中國粉體網訊 基于武器裝備創(chuàng)新發(fā)展的需求,，混合集成電路產品在高密度、小型化,、高可靠的路徑上將繼續(xù)前進,。隨著新器件、新材料、新設備,、新工藝的不斷涌現,，混合集成技術向著第四代穩(wěn)步前進。
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,，部分技術已經在產品中應用,，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主要特征表現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,、KGD技術與密封前老煉、數字化工廠,、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行再次封裝,，可有效提高封裝密度和效率,，減小封裝體積，實現氣密封裝,。同時一體化封裝可對不同信道的信號產生有效的屏蔽,，避免信號互擾。
在傳統(tǒng)版圖設計中,，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計的。要對此類設計進行小型化設計,，除從電路方案著手外,，通過優(yōu)化布局結構來縮小基板面積進行小型化是非常困難的。
基于一體化封裝的小型化設計,，將基板布局由平面向3D結構延伸,，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，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，但是由于材質自身限制，導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體材料，在1600℃左右完成共燒,，具有結構強度高,、成本低、布線密度高等優(yōu)點,，與芯片材料和鉬銅合金熱膨脹系數匹配,，可以與可伐等金屬材料一體化燒結。
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組件設計）
中國電子科技集團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，作為結構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，可伐圍框做分腔設計,，減小通道間耦合及腔體效應,，通過平行縫焊實現氣密環(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組件設計）
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,，可通過引線焊接實現射頻、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結合功率陶瓷材料（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，又大幅提升了封裝導熱能力,，為進一步提升封裝密度奠定了基礎,。
伴隨著電子設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周期,。
中國電子科技集團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燒結鎢漿,，其中排膠過程在氮氣環(huán)境中進行排膠，燒結過程中引入助燒劑以提高材料密度和熱導率,，AlN燒結在還原氣氛下進行,。
排膠和燒結是AlN多層陶瓷基板制備流程中的關鍵工序，影響著基板的翹曲,、開裂等,，直接決定了多層板的性能和質量,。陶瓷基板表面共燒的鎢漿無法直接進行焊接,、鍵合且極易氧化，需要在表層進行化鍍鎳鈀金進行后續(xù)裝配,。
圍框一般采用焊接溫度較高的焊料與基板焊接,，對于整體結構而言，圍框材質的熱膨脹系數需要與基板熱膨脹系數接近,，以防在焊接時熱應力失配造成產品開裂,。由于一體化管殼內部器件使用錫鉛（熔點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280℃）焊料作為圍框焊接焊料�,？紤]到整體結構的熱應力匹配,，框體材料選擇與AlN陶瓷基板熱膨脹系數較為接近的可伐（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行框體焊接。
最后蓋板與圍框采用平行縫焊的方式進行氣密封裝,。
結語
傳統(tǒng)金屬殼體內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，因此在復合應用的情況下將繼續(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領域一直存在的問題,。在HTCC一體化堆疊封裝方案中,，采用釬焊技術將散熱片按照水平與垂直的方式貼裝在組件外殼內部特定位置,，將功率芯片設置在特定散熱區(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導體為鎢金屬,，內阻較大,，與內阻較低的金銀導體相比，高頻傳輸的導體損耗相對較高,，同時傳輸結構較為復雜,，目前的設計僅能滿足40GHz以下的傳輸要求，對于復雜結構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的首選方案而獲得發(fā)展,，而在高于40GHz的高頻三維模塊領域,，需要開發(fā)更加先進更低損耗的封裝技術。
參考來源：
1,、秦超等/AlN多層陶瓷基板一體化封裝/中國電子科技集團公司第二研究所
2,、龐學滿等/基板堆疊型三維系統(tǒng)級封裝技術/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組件設計/中國電子科技集團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計與實現/中國電子科技集團公司第二十四研究所
5,、朱雨生等/混合集成技術代際及發(fā)展研究/中國電子科技集團公司第四十三研究所；陸軍炮兵防空兵學院
（中國粉體網編輯整理/長安）
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