第1章混合集成电路基片1

混合电路
芯片
第一章 混合集成电路基片
主要教学知识点或能力要求
1. 掌握混合集成电路对基片的要求； 2. 了解基片性能及其对混合集成电路的影响。
1．1混合集成电路对基片的要求
1．1．1 基片在电路中的作用 在混合集成电路中，基片承载薄厚 膜元件、互连、外贴元器件以及包封等 作用。在大功率电路中，基片还有散热 作用。
1．1．2 混合集成电路对基片的要求
1．基片平整度、光洁度高 2．良好的电气性能（绝缘性能） 3．高的导热系数 4．与其他材料相匹配的热膨胀系数 5．良好的机械性能 6．高稳定性 7．良好的加工性能 8．价格便宜
1．2 基片性能及其对电路的影响
1.2.1 基片表面 1．表面缺陷 在混合集成电路中，基片的性能对电路的性 能和可靠性的影响是非常大的。根据表面缺 陷尺度的大小，基片表面缺陷大致可以分为 下面四类：
1.2.4基片的化学稳定性
基片的化学稳定性主要是指基片不受各种腐 蚀液和电解液的侵蚀。氧化铝、氧化铍、和 氮化铝具有很好的化学稳定性，是优良的基 片材料。
小结
集成电路对基片的要求
1. 基片平整度、光洁度高 2．良好的电气性能（绝缘性能） 3．高的导热系数 4．与其他材料相匹配的热膨胀系数 5．良好的机械性能 6．高稳定性 7．良好的加工性能 8．价格便宜
复习
微电子材料种类 1. 导体 conductor 2. 绝缘体 insulator (1) 基片 substrate (2) 衬底 substrate (3) 钝化层 passivation layer 3. 半导体 semiconductor
基片和衬底的区别
基片 —— 将电阻、电容及金属导体做在它的 上面。 衬底 —— 在其内部产生半导体、电阻和导体 区域。
基片性能及其对电路的影响集成电 路对基片的要求
1. 2. 3.
4.
基片表面： 表面缺陷 粗糙度 平整度 基片的电气特性： 体电阻率 介电特性 基片的热学性质和力学性质：热膨胀 导热 系数 机械强度 基片的化学稳定性：抗腐蚀液和电解液的侵 蚀
用于厚膜电路的96%氧化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓
2）基片翘度 （平整度）
翘度 —— 基片最高点与最低点的距离除 以发生翘曲方向上的最大的尺寸，单位为 in/in或mil/in。 高的翘度会影响光刻或丝网印刷后得到的图 案的质量。
翘度
1.2.2 基片的电气特性
在混合集成电路中，基片除了承载膜状元件 和外贴元器件之外，还起着电绝缘作用，在 极个别的地方，基片还作为电容器的介质使 用。
电阻
+VCC
片 集 成 电 路 单
晶体管
C
E B
n+
SiO2
p
+
N−
p
p
P − Si
+
n+
R
Vo
n
+
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−
p
p+
n+
Vi
T
合 集 成 电 路
混
E B
SiO2
GND
电阻
n+
晶体管
p
−
N+
N
基片
衬底
薄厚膜混合集成电路
混合集成电路(hybrid IC)：一种结构内既有半导体 芯片和片式元件，又有采用薄膜和厚膜工艺成批制 造的导体、电阻器，有时还有电容器和电感器 半导体芯片（semiconductor chip ）：集成电路芯 片或器件芯片 薄膜工艺 (thin film process)——金属化采用真空蒸 发淀积或溅射淀积。膜厚30Å—25000Å 厚膜工艺 (thick film process)——金属化采用丝印 和烧结。 膜厚 0.1mil—几mil
各种基片、薄膜材料热膨胀系数
热膨胀系数
对于可近似看做一维的物体，这时的热膨胀 系数可简化定义为：单位温度变化所导致的 长度的增加量与的原长度的比值，即线膨胀 系数。 单位温度变化所导致的体积变化百分比，即 热膨胀系数。
2.导热系数要求大
导热系数定义
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材 导热 料，两侧表面的温差为1度（K,℃），在1小 时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为 瓦/米•度 （W/m•K，此处为K可用℃代替）。
1. 体电阻率 要求大
陶瓷材料的体电阻与温度的关系
2. 介电特性
要求小的介电常数和低的介电损耗
1.2.3 基片的热学性质与力学性质
在电路的制作中以及工作工程中，基片经 常受到热应力和力学的作用。如果基片与膜 状材料的热膨胀系数不一样，就会引起应力， 从而影响电路的特性。
1. 热膨胀
尽可能与装配器件的热膨胀系数匹配，以便 减小应力，避免热循环时的开裂。
2．描述基片的几何特征尺寸的参数
（1）表面粗糙度（光洁度） 粗糙度（光洁度）—— 与横贯表面上峰 点和谷点中心线的平均偏差，单位为µin 。 当薄膜电阻做很粗糙的表面时，容易形成 不完全的、断裂的、有微裂的、有应力的和 部连续的膜。
用于薄膜电路的99.6%氧化铝陶瓷基片表面 粗糙度轮廓
用于薄膜电路的99.6%氧化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓
3. 机械强度
基片应具有一定的机械强度，以承受电路、 外接电路、外贴器件，以及在封装时的机械 应力和热应力的冲击。
4. 基片热学性质和力学性质对薄膜电 阻器性能的影响
热膨胀系数失配对电阻膜的方块电阻和电阻 温度系数均能发生影响。
1.2.4 基片的化学稳定性
基片的化学稳定性对混合集成电路的性能关 系非常重大。无论是厚膜元件还是薄膜元件， 有时要求在较高的温度下（500~1000℃）进 行烧结或热处理。因此基片在这一温度范围 不应发生分解或者释放出气相物质。这一要 求，限制了许多有机材料作为基片使用。
根据表面缺陷尺度的大小，基片表面 缺陷大致可以分为下面四类：
（1）原子尺度的缺陷：点缺陷、位错线、 解理面上的单原子突出部分。 （2）亚微米尺度的缺陷：抛光划痕、拉制 玻璃是留下的伤痕、气孔。 （3）微米尺度缺陷：研磨划痕、多晶基片 材料的晶界、针孔等。 （4）宏观缺陷：表面弯曲，烧结是掉在基 片上的融粒。