混合集成技術(shù)代際及發(fā)展研究*

朱雨生 ，施 靜 ，陳 承

(1.中國電子科技集團公司第四十三研究所 微系統(tǒng)安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.陸軍炮兵防空兵學院，安徽 合肥 230039)

0 引言

混合集成電路(HIC)原定義是由半導(dǎo)體集成工藝與厚膜(包括LTCC/HTCC，下同)/薄膜工藝結(jié)合而制成的集成電路，按GJB-2438《混合集成電路通用規(guī)范》：“由兩個或兩個以上下列元件的組合，并且其中至少有一個是有源器件：(a)膜集成電路；(b)單片集成電路；(c)半導(dǎo)體分立器件；(d)片式、印刷或淀積在基片上的無源元件。”[1]混合集成技術(shù)即為實現(xiàn)混合集成電路的技術(shù)。相對于單片集成電路，它設(shè)計靈活，工藝方便，便于快速研制、多品種小批量生產(chǎn)；并且其元件參數(shù)范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好，可以承受較高電壓和較大功率。但隨著基于硅基TSV 技術(shù)引發(fā)的3D IC 變革、日漸成熟SoC 技術(shù)領(lǐng)域快速擴張、PCB 級產(chǎn)品的組裝密度和可靠性提升、低成本和商業(yè)化消費電子的突飛猛進，混合集成電路傳統(tǒng)優(yōu)勢不斷被挑戰(zhàn)，所以混合集成技術(shù)也在不斷進步和發(fā)展，已遠超出厚薄膜電路范疇，但也帶來了涵義和內(nèi)容的模糊化。第一、二代混合集成技術(shù)已經(jīng)建立從設(shè)計、材料、工藝到后續(xù)封裝、試驗、應(yīng)用等十分完善的技術(shù)體系，其典型指標(線寬/線間距、多層層數(shù)、I/O 密度)基本穩(wěn)定；而三、四代技術(shù)（功能一體化封裝、3D 組裝、微納組裝）正在突飛猛進。為了迎合不斷發(fā)展的信息裝備小型化、輕量化、高速化、多功能化的市場需求，混合集成技術(shù)也在升級換代，以更好地發(fā)揮靈活、快速、低成本、實用性強的技術(shù)優(yōu)勢。混合集成技術(shù)是電子技術(shù)的一個分支，工藝技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)用本身具有一體兩面性，所以混合集成的代際發(fā)展與電子科技的五次技術(shù)浪潮[2](微電子學、射頻/無線、光電子學、MEMS、量子器件)兩者相輔相成，互相促進形成今天的電子行業(yè)。

1 混合集成電路技術(shù)代際發(fā)展

混合集成技術(shù)本質(zhì)上是一種高集成度、高性能和高可靠的先進封裝技術(shù)，它由設(shè)計、仿真、集成、制造、檢測技術(shù)構(gòu)成，自20 世紀60 年代以來，形成了一、二、三代技術(shù)，并正向第四代發(fā)展。通過混合集成技術(shù)可以有效地解決一、二、三代半導(dǎo)體材料不兼容問題；解決運算、存儲、射頻、光電、MEMS、傳感等半導(dǎo)體工藝不兼容問題；大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量與壽命，是有源、無源器件和功能器件實現(xiàn)高密度、小型化與高可靠的一體化封裝手段。

總的來說，混合集成技術(shù)的發(fā)展歷程是功率密度、組裝密度、集成密度、功能性、可靠性等不斷發(fā)展提升的過程；也是實現(xiàn)代表品種不斷推陳出新，功能提升再提升的過程，更是滿足不同時期高新武器裝備需求的過程。

1.1 第一代混合集成電路技術(shù)

20 世紀六七十年代開始，由于軍事和宇航工業(yè)領(lǐng)域的迫切需求，在厚薄膜電路的基礎(chǔ)上，開展了基于厚薄膜基板的混合集成電路研制，以實現(xiàn)電子設(shè)備的微型化。混合集成電路(HIC)就是來源于該形態(tài)，指以厚薄膜基板為承載，在基板上集成阻容器件，然后將其他分立無源元件和有源元件芯片(主要是成品)進一步組裝到基板上形成的電路。第一代混合集成電路的整體特征可以歸結(jié)為成品芯片、非氣密封裝、焊接工藝、有源和無源混裝等特點。第一代混合集成電路相對當時的單片封裝具有較大提升，而且建立了早期混合集成電路的基本特征。第一代混合集成代表產(chǎn)品有點火器、電源等，典型性能是：功率密度約為5 W/in3，組裝密度為40 IO/cm2，使用壽命為10 年左右。由于處于可靠性技術(shù)建立初期，體系化的可靠性技術(shù)未建立，也沒有氣密性封裝要求。第一代產(chǎn)品相對同時期其他封裝，具有集成度高、功率大、體積小的特征。目前依然有少量民品供應(yīng)商采用第一代混合集成電路技術(shù)生產(chǎn)加熱、點火、傳感等功率或特種電路產(chǎn)品。圖1 所示為第一代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品HLS DC-DC 變換器[3]。

1.2 第二代混合集成技術(shù)

圖1 第一代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品(HLS DC-DC 變換器)

第一代混合集成技術(shù)滿足了當時的需求，但在集成密度和可靠性上優(yōu)勢不明顯，在其基礎(chǔ)上結(jié)合裸芯片組裝工藝和金屬氣密封裝工藝的發(fā)展，混合集成電路開始向第二代轉(zhuǎn)變。第二代混合集成電路產(chǎn)品出現(xiàn)在20 世紀80 年代，發(fā)展于90 年代、成熟于21 世紀初期；采用的典型工藝有多層厚膜基板、裸芯片組裝、多芯片焊接、金絲/鋁絲鍵合、激光無源/有源調(diào)阻、氣密封裝等。主要是通過厚薄膜工藝進步實現(xiàn)線寬/線間距降低、布線層數(shù)的大幅增長；采用裸芯片工藝減少組裝面積；采用全金屬氣密封裝提升可靠性。典型產(chǎn)品(如DC/DC 變換器)功率密度約為43 W/in3，組裝密度為200 IO/cm2，使用壽命約為18 年。

1.2.1 多層厚膜基板技術(shù)

隨著介質(zhì)及通孔材料的發(fā)展，厚膜(含LTCC/HTCC)由單層布線向厚膜多層布線發(fā)展，通過疊層交聯(lián)、通孔填充等技術(shù)實現(xiàn)了多層電路的互聯(lián)，同時導(dǎo)體的線寬/線間距大幅下降，部分工藝與半導(dǎo)體工藝技術(shù)同步發(fā)展。通過多層厚膜技術(shù)發(fā)展為后續(xù)裸芯片組裝等打下基礎(chǔ)。通常在二代混合集成技術(shù)體系中表面印刷厚膜可以滿足10 層布線；線寬/間距100 μm/100 μm；LTCC/HTCC 厚膜滿足50 層布線；線寬/間距75 μm/75 μm、通孔直徑75 μm。

1.2.2 裸芯片組裝技術(shù)

裸芯片是封裝的最小尺寸，采用裸芯片直接組裝可以大幅減少組裝面積，提升組裝密度，從而減小產(chǎn)品的尺寸及重量。尤其是多個裸芯片貼裝及鍵合到一個腔體內(nèi)效果更加顯著，混合集成技術(shù)正是由于引入具有最小芯片體積的裸芯片而得到了快速的發(fā)展及應(yīng)用。通常在二代混合集成技術(shù)體系中采用裸芯片組裝比采用成品器件可以減少50%面積和70%的重量。

1.2.3 多芯片焊接技術(shù)

由于混合集成技術(shù)核心是有源和無源的一體化封裝，內(nèi)部器件相對較多，組裝工藝要求高。裸芯片多芯片焊接以及基板和芯片多層一次焊接技術(shù)是重要工藝；通過采用熱風回流焊、推板回流焊、紅外回流焊等，可以滿足多芯片焊接要求，實現(xiàn)關(guān)鍵器件75%以上焊接面積；結(jié)合陶瓷基板高導(dǎo)熱系數(shù)對產(chǎn)品的功率密度提升顯著。難點是基板類器件與芯片類器件之間的體積差大于100 倍，不同基板導(dǎo)熱系數(shù)差距大于10 倍；再加上焊料厚度差異和可觀的一次焊接數(shù)量，都對混合集成的焊接提出苛刻要求；所以多芯片多器件多層一次焊接是二代混合集成技術(shù)代表性技術(shù)之一。

1.2.4 金絲/鋁絲鍵合技術(shù)

金絲熱壓超聲鍵合和鋁絲超聲鍵合是與裸芯片工藝配套的工藝技術(shù)，二代混合集成重點是通過設(shè)備和工藝優(yōu)化在混合集成電路中實現(xiàn)多芯片鍵合參數(shù)的兼容性，多線徑、金絲/鋁絲、楔焊/球焊的集成，通過25～500 μm這種寬范圍的線徑，基本覆蓋了產(chǎn)品內(nèi)部互聯(lián)的需求，大幅提升了混合集成技術(shù)的靈活性與兼容性，是技術(shù)能力重要體現(xiàn)之一。通常在二代混合集成技術(shù)體系中鍵合工序為關(guān)鍵工序，采用SPC 統(tǒng)計過程控制，CPK＞1.33。

1.2.5 激光無源/有源調(diào)阻技術(shù)

在二代混合集成技術(shù)中一般采用激光代替砂輪或噴砂方式調(diào)阻，提高了效率和精度，提升了技術(shù)適應(yīng)性。更加重要的是混合集成產(chǎn)品內(nèi)部的厚膜電阻是集成在基板上的，不用披釉和封裝，可以進行二次調(diào)阻；所以激光有源調(diào)阻在產(chǎn)品組裝完成后進行二次修調(diào)，通過對產(chǎn)品加電同時對預(yù)設(shè)電阻進行精密修調(diào)，可以直接改變產(chǎn)品參數(shù)精度，進一步消除了各分立器件波動誤差形成的累積誤差，降低了因裸芯片無法全性能測試和元器件自身精度范圍對最終產(chǎn)品的影響，是集成器件數(shù)量大幅提升同時保障最終產(chǎn)品一致性的關(guān)鍵。通常二代混合集成產(chǎn)品的輸出精度可以修調(diào)至電壓2‰、電流5‰、頻率5‰。

1.2.6 全金屬氣密封裝技術(shù)

隨著混合集成電路應(yīng)用于各種苛刻的環(huán)境，對于可靠性要求不斷提高，并需要滿足小型化導(dǎo)熱、防潮、抗震需求，氣密性封裝成為混合集成技術(shù)標準工藝之一，尤其是全金屬氣密封裝幾乎是二代混合集成電路的標準配置。主要封口方式有：平行縫焊、儲能焊、錫封焊等；氣密封裝為裸芯片等內(nèi)部器件提供了良好環(huán)境，是產(chǎn)品長期可靠性的重要保障；并且滿足了機械支撐和質(zhì)量追溯的要求。通常在二代混合集成技術(shù)體系中密封性要達到R1≤5×10-3Pa·cm3/s(He)內(nèi)部水汽含量＜5 000 ppm，這是產(chǎn)線重要能力指標[4]。

1.2.7 混合集成技術(shù)標準建設(shè)

隨著第二代混合集成技術(shù)的發(fā)展，我國的混合集成技術(shù)發(fā)展迎來了重要里程碑——GJB2438-1995《混合集成電路通用規(guī)范》發(fā)布實施，其中明確規(guī)定了K、H 等產(chǎn)品質(zhì)量保證等級，尤其是H 級軍標工藝基線奠定混合集成發(fā)展的基石。隨后于2003 年又發(fā)布了GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》，再一次把混合集成的內(nèi)涵和定義明確闡述。

第二代混合集成技術(shù)開始普遍采用EDA 軟件進行設(shè)計和輔助生產(chǎn)，也開展了部分類型的仿真和產(chǎn)品數(shù)字化，這也是二代產(chǎn)品的特征之一。同時在設(shè)備數(shù)控化、生產(chǎn)線貫標、篩選檢驗等方面都建立了完善的體系，自二代混合集成電路技術(shù)真正形成了一套流程化、規(guī)范化、制度化的體系。部分代表產(chǎn)品如圖2 所示。

圖2 第二代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品(DC/DC 變換器、軸角轉(zhuǎn)換器、調(diào)寬和T/R)

第二代混合集成技術(shù)依然是當前混合集成技術(shù)的主要技術(shù)組成，其產(chǎn)品占據(jù)混合集成的主流，大量應(yīng)用于高可靠的功率電路、精密電路、其他電路等，僅其代表產(chǎn)品軍用DC/DC 及濾波器、脈寬調(diào)制器、基準源和精密變換器的年產(chǎn)量已超過50 萬只，在民品方面汽車控制、IGBT 等用量更是極大。并且由于其典型性特征，第二代混合集成往往被認為是混合集成的全部，這是外界的誤解。但是不可否認二代混合集成技術(shù)奠定了技術(shù)特征，目前依然廣泛應(yīng)用于市場上各類產(chǎn)品，未來也將是新代際混合集成的重要組成。

1.3 第三代混合集成技術(shù)

隨著武器裝備發(fā)展需求的不斷提升，混合集成技術(shù)向著多工藝融合、更高密度集成、高頻高效、一體化和高可靠發(fā)展，進而產(chǎn)生第三代混合集成技術(shù)。第三代混合集成產(chǎn)品發(fā)展于21 世紀初期，目前已相對成熟。其主要特征表現(xiàn)為MCM-C/D 多層布線、一體化封裝、射頻與MEMS 器件、梯度溫度焊接、金帶/鋁帶鍵合、激光氣密封裝、數(shù)字化設(shè)計仿真、K 級生產(chǎn)過程控制和超長儲存壽命等。產(chǎn)品的典型參數(shù)有功率密度約為75 W/in3，組裝密度達到500 IO/cm2，使用壽命可以達到到32 年[5]。

1.3.1 MCM-C/D 一體化封裝技術(shù)

LTCC/HTCC 與薄膜工藝結(jié)合作為封裝載體，可以實現(xiàn)多層布線與高密度互連布線融合，同時也有利于制作各種不同用途的腔體。這樣形成的一體化封裝實現(xiàn)了高密度集成、寄生電容和電感減少、信號耗損減少，有利于信號的高速傳輸，并改善其高頻性能[6]，最終實現(xiàn)更高的密度、更強的功能、更多的I/O、更低的功耗、更小的延遲、更快的速度的系統(tǒng)性能[7]。陶瓷一體化封裝的尺寸相對全金屬氣密封裝可以減少30%以上，這類封裝已經(jīng)大量應(yīng)用到無線通信、雷達、衛(wèi)星通信方面，例如美國F-22 戰(zhàn)斗機有源電掃陣列由采用LTCC 制作的2 000個低功率X 波段收/發(fā)(T/R)組件構(gòu)成[8]。

1.3.2 射頻與MEMS 器件

第三代混合集成技術(shù)重要需求之一是射頻與MEMS產(chǎn)品。射頻芯片(Radio Frequency，RF)是能發(fā)射高頻交流變化電磁波的芯片，它具有功率大、頻率高、對組裝界面敏感等特征，一般采用二、三代半導(dǎo)體材料，表面有空氣橋構(gòu)件等，它與功分器、放大器、環(huán)形器共同組成射頻電路。微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)是集成了電子電路和機械部件的微型系統(tǒng)，將處理熱、光、磁、化學、生物等新興結(jié)構(gòu)和器件通過微電子工藝及其他微加工工藝制造在芯片上，并通過與電路的集成和相互間的集成來構(gòu)筑復(fù)雜的微型系統(tǒng)，它與運算、存儲、通信器件共同組成MEMS 電路。這類功能性裸芯片因其自身特征，芯片須采用表面非接觸組裝、低空洞焊接、低應(yīng)力粘接、高精度組裝等工藝保障最終性能。通常在三代混合集成技術(shù)體系中可以覆蓋100 GHz 以下的頻率要求，組裝精度可以達到3σ±15 μm。

1.3.3 梯度溫度焊接技術(shù)

采用工藝溫度由高到低方式進行產(chǎn)品組裝是通用性工藝要求，也是業(yè)界的共識；但是由于混合集成技術(shù)面向的是大量有源和無源器件在一個封裝體的集成，而且器件種類多，封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜；研制生產(chǎn)又是小批量、多品種模式，所以梯度溫度焊接作為一種保障可實施性和組裝合格率的重要手段，被作為三代混合集成的重要手段，一般會采用280 ℃、230 ℃、183 ℃三個梯度，結(jié)合共晶焊、回流焊以及新的焊接工藝如真空熱風回流焊、真空氣相回流焊等，能夠有效保障特定芯片5%以下空洞率要求的保障。焊接層級達到4～5 層，焊接器件大于300 個。

1.3.4 金帶/鋁帶鍵合技術(shù)

帶狀鍵合不是三代發(fā)展的技術(shù)，但是在三代開始普遍應(yīng)用。隨著產(chǎn)品功率與電流的增長，對于互連線的截面積要求大幅提升，而芯片厚度卻在不斷下降、芯片材質(zhì)也有調(diào)整、導(dǎo)體和鍍層厚度無法大幅提升。絲狀鍵合在承流能力、弧度、高度、鍵合壓力方面都已經(jīng)不適應(yīng)需求變化。結(jié)合新的工藝設(shè)備、檢驗?zāi)芰μ嵘饚?鋁帶鍵合成為三代混合集成的通用工藝之一。雖然由于其形狀限制，鍵合帶相對鍵合絲方向靈活性較差，但它可以在鍵合界面不用大幅調(diào)整的情況下，通過增加鍵合面積達到低壓力、大功率、低弧度、多層互聯(lián)的目的。進一步說，由于帶相對絲來說有更好的接觸面和更小的轉(zhuǎn)彎角，可以實現(xiàn)多芯片連續(xù)鍵合、多層復(fù)合鍵合、包裹鍵合等。通常在三代混合集成技術(shù)中鋁帶鍵合通流可以達到100 A，金帶寬度大于200 μm。

1.3.5 激光氣密封裝技術(shù)

由于三代混合集成電路的封裝體材質(zhì)、形狀、尺寸和應(yīng)用有較大調(diào)整，因此常規(guī)的平行縫焊等無法完全滿足，采用激光縫焊成為通用工藝之一。例如鋁或者鋁硅材質(zhì)的封裝體，必須采用激光方式。異性構(gòu)件的封裝體越來越多，增加的加強筋和多面體必須采用激光封裝。還有激光局部加熱錫封工藝，以及激光加強封口工藝等。激光氣密封裝還包括激光檢漏等新式無損檢漏手段。通常在三代混合集成技術(shù)體系中激光封焊的氣密性可以達到R1≤5×10-5Pa·cm3/s(He)，封裝尺寸達到200 mm×200 mm。

1.3.6 數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)

隨著混合集成技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)部器件和互聯(lián)數(shù)量急劇提升，而且其采用的元器件、原材料和結(jié)構(gòu)范圍廣、靈活度大，同時又是多品種、小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品既要高可靠又無法進行大量產(chǎn)品反復(fù)驗證，所以數(shù)字化設(shè)計與仿真的重要性越來大。三代混合集成技術(shù)一般需要采用基于基線和IP 核的數(shù)字化的設(shè)計理念和科學的過程控制；產(chǎn)品的一次研發(fā)成品率、直通率、批次/批量合格率等，也成為三代混合集成線體的重要指標之一。混合集成自二代生產(chǎn)基本實現(xiàn)了生產(chǎn)的數(shù)控化，大幅提升了產(chǎn)品一致性和合格率，在三代混合集成時由于元器件數(shù)量大幅增加(二代上限200 只器件，三代可以達到1 000 只)、互聯(lián)關(guān)系增長顯著，部分工序必須實施自動化生產(chǎn)，例如貼片、鍵合等只有采用自動化方可保障產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3.7 K 級過程控制

混合集成重要應(yīng)用領(lǐng)域之一是宇航應(yīng)用，亦即K 級產(chǎn)品，所以三代混合集成技術(shù)中逐漸完善宇航級(K 級)組裝規(guī)范要求來確保產(chǎn)品的可靠性。在更新的標準GJB2438B-2017《混合集成電路通用規(guī)范》中對于宇航應(yīng)用也更加關(guān)注；另外國內(nèi)航天重點院所制訂了一些基于宇航級規(guī)范的衍生規(guī)范，如一院的LMS、五院的CAST、八院的SAST 等。整體上來說，核心的控制內(nèi)容有過程中X 射線拍照、非破壞鍵合拉力、K 級檢驗標準、多媒體記錄、氦氣示蹤封裝、宇高產(chǎn)線建設(shè)、加嚴篩選和產(chǎn)品不同時期指標一致性判定等。長儲長壽命技術(shù)：在三代混合集成中有一個重要的技術(shù)分支，重點應(yīng)用方向是戰(zhàn)略或者長期值班無法更換的應(yīng)用需求，核心指標之一是32年長期存儲質(zhì)量保障或125 ℃1 000 h 全功率壽命老化后的產(chǎn)品可靠性保障。一般通過冗余設(shè)計、無機物互聯(lián)、密封性提升、加嚴篩選和內(nèi)部氣氛控制等策略保障。

第三代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品PCU、MCM、變頻組件和功率組件如圖3 所示。

圖3 第三代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品(PCU、MCM、變頻組件和功率組件)

混合集成技術(shù)的代際是一個繼承與創(chuàng)新的過程，新一代的技術(shù)是在前一代的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的技術(shù)平臺，所以三代技術(shù)完全兼容一、二代技術(shù)，并具有新的內(nèi)涵與特征。但是每一代的進步差距同樣顯著，也就是說沒有三代技術(shù)特征的生產(chǎn)線無法穩(wěn)定、高效地生產(chǎn)三代混合集成電路產(chǎn)品。另外在第三代混合集成技術(shù)中引入新的材料或工藝，例如多材料復(fù)合封裝、抗輻照局部加固、無焊料共晶、全銅互聯(lián)、結(jié)構(gòu)分析等都是混合集成技術(shù)一部分，不再逐一闡述。第三代混合集成技術(shù)是當前正在大力發(fā)展的混合集成技術(shù)，就全國來看，僅僅其代表產(chǎn)品軍用PCU、MCM、射頻和T/R 的年產(chǎn)量已接近30萬只，在民品方面汽車電子、內(nèi)置助聽器等用量更是極大。由于其采用的一些技術(shù)手段是二代混合集成技術(shù)中常用的，因此有些產(chǎn)品會被劃到二代混合集成技術(shù)中，但其先進性不應(yīng)該被否定。第三代混合集成技術(shù)是當前武器裝備用高端元器件的主要技術(shù)手段，在一段時期內(nèi)將大力支持高新武器裝備的發(fā)展。

1.4 第四代混合集成技術(shù)

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。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。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)面對的技術(shù)挑戰(zhàn)包括：寬帶隙功率電子器件[9](如GaN，Al(Ga)N，SiC，GaO，金剛石)、新式電容器(如高密度溝槽電容器、嵌入式分立硅電容器[10])、超級電感器(硅基微磁集成，柔性立體磁集成，低損耗內(nèi)冷繞組集成)、3D 異構(gòu)互聯(lián)[11](如瞬態(tài)液相燒結(jié)、納米金屬燒結(jié)[12]、芯片橋嵌入式互連EMIB[13]、晶胞集成Chiplet[14]等)、綜合熱管理(如熱超材料、真空熱隔離和集成微流體[15])。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。產(chǎn)品的典型參數(shù)有功率密度200 W/in2，組裝密度2 000 IO/mm2，組裝精度3σ±1 微米組裝精度，集成密度：300%，使用壽命32 年。

1.4.1 功率陶瓷一體化封裝

混合集成電路三代技術(shù)的陶瓷一體化封裝主要是基于氧化鋁陶瓷，雖然具有體積小、密度高的特點，但是由于材質(zhì)自身限制，導(dǎo)熱能力一直是個瓶頸。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)制作氮化鋁基的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(dǎo)熱能力，為進一步提升封裝密度奠定了集成。預(yù)計四代混合集成技術(shù)封裝的導(dǎo)熱能力將超過200 W/m.K(銅金剛石外殼可以達到500 W/m.K)，并且向著大尺寸、多維度、多腔體、高度集成發(fā)展(阻容感及射頻端口和有源器件)。

1.4.2 3D 打印及IPD 技術(shù)

本文中所指的3D 打印技術(shù)專指采用3D 打印技術(shù)加工混合集成電路的導(dǎo)體、介質(zhì)、電阻、瓷體、封裝等；從技術(shù)發(fā)展層面來看，3D 打印技術(shù)是與混合集成技術(shù)一脈相承的，混合集成技術(shù)從傳統(tǒng)的厚膜印刷即層加法工藝，到四代采用的3D 打印即顆粒的加法工藝，并進一步發(fā)展至未來五代分子級加法工藝(自組裝)，這是技術(shù)創(chuàng)新越來越深入的典型特征。在混合集成中引入3D打印是為了四代混合集成電路內(nèi)埋置、異構(gòu)形、多維組裝的需求，通過3D 打印把基板、封裝、結(jié)構(gòu)件、微流道逐層構(gòu)成，并進行有源/無源內(nèi)埋置，從而大幅提升產(chǎn)品的集成密度與靈活性，保障第四代混合集成在功率密度和組裝密度方面成倍提升。

1.4.3 倒裝焊及TSV 技術(shù)

按照GJB2438B-2017 附錄D“D.5 宇航用電路的禁(限)用工藝和材料，f)禁止使用倒裝芯片組裝工藝。”，倒裝焊在混合集成電路中應(yīng)用還待進一步推進，其擔心的倒裝焊質(zhì)量和多余物問題都可以通過改進工藝和方法避免，未來倒裝焊應(yīng)該是高密度和多維集成的重要手段。尤其是基于金凸點的熱壓超聲倒裝焊，具有組裝密度高、靈活性強、穩(wěn)定性高和無需焊劑的特點，是四代混合集成的重要工藝手段。其中凸點制作一般采用芯片鍵合植球、基板電鍍凸點、晶圓電鍍凸點等工藝；焊接采用熱壓超聲或者回流焊。硅通孔TSV(Through Silicon Via)技術(shù)是三維堆疊的核心，目前TSV 技術(shù)應(yīng)用集中在晶圓級，分立器件也在混合集成電路中應(yīng)用，TSV 與倒裝焊技術(shù)結(jié)合可以成倍提升組裝密度。研究認為在四代混合集成技術(shù)中TSV/TGV、RDL、Find-out、Flip-Chip 都將作為高密度組裝的手段得到廣泛應(yīng)用，在新的結(jié)構(gòu)下這些技術(shù)的結(jié)合，將會保障混合集成成為SoC 的可靠替代解決方案[16]。

1.4.4 多維度組裝

為實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，將大量傳統(tǒng)CMOS 電路、SiC 電路、GaAs 電路、SiGe 電路或者光電子器件、MEMS 器件以及各類無源元件集成到一個封裝體內(nèi)以實現(xiàn)整機系統(tǒng)功能，使單芯片封裝進入系統(tǒng)級集成封裝就是混合集成微系統(tǒng)SIP。例如把傳感器、MEMS 器件等功能器件與中央處理器(CPU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、存儲器(Memory)、射頻前端、模擬前端、混合信號等集成電路有序地集成在一起,形成強大的混合集成SIP[17]。當在單雙面組裝面積不夠時，組裝必然向著多層、多維度方向發(fā)展，立體、多面、多腔即是必然需求。在第四代混合集成技術(shù)多維度組裝中作為一個常規(guī)工藝存在。由此也引入集成密度概念替代組裝密度，集成密度：通過測量產(chǎn)品內(nèi)部各個器件(含內(nèi)部集成)的面積尺寸Ai(i 表示器件序號)，計算出所有器件應(yīng)占面積ΣAi，將所有器件應(yīng)占面積之和ΣAi與基板有效總投影面積C 作比，即可得產(chǎn)品的集成密度。一般而言四代混合集成SIP 的集成密度應(yīng)達到300%；通過多維度組裝大幅提升了混合集成的組裝密度也贏得了發(fā)展空間，但是也提出了一系列的新挑戰(zhàn)，如分立器件檢驗有效性、多器件一次組裝合格率、滿足軍用級產(chǎn)品環(huán)境試驗應(yīng)力等。

1.4.5 微納級組裝

隨著四代混合集成技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品中開始集成MEMS 和光學器件。部分MEMS 器件需要進行多維度組裝，并且保證組裝精度以實現(xiàn)其功能，包括X、Y、Z 三個方向的精度、平整度、旋轉(zhuǎn)度等，同時還需要保障組裝應(yīng)力、固化應(yīng)力、使用應(yīng)力、篩選應(yīng)力的穩(wěn)定。另外由于MEMS 器件對于阻力很敏感，應(yīng)提供大尺寸的真空封裝等。光電器件(含激光器)需要保障光纖、透鏡、光器件的光路一致性，不論組裝或者后續(xù)應(yīng)力影響光路都會導(dǎo)致耦合度的大幅下降，所以其組裝設(shè)計和精度必須系統(tǒng)設(shè)計，尤其在耦合時需要進行微納級調(diào)整，一般而言在特定器件上應(yīng)滿足3σ±1 μm 組裝精度。其他要求如光學器件的免清洗組裝(在單片向混合集成轉(zhuǎn)變時很重要)、激光局部焊接技術(shù)、陣列式熱沉等，都是實現(xiàn)其功能的通用技術(shù)。

1.4.6 激光加工技術(shù)

激光作為熱板、紅外、熱風的替代具有控制精度高、操作自動化、靈活性強、適應(yīng)性強、非接觸等優(yōu)點。例如：激光增材封焊技術(shù)，適用鋁硅外殼和鋁碳化硅材料這種因材料特征無法采用常規(guī)的平行縫焊或儲能焊的外殼，利用激光加熱金錫球，噴焊到指定結(jié)構(gòu)的焊縫，通過金錫焊料填縫滿足封裝要求，具有適應(yīng)性強、靈活度高、焊接厚度深、機械強度大的特點。其他還有激光倒裝焊設(shè)備，用于微系統(tǒng)產(chǎn)品返工返修可以精密局部加熱，進行單個器件的拆解和再焊接。LTCC/HTCC 導(dǎo)體激光刻蝕技術(shù)，通過導(dǎo)體激光修蝕提升布線密度及線條分辨率滿足高密度、高頻率應(yīng)用。選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)，在封裝體或電流上制作特定器件或結(jié)構(gòu)件。激光加工技術(shù)早早地作為調(diào)阻、劃片與混合集成技術(shù)緊密結(jié)合，新代際中更將在激光增材和精細加工方面共譜新篇章。

1.4.7 KGD 技術(shù)與密封前老煉

已知好芯片(Know Good Die，KGD)與產(chǎn)品密封前老煉技術(shù)的提出時間都比較早，但是在真正應(yīng)用方面一直未全面推廣。一方面是由于技術(shù)本身的原因，如裸芯片老化的保護、晶圓全性能測試和過程防護，密封前產(chǎn)品老化的散熱與保護等；另一方面也是由于前幾代混合集成電路整體上質(zhì)量可靠性高且集成度還不夠大。隨著第四代混合集成技術(shù)的發(fā)展，混合集成SIP 中組裝的器件數(shù)量將急劇增長，多維度組裝將嚴重制約產(chǎn)品的返工返修，產(chǎn)品成本大幅提升帶來生產(chǎn)數(shù)量的降低及對合格率要求的大幅提升，這些都是將KGD 與密封前老煉在第四代混合集成電路推廣的重要原因。通過在早期進行裸芯片或者未封口電路的老化篩選，剔除早期失效，實現(xiàn)零缺陷目標。

1.4.8 數(shù)字化工廠

鑒于第四代混合集成技術(shù)形成的產(chǎn)品已經(jīng)達到系統(tǒng)級別，而其品種多、批量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，為了保證研制生產(chǎn)的有效性，原則上應(yīng)建立一個基于數(shù)字化制造的完整技術(shù)平臺，以數(shù)字化版圖(EBOM)、數(shù)字化物料(MBOM)、數(shù)字化工藝(PBOM)、數(shù)字化工廠(Digital Factory)為核心，打造數(shù)字化雙胞胎。其中EBOM、MBOM、PBOM等構(gòu)成完整的技術(shù)狀態(tài)，而大量精確的數(shù)字化模型通過仿真和虛擬制造完整地模擬實物制造過程，完成結(jié)構(gòu)干涉檢測、可制造性設(shè)計、人體工學優(yōu)化等工作，保障產(chǎn)品研制周期和研制成本。由數(shù)字化制造工藝仿真出來的數(shù)字化產(chǎn)品也是提供系統(tǒng)裝備的“數(shù)字化原理樣機”，保障總體設(shè)計和分布制造同步，大幅減少系統(tǒng)裝備的研制時間和調(diào)試周期。

1.4.9 全壽命周期過程管理

因為四代混合集成復(fù)雜度的增長和可靠性要求提升，針對其提出涵蓋設(shè)計、研制、驗證、生產(chǎn)、篩選、評價、售后的全過程全壽命周期工程管理要求。這是一種通過梳理第四代混合集成電路設(shè)計制造流程，分析設(shè)計制造過程中實現(xiàn)方式和要點進行量化指標分析，基于產(chǎn)品基因組(DNA)概念及離散性分析方法，通過大數(shù)據(jù)分析采取參數(shù)變異分析法和拓撲結(jié)構(gòu)分析法對過程識別做判定[18]，最終形成全過程全壽命過程控制的方式。它是智能化設(shè)計與數(shù)字化工廠結(jié)合，是材料、器件、過程綜合評價，是智能化單元與壽命預(yù)期結(jié)合。全周期全壽命管理等新型的設(shè)計理念、制造管理、檢測理念共同形成混合集成技術(shù)革新。第四代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品如圖4 所示。

隨著芯片規(guī)模的擴大，人們也期望將完整的電子系統(tǒng)集成在一塊芯片中，形成系統(tǒng)級芯片(SoC)，但由于其研發(fā)成本高昂，工藝技術(shù)復(fù)雜，研制周期較長且需要規(guī)模支撐，因此在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用受限。而第四代混合集成的主要代表之一混合集成SIP 將是SoC 的重要補充，重點面向小批量、多品種、快迭代、短周期的高端需求；就像單片封裝與二代混合集成的關(guān)系一樣，應(yīng)用于不同領(lǐng)域、不同規(guī)模、不同需求，目標都是解決半導(dǎo)體器件與通用器件的互聯(lián)問題。四代混合集成技術(shù)相關(guān)工藝還包括圓片級封裝(WLP)、硅通孔(TSV)、芯片堆疊(Stacked Dies)、封裝堆疊(Stacked Packages)、硅圓片堆疊(Stacked Wafers)、埋置基板(Embedded Substrate)、集成無源器件(IPD)等，涉及引線鍵合(Wire Bonding)、倒裝芯片(Flip Chip)、微凸點制造(Micro-bumping)等，代表品種有SIP 混合集成微系統(tǒng)、MEMS 一體化電路、光電微系統(tǒng)、慣導(dǎo)微系統(tǒng)、集成化導(dǎo)引頭等。混合異構(gòu)集成、CHIPLET 也是其發(fā)展代表。另外在第四代混合集成技術(shù)中引入新的材料或工藝，例如納米材料應(yīng)用、石墨烯應(yīng)用、局部灌封技術(shù)、微集成熱管等都是混合集成內(nèi)容一部分，不再逐一闡述。未來一段時期第四代混合集成的可靠性、靈活性、兼容性是軍事武器裝備發(fā)展的有力支撐。

1.5 第五代混合集成技術(shù)

技術(shù)因需求而存在，以產(chǎn)品為體現(xiàn)，與市場共存亡。當前的深空探測、外星登陸、量子/光子應(yīng)用、人工智能、束能武器以及高速飛行器等都為混合集成技術(shù)未來的發(fā)展和提升指明了方向。基于科學技術(shù)的發(fā)展規(guī)律和未來預(yù)測，混合集成技術(shù)必將以其兼容性、靈活性、可靠性、極端環(huán)境適應(yīng)性在這些領(lǐng)域或其中一部分得以應(yīng)用。未來已來，預(yù)研不遠，在新一代技術(shù)應(yīng)用中，預(yù)計第五代混合集成通用技術(shù)可能有：全超導(dǎo)封裝體、無磁/強磁小型化封裝、類人感知封裝、極限環(huán)境工藝(-163 ℃～150 ℃)、可擴展超級封裝、自組裝分子封裝、相變及記憶金屬應(yīng)用等。下面選取幾個代表應(yīng)用進行預(yù)測。

圖4 第四代混合集成技術(shù)代表產(chǎn)品

1.5.1 光子/量子封裝

隨著光子/量子在計算、存儲、通信、探測、導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)傾向于對于單光子/單量子、原子/電子的探測與操控，以量子力學為基礎(chǔ)的光子/量子電路不同于傳統(tǒng)經(jīng)典物理。例如低溫超導(dǎo)量子計算機，它的處理器需要在30 mK 以下的低溫環(huán)境中才可以穩(wěn)定工作。因此量子芯片的封裝[19]設(shè)計需要提供高穩(wěn)定的機械固定，并與制冷源維持良好的熱接觸，所有連接至芯片的信號線路(信號很微弱)需要超導(dǎo)[20]；芯片封裝需要提供無磁環(huán)境并降低紅外輻射噪聲以滿足測控運算實施。所以以材料技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、微波技術(shù)、封裝技術(shù)研究為核心，通過電子設(shè)計、量子設(shè)計、磁設(shè)計、熱設(shè)計、機械設(shè)計等不同學科的融合和交叉，需要攻關(guān)的內(nèi)容包括：超導(dǎo)多層布線技術(shù)研究、芯片載板低溫匹配性研究、低溫陶瓷一體化封裝研究、低溫氣密封裝技術(shù)研究、高密度低溫互聯(lián)技術(shù)研究等；通過第五代混合集成技術(shù)可以不斷減少量子封裝體積，增強工程機量子態(tài)穩(wěn)定時間，提高封裝內(nèi)各類器件混合組裝密度，提升量子計算機總體工程可靠性。第五代混合集成可以保障如光子雷達、原子自旋陀螺等在極限環(huán)境下通過對光子、原子、電子的測控實現(xiàn)經(jīng)典物理無法實現(xiàn)的功能。

可擴展封裝和超導(dǎo)量子處理器封裝如圖5 所示。

1.5.2 類人感知封裝

未來科技發(fā)展的重要方向之一是人工智能，其中智能設(shè)備的核心是類似人體頭腦的器件，是整個人工智能的中樞。針對智能設(shè)備的“大腦”提供類腦封裝極其重要，它既要提供一個如同人頭部具有視、聽、嗅、味、觸的五官七竅的各外部接口，還要具有電、磁、網(wǎng)、超聲、激光測距等超能感知的功能，同時提供一個保障該類處理、執(zhí)行機構(gòu)的安全載體，這就是類人感知封裝。其中MEMS、微電子、光電、通信、存儲、處理和生物等技術(shù)的交叉融合構(gòu)成內(nèi)部系統(tǒng)，通過將處理熱、光、電、聲、磁、化學、生物信息的器件整合到一個封裝內(nèi)，形成類似人腦功能的總系統(tǒng)是解決的核心，其中系統(tǒng)再集成、多功能接口封裝、微納制造以及軟硬結(jié)合封裝都是重要技術(shù)。第五代混合集成技術(shù)通過軟硬結(jié)合的封裝技術(shù)及多功能接口，保障實現(xiàn)一個小型化、高可靠、全功能的封裝環(huán)境。類腦封裝的架構(gòu)圖如圖6 所示。

1.5.3 極端環(huán)境封裝

可以預(yù)見在不遠的將來，人類的足跡將邁向太空深處，所以電子產(chǎn)品滿足深空要求將是未來的通用需求之一。在遠離太陽輻射的地方，環(huán)境溫度將下降到-163 ℃，由于載人環(huán)境等可能無法依靠核輻射能保溫，對于元器件的要求將會更加苛刻，太空也許會成為理想的組裝環(huán)境，混合集成高度靈活的多品種、小批量、高可靠優(yōu)勢正是適用于太空生產(chǎn)、太空應(yīng)用的特點，可以預(yù)見深空探測用器件研產(chǎn)技術(shù)，滿足極端環(huán)境封裝(-163 ℃～150 ℃)用混合集成將會大展宏圖。

隨著新的需求與技術(shù)發(fā)展，未來的封裝形式和要求也將日新月異，混合集成技術(shù)由于良好的兼容性和靈活性，必將是封裝領(lǐng)域的開路先鋒和推動力量。隨著混合集成技術(shù)的發(fā)展，第五代混合集成將繼續(xù)從宏觀向微觀延伸，做好宏觀與微觀的聯(lián)接紐帶，其中微觀以兼容分子級為主，如分子自組裝能力，記憶金屬或應(yīng)變材料都是其中關(guān)鍵；宏觀方面在不斷解決結(jié)構(gòu)和材料的前提下，將會實現(xiàn)無限拼接封裝[21]、極端環(huán)境應(yīng)用。通過混合集成技術(shù)與量子力學相結(jié)合，利用新的設(shè)計、材料、設(shè)備、環(huán)境進行有機融合必將結(jié)出更加豐碩成果。

2 總結(jié)與分析

通過以上對混合集成技術(shù)發(fā)展歷程進行梳理和分析，可見混合集成技術(shù)的發(fā)展具有顯著的代際性，經(jīng)提煉匯總混合集成技術(shù)各個代際的關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用如表1 所示。

圖5 第五代混合集成技術(shù)預(yù)測

圖6 類腦封裝的架構(gòu)圖

表1 混合集成電路發(fā)展歷程

綜上所述，首先混合集成技術(shù)因需求而產(chǎn)生，應(yīng)需求而進步，為需求而發(fā)展。隨著半導(dǎo)體芯片的功能化提升和芯片級封裝技術(shù)進步、PCB 級產(chǎn)品的組裝密度和可靠性提升、成本低和商業(yè)化消費電子的突飛猛進，在半導(dǎo)體集成技術(shù)PCB/FPC 新封裝形式的兩面夾擊下，混合集成看似所占份額逐年降低；同時由于新的混合集成技術(shù)包含的內(nèi)容越來越多，基于各種原因?qū)τ谛录夹g(shù)提出新名稱和種類，掩蓋了混合集成技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)，甚至有人提出混合集成技術(shù)的消亡時間表和關(guān)鍵節(jié)點，這是對混合集成技術(shù)不理解造成的。混合集成共計發(fā)展了三代技術(shù)，正在形成四代技術(shù)，它是與半導(dǎo)體集成電路發(fā)展匹配的先進封裝技術(shù)，既是半導(dǎo)體集成技術(shù)的后道，又是對半導(dǎo)體技術(shù)的有益補充，是武器裝備小型化、輕量化、高速化、多功能化、智能化、高可靠性的保障。隨著混合集成技術(shù)的一代代進步，不斷把功能性、靈活性、可靠性、適應(yīng)性提到更高水平，它具有相當寬泛的應(yīng)用前景，包括新型火箭、衛(wèi)星、飛船、新一代戰(zhàn)略武器、束能武器、高新飛行器等陸、海、空、天、電、磁所有裝備領(lǐng)域，未來也必將在電子行業(yè)占有不可或缺的席位。

其次，在混合集成技術(shù)發(fā)展中也存在一些問題，例如界限、范圍、代表技術(shù)和產(chǎn)品的不清晰，這些并不是核心；而從混合集成技術(shù)發(fā)展自身考慮，必須改革創(chuàng)新，打破籓籬，例如GJB2438B 中“D.5 宇航用電路的禁(限)用工藝和材料，f)禁止使用倒裝芯片組裝工藝。”，倒裝焊這類與高密度小型化息息相關(guān)的工藝不應(yīng)該一禁了之，而是研究考核評價機制，保障工藝質(zhì)量，支持它在混合集成電路中的應(yīng)用。同時在混合集成技術(shù)發(fā)展的未來，行業(yè)的聯(lián)合及融合很重要，隨著工藝復(fù)雜度提升，導(dǎo)致工藝技術(shù)的實現(xiàn)需要多企業(yè)合作，而不是原有的單個企業(yè)整體完成；工藝不僅僅是生產(chǎn)商的工作也是設(shè)計、設(shè)備、材料、生產(chǎn)商聯(lián)合攻關(guān)的結(jié)果。其他需要涵蓋的工藝還有真空封裝以及密封后電鍍、導(dǎo)熱、加固等工藝技術(shù)，這些技術(shù)在新的時期已經(jīng)不同以往，應(yīng)該進行研究、保障并支持應(yīng)用。海納百川，兼容并包，實現(xiàn)1+1＞2，才是混合集成初心與使命。

最后，混合集成是一系列高端先進封裝的綜合體，從一代到四代，其應(yīng)用的需求不同，所以內(nèi)涵不斷豐富；與具體封裝形式如DIP 或LGA 不同，是與半導(dǎo)體工藝發(fā)展相輔相成的綜合技術(shù)。現(xiàn)在的混合集成技術(shù)已經(jīng)是可以兼容厚膜、薄膜、LTCC/HTCC、DBC、PCB、FPC、AMB、半導(dǎo)體基板等基板技術(shù)；全金屬外殼、陶瓷一體化外殼、有機外殼等封裝形式；一代半導(dǎo)體硅(Si)、鍺(Ge)；二代半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)；三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、金剛石、氧化鋅(ZnO)等等不同材質(zhì)的半導(dǎo)體芯片；各類表貼無源器件及結(jié)構(gòu)器件；或者說混合集成技術(shù)特征就是把各種材質(zhì)和特性的元器件、原材料整合。通過混合集成技術(shù)的不斷創(chuàng)新與持續(xù)發(fā)展，混合集成電路不斷推陳出新，煥發(fā)活力。混合集成技術(shù)未來更是量子、光子和宏觀電路的連接紐帶[22]。鑒于目前混合集成技術(shù)的發(fā)展，建議國家對于第一、二代混合集成可以選擇性支持，對于第三代混合集成進行工程化支持，重點對于第四代混合集成進行研制平臺建設(shè)支持，對于第五代混合集成進行預(yù)研性支持。

3 結(jié)束語

本文通過提綱挈領(lǐng)的分析混合集成技術(shù)的發(fā)展過程，提煉關(guān)鍵指標和特征，提出了混合集成技術(shù)代際新思路。由分析可見混合集成技術(shù)的代際發(fā)展過程清晰，代際關(guān)系顯著。按照代際關(guān)系進行混合集成技術(shù)的全面梳理，可以改變第一、二代混合集成技術(shù)給大家留下的固有印象，展示混合集成技術(shù)不斷地創(chuàng)新與改進的成果和目標。并通過綜合分析及趨勢判斷，可以預(yù)測和引領(lǐng)混合集成未來的方向。