微組裝技術(shù)簡(jiǎn)述及工藝流程及設(shè)備

1、 微 組 裝 技 術(shù) 簡(jiǎn) 述 張經(jīng)國(guó) 1404一.微組裝技術(shù)內(nèi)涵及其與電子組裝技術(shù)的關(guān)系 1.內(nèi)涵微組裝技術(shù)（micropackging technology） 是微電子組裝技術(shù)（microelectronic packging technology)的簡(jiǎn)稱，是新一代高級(jí)的電子組裝技 術(shù)。它是通過(guò)微焊互連和微封裝工藝技術(shù)，將高 集成度的IC器件及其他元器件組裝在高密度多層 基板上，構(gòu)成高密度、高可靠、高性能、多功能 的立體結(jié)構(gòu)微電子產(chǎn)品的綜合性高技術(shù)，是一種 高級(jí)的混合微電子技術(shù)。2.微組裝技術(shù)與電子組裝技術(shù)的關(guān)系 微電子組裝技術(shù)是電子組裝技術(shù)最新發(fā)展的產(chǎn)物，是新一代高級(jí)（先進(jìn)）的電子組裝技術(shù)

2、，屬第五代電子組裝技術(shù)（從80年代至今）。與傳統(tǒng)的電子組裝技術(shù)比較，其特點(diǎn)是在“微”字上。“微”字有兩個(gè)含義：一是微型化，二是針對(duì)微電子領(lǐng)域。二。微組裝技術(shù)對(duì)整機(jī)發(fā)展的作用 微組裝技術(shù)是充分發(fā)揮高集成度、高速單片IC性能，實(shí)現(xiàn)小型、輕量、多功能、高可靠電子系統(tǒng)系統(tǒng)集成的重要技術(shù)途徑。 三。微組裝技術(shù)的層次和關(guān)鍵技術(shù). 1.微組裝技術(shù)的層次整機(jī)系統(tǒng)的微組裝層次 大致可分為三個(gè)層次： 1）1級(jí)（芯片級(jí)）系指通過(guò)陶瓷載體、TAB 和倒裝焊結(jié)構(gòu)方式對(duì)單芯片進(jìn)行封裝。 2）2級(jí)（組件級(jí)）系指在各種多層基板上組 裝各種裸芯片、載體IC器件、倒裝焊器件以及 其他微型元器件，并加以適當(dāng)?shù)姆庋b和散熱 器，構(gòu)成微

3、電子組件（如MCM）。3）3級(jí)（印制電路板級(jí)）系指在大面積的多層印制電路板上組裝多芯片組件和其他的微電子組件、單芯片封裝器件，以及其他功能元器件，構(gòu)成大型電子部件或整機(jī)系統(tǒng)。2.關(guān)鍵技術(shù)以下為不同微組裝層次的主要關(guān)鍵 技術(shù)： 1）芯片級(jí)的主要關(guān)鍵技術(shù)凸點(diǎn)形成技術(shù)和植球技術(shù)，KGD技術(shù)，TAB技術(shù)，細(xì)間距絲鍵合技術(shù)，細(xì)間距引出封裝的工藝技術(shù) 2）組件級(jí)的主要關(guān)鍵技術(shù)多層布線基板設(shè)計(jì)、 工藝、材料及檢測(cè)技術(shù)，倒裝芯片焊接、檢測(cè) 和清洗技術(shù)，細(xì)間距絲鍵合技術(shù)，芯片互連可 靠性評(píng)估和檢測(cè)技術(shù)，高導(dǎo)熱封裝的設(shè)計(jì)、工 藝、材料和密封技術(shù)，其他片式元器件的集成 技術(shù)。 3）印制板級(jí)的主要關(guān)鍵技術(shù)電路分割設(shè)計(jì)

4、 技術(shù)，大面積多層印制電路板的設(shè)計(jì)、工藝、 材料、檢測(cè)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)以及 組件與母板的互連技術(shù)。四。多芯片組件（MCM）的技術(shù)內(nèi)涵、優(yōu)點(diǎn)及類型1.技術(shù)內(nèi)涵 MCM是multichip module英文的縮寫，通常譯為多芯片組件（也有譯為多芯片模塊）。MCM技術(shù)屬于混合微電子技術(shù)的范疇，是混合微電子技術(shù)向高級(jí)階段發(fā)展的集中體現(xiàn)，是一種典型的高級(jí)混合集成電路技術(shù)。 關(guān)于MCM的定義，國(guó)際上有多種說(shuō)法。就本人的觀點(diǎn)而言，定性的來(lái)說(shuō)MCM應(yīng)具備以下三個(gè)條件：（1）具有高密度多層布線基板；（2）內(nèi)裝兩塊以上的裸芯片IC（一般為大規(guī)模集成電路）；（3）組裝在同一個(gè)封裝內(nèi)。也就是說(shuō)，MCM是一種

5、在高密度多層布線基板上組裝有2塊以上裸芯片IC（一般為L(zhǎng)SI）以及其它微型元器件，并封裝在同一外殼內(nèi)的高密度微電子組件。 2.優(yōu)點(diǎn)MCM技術(shù)有以下主要優(yōu)點(diǎn)。1）使電路組裝更加高密度化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整機(jī)的小型化和輕量化。與同樣功能的SMT組裝電 路 相 比 ， 通 常 M C M 的 重 量 可 減 輕80%90%，其尺寸減小7080%。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，MCM的小型化和輕量化效果更為明顯，采用MCM技術(shù)可使導(dǎo)彈體積縮小90%以上，重量可減輕80%以上。衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)中采用MCM技術(shù)制作的T/R組件，其體積僅為原來(lái)的1/101/20。 2) 進(jìn)一步提高性能，實(shí)現(xiàn)高速化。與通常SMT 組裝電路相比，

6、MCM的信號(hào)傳輸速度一般可 提高46倍。NEC公司在19791989年期間 研究MCM在大型計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，從采用一 般的厚膜多層布線到使用高級(jí)的多芯片組件混 合多芯片組件，其系統(tǒng)的運(yùn)算速度提高了37倍， 達(dá)220億次/秒。采用MCM技術(shù)，有效的減小了 高速VLSI之間的互連距離、互連電容、電阻和電 感，從而使信號(hào)傳輸延遲大大減少。3)提高可靠性。統(tǒng)計(jì)表明，電子整機(jī)的失效大約90%是由封裝和互連引起的。MCM與SMT組裝電路相比，其單位面積內(nèi)的焊點(diǎn)減少了95%以上，單位面積內(nèi)的I/O數(shù)減少84%以上，單位面積的接口減少75%以上，且大大改善了散熱，降低了結(jié)溫，使熱應(yīng)力和過(guò)載應(yīng)力大大降低，從而提

7、高可靠性可達(dá)5倍以上。4) 易于實(shí)現(xiàn)多功能。MCM可將模擬電路、數(shù)字電路、光電器件、微波器件、傳感器以及其片式元器件等多種功能的元器件組裝在一起，通過(guò)高密度互連構(gòu)成具有多種功能微電子部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。Hughes Reserch laboratory 采用三維多芯片組件技術(shù)開發(fā)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就是MCM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)組件的典型實(shí)例。3.類型和特點(diǎn)通常可按MCM所用高密度多層布線基板的結(jié)構(gòu)和工藝，將MCM分為以下幾個(gè)類型。1)疊層型MCM（MCM-L，其中L為“疊層”的英文詞“Laminate”的第一個(gè)字母）也稱為L(zhǎng)型多芯片組件，系采用高密度多層印制電路板構(gòu)成的多芯片組件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)成本低，制造工藝

8、較為成熟，但布線密度不夠高，其組裝效率和性能較低，主要應(yīng)用于30MHz和100個(gè)焊點(diǎn)/英寸2以下的產(chǎn)品以及應(yīng)用環(huán)境不太嚴(yán)酷的消費(fèi)類電子產(chǎn)品和個(gè)人計(jì)算機(jī)等民用領(lǐng)域。 2)厚膜陶瓷型MCM（MCM-C，其中C是“陶瓷”的英文名Ceramic的第一個(gè)字母），系采用高密度厚膜多層布線基板或高密度共燒陶瓷多層基板構(gòu)成的多芯片組件。其主要特點(diǎn)是布線密度較高，制造成本適中，能耐受較惡劣的使用環(huán)境，其可靠性較高，特別是采用低溫共燒陶瓷多層基板構(gòu)成的MCM-C，還易于在多層基板中埋置元器件，進(jìn)一步縮小體積，構(gòu)成多功能微電子組件。MCM-C主要應(yīng)用于3050MHz的高可靠中高檔產(chǎn)品。包括汽車電子及中高檔計(jì)算機(jī)和數(shù)

9、字通信領(lǐng)域。 3)淀積型MCM（MCM-D，其中D是“淀積”的英文名Deposition 的第一個(gè)字母），系采用高密度薄膜多層布線基板構(gòu)成的多芯片組件。其主要特點(diǎn)是布線密度和組裝效率高，具有良好的傳輸特性、頻率特性和穩(wěn)定性.4)混合型MCM-H（MCM-C/D和MCM-L/D，其中英文字母C、D、L的含義與上述相同），系采用高密度混合型多層基板構(gòu)成的多芯片組件。這是一種高級(jí)類型的多芯片組件，具有最佳的性能/價(jià)格比、組裝密度高、噪聲和布線延遲均比其它類型MCM小等特點(diǎn)。這是由于混合多層基板結(jié)合了不同的多層基板工藝技術(shù)，發(fā)揮了各自長(zhǎng)處的緣故。特別適用于巨型、高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高速數(shù)字通信系統(tǒng)、高速信

10、號(hào)處理系統(tǒng)以及筆記本型計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)。五。組件與母板（PCB）的電連接 1.要求 1）電氣要求 信號(hào)互連 電源接地互連 2）散熱能力 3）機(jī)械能力 4）IO要求 2. 連接的主要類型 1）ZIF插拔針連接（見(jiàn)下圖A） 2） 彈簧連接（見(jiàn)下圖B） 3）插桿固緊連接（見(jiàn)下圖C） 4）柔性電路ZIP互連圖A。ZIF插拔針連接圖B。彈簧連接圖C。插桿固緊連接六。三維多芯片組件（3D-MCM)技術(shù)定義、優(yōu)點(diǎn)和類型 1.定義系指半導(dǎo)體芯片在X、Y、Z三個(gè)方向都實(shí)現(xiàn)了高 密度組裝的多芯片組件技術(shù)（也稱MCM-V)。 2.優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)更高組裝密度（組裝密度可達(dá)200%，而 2D-MCM的最高組裝效率為 90%）、

11、體積更小、 重量更輕、功能更多、性能更優(yōu)。甚至可實(shí)現(xiàn)一 個(gè)組件即是一個(gè)整機(jī)系統(tǒng)。 3.類型主要有以下兩種類型： 1）2D-MCM疊片組裝 2）芯片疊層組裝（通過(guò)絲鍵合或凸點(diǎn)、TAB等）七。厚膜混合電路定義及其應(yīng)用特點(diǎn) 1.定義 厚膜混合集成電路(簡(jiǎn)稱厚膜混合電路 或厚膜電路),是通過(guò)厚膜漿料(paste or ink) 絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)技術(shù),在陶瓷基板或其它高 導(dǎo)熱基板上形成厚膜布線、焊區(qū)和厚膜電阻, 從而制成厚膜電路成膜基板,再采用表面組 裝技術(shù)(SMT)和鍵合技術(shù),組裝半導(dǎo)體芯片和 其它片式元件,構(gòu)成具有一定功能的微電路. 2.應(yīng)用特點(diǎn) 厚膜電路具有功率密度高、承載電流大、電壓高、高頻特性好

12、、體積小、可靠性和穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)多功能微電路等特點(diǎn),特別適宜制作小型高可靠的功率電路(包括DC / DC變換器、DC/AC變換器、AC/DC變換器、交流電源、驅(qū)動(dòng)器、功率放大器、電壓調(diào)節(jié)器等)以及高密度高可靠的多功能微電路,廣泛用于航天、航空、船舶、兵器、雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、汽車、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的制導(dǎo)、遙測(cè)、動(dòng)力、引信、控制、慣導(dǎo)和信號(hào)處理等電子系統(tǒng)。 NASA采用厚膜混合集成技術(shù)研制了導(dǎo)彈制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算組件。其中采用了2.88in見(jiàn)方的厚膜多層布線基板，組裝了5個(gè)大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路芯片，12個(gè)中規(guī)模半導(dǎo)體集成電路芯片（TTL），6個(gè)片式電容和6個(gè)片式電阻，629根鍵合互連絲

13、。 采用厚膜集成技術(shù)制作厚膜混合集成DCDC變換器是厚膜混合電路的一大類產(chǎn)品。其產(chǎn)品功率范圍達(dá)1W120 W，電流最大20A ，輸出路數(shù)從單路到三路，開關(guān)頻率300kHz550kHz,國(guó)內(nèi)120W DCDC變換器產(chǎn)品的功率密度達(dá)78Win3，輸出電壓15V ，輸出電流8A，效率85 % ，紋波100 mV 。電性能與INTERPOINT同類產(chǎn)品相同，功率密度高于INTERPOINT同類產(chǎn)品(后者為66.3 Win3）。還可制作高壓輸出（160V900V）的厚膜混合集成DCDC變換器. 采用厚膜混合電路工藝制作DCDC電源的優(yōu)點(diǎn)1）減小產(chǎn)品體積和重量 與常規(guī)PCB板組裝電源同比，重量可減少30%

14、60%， 體積可減小25%70%，2）提高功率密度（25%70%）3）提高微組裝密度達(dá)3040個(gè)元器件平方厘米4）擴(kuò)展工作溫度范圍（-55125）5）提高可靠性和頻率。例如, 100W的DCDC電源功率密度和重量比較： 功率密度（Win3) 重量(g) PCB板電路 37 160 厚膜HIC 62 78 厚膜混合集成濾波器包括兩類：電源濾波器（無(wú)源）和信號(hào)濾波器（有源）。前者也稱EMI濾波器，與DC/DC電源配套使用，輸入16V40V，輸出電流最大15A，插入損耗40db（500kHz時(shí)）；后者是使有用頻率信號(hào)通過(guò)，抑制或衰減無(wú)用頻率信號(hào)，按其功能要求不同有多種。采用集成運(yùn)放+RC組成的厚膜混

15、合集成可編程濾波器即是信號(hào)濾波器的一種。 厚膜混合集成交流電源包括：?jiǎn)蜗?00HZ和16kHZ交流電源，500HZ交流電源， 500HZ馬達(dá)交流電源，8kHZ交流電源等。 厚膜混合集成驅(qū)動(dòng)器包括各種馬達(dá)伺服電路，其中有：直流電機(jī)伺服電路，步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，大功率馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，永磁馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，脈寬調(diào)制功放電路，調(diào)寬功率放大器等。八。薄膜混合電路定義及其應(yīng)用特點(diǎn) 1.定義采用物理汽相淀積（PVD，蒸發(fā)、濺射 和離子鍍等）或化學(xué)汽相淀積（CVD）工藝 以及濕刻（光刻）或干刻（等離子刻蝕等） 圖形形成技術(shù)，在基板上形成薄膜元件和布 線，然后組裝微型元器件（多為芯片和片式 元器件）構(gòu)成具有一定功能的微電

16、路。 區(qū)分是“薄膜”還是“厚膜”，主要按工藝技術(shù)分，而非主要按其膜厚度（雖然厚度有區(qū)別，GJB548中提到，薄膜厚度通常小于5微米）2.應(yīng)用特點(diǎn) 薄膜電路具有：精度高、穩(wěn)定性好、高頻特性好、組裝密度高、信號(hào)傳輸速度快等特點(diǎn)，其應(yīng)用主要在三個(gè)方面： 1）高精度轉(zhuǎn)換電路，如高位數(shù)（1218位）數(shù) 模、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路， fV和Vf轉(zhuǎn)換器等（利用精度高，穩(wěn)定性 好的特點(diǎn)）。 2) 高頻和微波電路（利用高頻特性好的特點(diǎn)）， 薄膜集總參數(shù)微波混合集成電路應(yīng)用頻率可高 達(dá)1530GC，若與分布參數(shù)電路結(jié)合，可 用于60GC。3）信號(hào)和數(shù)據(jù)處理電路（利用線條細(xì)、布線密度高、 信號(hào)傳輸速度快的特

17、點(diǎn)）。 通信領(lǐng)域應(yīng)用的微波電路中，薄膜混合電路約占80%。F-111型殲擊機(jī)的攻擊雷達(dá)中，高頻部分采用了薄膜混合電路，中頻采用了厚膜電路，使得整機(jī)與原分立元件電路相比，體積減小了75%，重量減輕了63%，可靠性提高了3.5倍。F-22戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用了薄膜技術(shù)制成的MCM-D（休斯公司），使機(jī)載雷達(dá)重量減輕了96%，體積減小了93%。八十年代美國(guó)微波網(wǎng)絡(luò)公司采用薄膜混合電路技術(shù)首次研制成功18位混合集成DA轉(zhuǎn)換器，線性精度達(dá)0.008%，是當(dāng)時(shí)世界上精度最高的DA轉(zhuǎn)換器。九。共燒陶瓷多層基板的類型及應(yīng)用特點(diǎn) 1.類型1）高溫共燒陶瓷多層基板（HTCC） 2）低溫共燒陶瓷多層基板

18、（LTCC） 國(guó)際上對(duì)其共燒陶瓷多層基板類型的劃分原則是按其陶瓷多層基板的共燒溫度是在1000以上或以下來(lái)分，共燒溫度是在1000以上者稱高溫共燒陶瓷多層基板，共燒溫度是在1000以下者稱低溫共燒陶瓷多層基板。所謂共燒溫度系指陶瓷基板材料和布線導(dǎo)體漿料同時(shí)完成燒結(jié)的溫度。*厚膜混合電路與LTCC的主要區(qū)別前者分層印燒，后者共燒。LTCC的主要優(yōu)點(diǎn) 1）易實(shí)現(xiàn)更多布線層數(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度組裝 2）易實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋元件,實(shí)現(xiàn)多功能。 3）高頻特性和高速傳輸特性好 4）燒結(jié)前可進(jìn)行質(zhì)量檢查 5）可實(shí)現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)多功能和微 波MCM） 6）可與薄膜多層布線兼容，實(shí)現(xiàn)混合多層。 7）可與封裝實(shí)現(xiàn)一體化。2

19、.應(yīng)用特點(diǎn) LTCC主要用于高頻和微波電路以及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理電路，而HTCC則更適用于功率MCM。 美國(guó)IBM公司和日本NEC公司采用共燒陶瓷多層技術(shù)，于19791990年研制了四代超級(jí)計(jì)算機(jī) ，其MCM類型從MCM-C發(fā)展到MCM-CD IBM公司的超級(jí)計(jì)算機(jī)MCM-CD 采用23層布線LTCC，2層薄膜布線，基板尺寸127.5mm 127.5 mm，2000W功耗。NEC公司的超級(jí)計(jì)算機(jī)MCM-CD 采用45層HTCC，8層薄膜布線，基板尺寸225mm225 mm，功耗4000W。 美國(guó)Martin Marietta 公司采用10層LTCC陶瓷多層基板制作的MCM-C用于軍用飛機(jī)和導(dǎo)彈目標(biāo)探索和識(shí)別系統(tǒng)的圖像處理電子裝置，該MCM是個(gè)子系統(tǒng)，重量748g