封装而成。按照制作成。按照制作互连基片工艺互连基片工艺的不同,
10、分为的不同,分为薄膜电路与厚薄膜电路与厚膜电路。膜电路。1313整理整理pptpptHICHIC可视为将厚薄膜技术、半导体技术和其可视为将厚薄膜技术、半导体技术和其他分立元器件技术相结合的不同的微电子元他分立元器件技术相结合的不同的微电子元器件的互连封装技术器件的互连封装技术在分类中,按互连基片的工艺可以分为薄膜在分类中,按互连基片的工艺可以分为薄膜和厚膜,但混合电路也可按它们的功能来分和厚膜,但混合电路也可按它们的功能来分类,如数字、模拟、射频微波功率电路类,如数字、模拟、射频微波功率电路HICHIC是将分立元器件组装在电路板上的传统是将分立元器件组装在电路板上的传统设计和单一单元或封装的单
11、片集成电路的中设计和单一单元或封装的单片集成电路的中间物。它最大的优势在于能够选择和混合不间物。它最大的优势在于能够选择和混合不同技术从而最大限度的满足实际需要同技术从而最大限度的满足实际需要HICHIC代表了可以将代表了可以将ICIC与各种分立元器件在适与各种分立元器件在适宜的基板上精密集成的先进分装理念宜的基板上精密集成的先进分装理念1414整理整理pptppt4.4.多芯片模块多芯片模块MCM(Multi Chip Module)MCM(Multi Chip Module)MCMMCM这一术语普遍被人们接受是在这一术语普遍被人们接受是在2020世纪世纪9090年代初。随着半导体集成电路技
12、术的进展,年代初。随着半导体集成电路技术的进展,出现超高速元件。若采用传统单个芯片封装出现超高速元件。若采用传统单个芯片封装的形式分别搭载在印制电路板上,则芯片之的形式分别搭载在印制电路板上,则芯片之间布线引起的电气信号传输延迟,跟芯片内间布线引起的电气信号传输延迟,跟芯片内部的延迟相比已不能忽略。因此,要实现电部的延迟相比已不能忽略。因此,要实现电子设备系统整体性能的提高变得越来越困难。子设备系统整体性能的提高变得越来越困难。而若将多块芯片同时搭载在陶瓷等高密度多而若将多块芯片同时搭载在陶瓷等高密度多层基板上实现整体封装,则可以大大缩短芯层基板上实现整体封装,则可以大大缩短芯片间的布线长度,
13、减小电气信号传输延迟,片间的布线长度,减小电气信号传输延迟,这便是产生这便是产生MCMMCM的背景。的背景。1515整理整理pptppt 将高集成度、高性能、高可靠性的集成电路将高集成度、高性能、高可靠性的集成电路裸芯片在高密度多层互连基板上用表面安装裸芯片在高密度多层互连基板上用表面安装技术组装成为多种多样的电子组件、子系统技术组装成为多种多样的电子组件、子系统或系统,称为多芯片组件。或系统,称为多芯片组件。n nMCMMCM将多块未封装的集成电路芯片高密度将多块未封装的集成电路芯片高密度安装在基板上构成一个完整的部件安装在基板上构成一个完整的部件n nMCMMCM还没有严格的定义,但由于还
14、没有严格的定义,但由于MCMMCM的魅的魅力,几乎每种电子模块都被吹嘘成力,几乎每种电子模块都被吹嘘成MCMMCMn nMCMMCM是混合微电路的延伸,差别只是在复是混合微电路的延伸,差别只是在复杂程度、密度和性能上有所不同。它实际上杂程度、密度和性能上有所不同。它实际上是材料和工艺已被精炼和扩展从而使电性能是材料和工艺已被精炼和扩展从而使电性能(如速度或密度)至少增加一个数量级的新(如速度或密度)至少增加一个数量级的新一代混合微电路一代混合微电路1616整理整理pptpptn nHIC,ICHIC,IC和分立元器件电路的优劣比较和分立元器件电路的优劣比较1.HIC1.HIC与分立元器件电路比
15、较与分立元器件电路比较HICHIC比等效的分立元器件电路重量轻比等效的分立元器件电路重量轻1010倍,倍,体积小体积小4646倍倍由于电阻器在基片上成批烧出,混合电路需由于电阻器在基片上成批烧出,混合电路需要的互连较少,可靠性比分立元器件电路有要的互连较少,可靠性比分立元器件电路有很大改善很大改善HICHIC电阻器可以静态或动态调整到精密的值,电阻器可以静态或动态调整到精密的值,故能制造出分立元器件电路不可能达到的高故能制造出分立元器件电路不可能达到的高精度电路精度电路为了散热,分立元器件电路的印刷电路板上为了散热,分立元器件电路的印刷电路板上必须用粘结剂粘上很重的散热板或使用金属必须用粘结剂
16、粘上很重的散热板或使用金属芯的电路板;芯的电路板;HICHIC的大功率器件可以直接装的大功率器件可以直接装在导热好的陶瓷基片上,大大提高了导热能在导热好的陶瓷基片上,大大提高了导热能力力HICHIC与分立元器件电路相比有更小的器件间与分立元器件电路相比有更小的器件间距,更精细的导线线宽和间隔,更小公差的距,更精细的导线线宽和间隔,更小公差的电阻器,使得寄生电容和电感减小,从而更电阻器,使得寄生电容和电感减小,从而更适合高频、高速应用场合。适合高频、高速应用场合。1717整理整理pptppt2.HIC2.HIC与与ICIC比较比较掩膜的开发,对贵重设备和专门净化掩膜的开发,对贵重设备和专门净化间
17、的需求及运行控制,使得对定制的间的需求及运行控制,使得对定制的ICIC仅在大量生产的前提下才是可行的;仅在大量生产的前提下才是可行的;HICHIC成本低,工艺灵活,适合小到中成本低,工艺灵活,适合小到中批量生产批量生产在设计中要求反复修改的电路,在设计中要求反复修改的电路,HICHIC比比ICIC更容易,更快速,更适合做定制更容易,更快速,更适合做定制电路电路最高的集成密度仅能由最高的集成密度仅能由ICIC获得,每个获得,每个ICIC芯片的电路功能密度比混合电路大芯片的电路功能密度比混合电路大几个数量级几个数量级HICHIC比比ICIC可选的元件参数范围宽,精可选的元件参数范围宽,精度高,稳定
18、性好,可以承受较高的电度高,稳定性好,可以承受较高的电压和较大的功率压和较大的功率1818整理整理pptppt混合电路相对于混合电路相对于分立元器件电路分立元器件电路的优点的优点体积小,重量轻体积小,重量轻电路路径短,寄生参数易控制电路路径短,寄生参数易控制由于组装简单和有功能微调能力,系统由于组装简单和有功能微调能力,系统设计更简单,致使系统成本降低设计更简单,致使系统成本降低由于连接少,金属间的界面少及更好的由于连接少,金属间的界面少及更好的抗冲击和振动能力,故有更高的可靠性抗冲击和振动能力,故有更高的可靠性由于混合电路是预先测试过的功能块,由于混合电路是预先测试过的功能块,系统容易测试,
19、故障追踪更容易系统容易测试,故障追踪更容易混合电路相对于混合电路相对于单片单片ICIC的优点的优点由于用于设计和工、模具的成本更低,由于用于设计和工、模具的成本更低,适合于中小批量产品生产适合于中小批量产品生产设计更改容易设计更改容易出样周期短,能尽快投产出样周期短,能尽快投产可选用高性能元器件(基片和外贴元件)可选用高性能元器件(基片和外贴元件)能将不同工艺的元器件混合组装,使设能将不同工艺的元器件混合组装,使设计灵活性更好计灵活性更好允许返工,便于以合理的成品率生产复允许返工,便于以合理的成品率生产复杂的电路,并允许适当的返修杂的电路,并允许适当的返修混合电路的优点混合电路的优点1919整
20、理整理pptppt3.HIC与MCM的比较多芯片模块(MCM)实际上也是混合电路,只是由于要从VLSI和其他高速器件引出最佳电性能的需要,将这种封装技术又向前推进了而已。2020整理整理pptpptHIC与MCM一般性能的比较特性特性混合电路混合电路多芯片模块多芯片模块芯片数量芯片数量25025021002100每片每片I/OI/O数量数量50250250每模块每模块I/OI/O数量数量100200200线宽和间距(线宽和间距(milmil)5555层间介质的介电常数层间介质的介电常数510510520050200每模块的功耗(每模块的功耗(WW)10102100021000SiSi芯片面积芯
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