中國粉體網(wǎng)訊 基于武器裝備創(chuàng)新發(fā)展的需求，混合集成電路產(chǎn)品在高密度、小型化、高可靠的路徑上將繼續(xù)前進(jìn)。隨著新器件、新材料、新設(shè)備、新工藝的不斷涌現(xiàn)，混合集成技術(shù)向著第四代穩(wěn)步前進(jìn)。
第四代混合集成于最近幾年提出，目前在各個龍頭單位逐步開展研究，部分技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)品中應(yīng)用，也是未來各混合集成廠家競爭的核心。
第四代混合集成技術(shù)主要特征表現(xiàn)為功率陶瓷一體化封裝、3D打印及IPD、倒裝焊及TSV芯片、多維度組裝、微納級組裝、激光加工技術(shù)、KGD技術(shù)與密封前老煉、數(shù)字化工廠、全壽命周期管理等特征。
混合集成電路發(fā)展歷程（來源：朱雨生等/混合集成技術(shù)代際及發(fā)展研究）
陶瓷一體化封裝是將陶瓷基板直接作為封裝載體，無需采用其他材料對電路基板進(jìn)行再次封裝，可有效提高封裝密度和效率，減小封裝體積，實(shí)現(xiàn)氣密封裝。同時一體化封裝可對不同信道的信號產(chǎn)生有效的屏蔽，避免信號互擾。
在傳統(tǒng)版圖設(shè)計(jì)中，無論是模塊電路或混合集成電路，其基板大多是基于平面布局設(shè)計(jì)的。要對此類設(shè)計(jì)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，除從電路方案著手外，通過優(yōu)化布局結(jié)構(gòu)來縮小基板面積進(jìn)行小型化是非常困難的。
基于一體化封裝的小型化設(shè)計(jì)，將基板布局由平面向3D結(jié)構(gòu)延伸，通過利用空間，將基板上器件和線路的平面連接更多地改變?yōu)榱Ⅲw縱向的“疊層”連接，達(dá)到減小基板面積的目的。
Al2O3陶瓷一體化封裝
陶瓷一體化封裝起源于混合集成電路三代技術(shù)，該階段的的陶瓷一體化封裝主要是基于氧化鋁陶瓷。雖然氧化鋁陶瓷一體化封裝具有體積小、密度高的特點(diǎn)，但是由于材質(zhì)自身限制，導(dǎo)熱能力一直是個瓶頸。
Al2O3陶瓷一體化封裝主要基于氧化鋁高溫共燒陶瓷（HTCC）。氧化鋁高溫共燒陶瓷主要是以鎢金屬作為導(dǎo)體材料，在1600℃左右完成共燒，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、成本低、布線密度高等優(yōu)點(diǎn)，與芯片材料和鉬銅合金熱膨脹系數(shù)匹配，可以與可伐等金屬材料一體化燒結(jié)。
氧化鋁陶瓷一體化封裝材料特性（來源：周演飛等/基于HTCC一體化封裝的C波段T/R組件設(shè)計(jì)）
中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所周演飛等人的研究中，將熱沉、HTCC和圍框在800℃左右高溫條件下，采用AgCu作為釬料，將各個零件完成一體化封裝焊接。熱沉采用鉬銅合金，作為結(jié)構(gòu)支撐以及為高熱耗器件提供良好散熱渠道；HTCC基板挖腔處理，將高熱耗器件直接焊接在熱沉上，可伐圍框做分腔設(shè)計(jì)，減小通道間耦合及腔體效應(yīng)，通過平行縫焊實(shí)現(xiàn)氣密環(huán)境。環(huán)行隔離器尺寸大，將其放置外延熱沉板上。
氧化鋁陶瓷一體化封裝（來源：周演飛等/基于HTCC一體化封裝的C波段T/R組件設(shè)計(jì)）
該封裝成本和尺寸優(yōu)勢明顯，封裝與外界互連節(jié)省了射頻及低頻連接器，端口均在陶瓷表面，可通過引線焊接實(shí)現(xiàn)射頻、電源和控制信號互連。
AlN陶瓷一體化封裝
第四代混合集成技術(shù)結(jié)合功率陶瓷材料（主要是氮化鋁）制作HTCC多層陶瓷一體化封裝，不但保有陶瓷一體化封裝的優(yōu)點(diǎn)，又大幅提升了封裝導(dǎo)熱能力，為進(jìn)一步提升封裝密度奠定了基礎(chǔ)。
伴隨著電子設(shè)備的集成度大幅提高，電路中單位面積所散發(fā)的熱量不斷增大，系統(tǒng)對散熱要求也越來越高。中高功率耗散的微波組件采用AlN多層陶瓷基板一體化封裝技術(shù)無需在功耗芯片下安裝過渡散熱熱沉（一般為鎢銅、鉬銅等金屬），可大幅降低工藝難度和生產(chǎn)周期。
中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所秦超等人的研究中，AlN多層陶瓷基板的一體化封裝主要由以下幾部分組成：AlN多層陶瓷基板、圍框和蓋板。
氮化鋁陶瓷一體化封裝材料特性（來源：秦超等/AlN多層陶瓷基板一體化封裝）
多層陶瓷基板內(nèi)部布線，表面貼裝有源和無源器件。陶瓷材料采用厚度為0.13毫米的高純氮化鋁膜帶，通孔金屬化漿料和印刷漿料均選擇高溫?zé)Y(jié)鎢漿，其中排膠過程在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行排膠，燒結(jié)過程中引入助燒劑以提高材料密度和熱導(dǎo)率，AlN燒結(jié)在還原氣氛下進(jìn)行。
排膠和燒結(jié)是AlN多層陶瓷基板制備流程中的關(guān)鍵工序，影響著基板的翹曲、開裂等，直接決定了多層板的性能和質(zhì)量。陶瓷基板表面共燒的鎢漿無法直接進(jìn)行焊接、鍵合且極易氧化，需要在表層進(jìn)行化鍍鎳鈀金進(jìn)行后續(xù)裝配。
圍框一般采用焊接溫度較高的焊料與基板焊接，對于整體結(jié)構(gòu)而言，圍框材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)需要與基板熱膨脹系數(shù)接近，以防在焊接時熱應(yīng)力失配造成產(chǎn)品開裂。由于一體化管殼內(nèi)部器件使用錫鉛（熔點(diǎn)183℃）焊接，為了拉開溫度梯度，不影響后續(xù)裝配，研究人員采用Au80Sn20（熔點(diǎn)280℃）焊料作為圍框焊接焊料�？紤]到整體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力匹配，框體材料選擇與AlN陶瓷基板熱膨脹系數(shù)較為接近的可伐（Kovar）材料。將圍框、Au80Sn20焊料、AlN多層陶瓷基板以及配套的焊接工裝夾具放入真空共晶爐進(jìn)行框體焊接。
最后蓋板與圍框采用平行縫焊的方式進(jìn)行氣密封裝。
結(jié)語
傳統(tǒng)金屬殼體內(nèi)部封裝多層基板的形式雖然在小型化方面還存在不足，但由于其具備較高的成熟度，因此在復(fù)合應(yīng)用的情況下將繼續(xù)長期存在。
隨著三維封裝的發(fā)展，HTCC一體化封裝方案將逐步顯示其小型化的優(yōu)勢。如何有效解決堆疊型組件的散熱問題是三維封裝技術(shù)領(lǐng)域一直存在的問題。在HTCC一體化堆疊封裝方案中，采用釬焊技術(shù)將散熱片按照水平與垂直的方式貼裝在組件外殼內(nèi)部特定位置，將功率芯片設(shè)置在特定散熱區(qū)域是解決堆疊型組件的散熱問題的一個方案。
但是HTCC一體化封裝由于其內(nèi)導(dǎo)體為鎢金屬，內(nèi)阻較大，與內(nèi)阻較低的金銀導(dǎo)體相比，高頻傳輸?shù)膶?dǎo)體損耗相對較高，同時傳輸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前的設(shè)計(jì)僅能滿足40GHz以下的傳輸要求，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)下更高頻率的傳輸要求還難以滿足。隨著模塊集成度不斷提高，體積不斷縮小，HTCC一體化封裝堆疊方案有望成為40GHz以下的低頻模塊三維封裝技術(shù)的首選方案而獲得發(fā)展，而在高于40GHz的高頻三維模塊領(lǐng)域，需要開發(fā)更加先進(jìn)更低損耗的封裝技術(shù)。
參考來源：
1、秦超等/AlN多層陶瓷基板一體化封裝/中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所
2、龐學(xué)滿等/基板堆疊型三維系統(tǒng)級封裝技術(shù)/南京電子器件研究所
3、周演飛等/基于HTCC一體化封裝的C波段T/R組件設(shè)計(jì)/中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所
4、唐可然等/基于一體化封裝的小型化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)/中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所
5、朱雨生等/混合集成技術(shù)代際及發(fā)展研究/中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所；陸軍炮兵防空兵學(xué)院
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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