夏俊生，周 曦

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠，233042）

1 引言

混合集成電路（HIC）三個主要發(fā)展方向是高密度、高頻率和高功率。其中，高密度以基于高密度組裝技術的MCM和SIP為代表，高頻率以基于LTCC技術的微波毫米波組件為代表，高功率則以基于功率基板的功率混合集成電路為代表。關于功率混合集成電路，業(yè)界尚未形成統(tǒng)一定義。通常將功率密度達到1W/in2以上（或輸出功率大于5W），并使用專門的設計和制造技術來提高散熱能力、控制內(nèi)部溫度，以可靠滿足技術性能要求的混合集成電路，稱為功率混合集成電路。根據(jù)功率密度大小，可進一步對功率混合集成電路進行分類。一般來說，將功率密度小于20W/in2稱為低功率或中低功率，20W/in2～100W/in2稱為中功率，超過100W/in2則稱為高功率。

在功率HIC中，基板起到承載元器件、實現(xiàn)電學互連和導熱的作用。為保證功率電路能夠長期可靠工作，首先就要選用具有良好散熱性能的功率基板，同時還要求基板能夠進行較高密度的高可靠布線。從工藝布局的角度看，功率混合集成電路由兩個主要部分構成，其一是以功率元件為主體的功率單元，其二是以小功率數(shù)字和模擬電路為主體的信號處理單元。工藝布局設計的主要內(nèi)容就是如何對功率單元和信號處理單元進行合理的平面轉換和分割設計，目的是確保產(chǎn)品的性能和可靠性，同時具有良好的工藝可實現(xiàn)性。

2 功率基板選用及其布線工藝

根據(jù)基板的基體材料不同，功率基板選用及其布線工藝主要分為陶瓷基板和金屬基板兩大類。

2.1 陶瓷基板

在陶瓷基板中，常規(guī)基板以96% Al2O3陶瓷為代表，高導熱陶瓷基板以BeO、AlN陶瓷為代表。陶瓷功率基板大部分采用厚膜布線工藝，另一種布線方式是DBC布線工藝。

2.1.1 厚膜布線基板

厚膜工藝是陶瓷基板的主要布線方式，具體通過絲網(wǎng)印刷、干燥、燒結工藝，將厚膜電子漿料印燒在基板表面，形成厚膜布線層。這種布線方式的優(yōu)點是工藝成熟、布線性能良好、工藝穩(wěn)定可靠。

在Al2O3、BeO和AlN三種陶瓷中，BeO熱導率最高，但缺點是BeO粉塵有毒性，影響到材料使用的安全性，且BeO基板成本高，不適于大量采用。相比而言，AlN不但具有高熱導率，而且成本適中，且無安全性問題。此外，與BeO相比，AlN一個重要特性是其熱膨脹系數(shù)（CTE）典型值為4.45×10-6/℃，與硅（CTE為4.5×10-6/℃）很接近，特別適合于功率IC芯片的高可靠組裝?；谏鲜鲈?，當前BeO基板的使用受到一定的限制，AlN基板在功率電路中的使用則越來越廣泛。

Al2O3陶瓷熱導率雖然比BeO和AlN低，但有最多的厚膜漿料與之配套，且價格低、成本優(yōu)勢明顯，也沒有安全性問題，對于功率不大的中低功率電路，可優(yōu)先選用Al2O3陶瓷。

2.1.2 DBC基板

DBC（Direct Bonding Copper）基板即直接覆銅板， DBC布線是將銅箔直接附著在氧化鋁、氧化鈹或長有氧化鋁薄層的氮化鋁基板表面，在一定溫度和氣氛下燒結，使銅箔和基板之間通過氧化銅和陶瓷燒結層牢固結合。

DBC中的銅箔厚度范圍是0.1mm～0.5mm，通常為0.1mm～0.3mm，比厚膜導體布線厚度（十到幾十微米）大得多，因此能夠承受更大電流，在對電流強度有特殊要求的場合具有一定的優(yōu)勢。

考慮到BeO使用上的安全性，陶瓷直接覆銅板主要采用Al2O3-DBC和AlN-DBC，主要應用于電力電子器件、大功率電源、大電流橋式電路和點火組件等高功率產(chǎn)品中。

2.2 絕緣金屬基板（IMS）

絕緣金屬基板是指先在金屬基片表面制作絕緣層，然后在絕緣層上進行電路布線的基板。如上所述，陶瓷基板具有良好的導熱性和成熟可靠的布線工藝。但陶瓷基板存在脆性大、機械強度低、大面積基片制作比較困難、難以在基板上安裝散熱器等不足之處，因此發(fā)展出絕緣金屬基板（Insulated Metal Substrate，IMS）以彌補這些不足。如果實際電路有大面積基板制作、高機械強度、散熱器安裝等性能需求，則可以選用絕緣金屬基板。

絕緣金屬基板的種類很多，最常使用的是鋁基絕緣基板，通常稱作鋁基板；另外還有一種是不銹鋼絕緣基板，通常又稱不銹鋼基板。

2.2.1 鋁基板

（1）鋁基覆銅板

鋁基覆銅板是具有代表性的鋁基絕緣基板，這種鋁基板采用的是覆銅布線工藝。鋁基覆銅板制作是先用一種專門的熱壓工藝，在鋁合金表面形成一層很薄的絕緣層（導熱環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布），再在絕緣層上壓接銅箔而成。其布線圖案形成工藝與PCB相同，采用的是光刻技術。通過采用與多層PCB相似的工藝，可在鋁基板表面形成多層布線。該基板具有高熱導率、電絕緣性和耐電壓性、優(yōu)異的機械加工性等特點，可用于一般功率器件組裝制作。

（2）鋁陽極氧化基板

鋁陽極氧化基板的絕緣層是氧化鋁，該絕緣層通過陽極氧化工藝在鋁合金表面形成，形成絕緣層后再用鍍膜工藝制作鋁導體，并可以根據(jù)用戶需要制作單層或多層布線。

如上所述，鋁基覆銅板是由鋁板、絕緣層材料和銅箔三者經(jīng)熱壓而成，在長時間高溫作用下，三者之間易出現(xiàn)分層缺陷，甚至銅箔從絕緣層剝落。而鋁陽極氧化基板中的鋁板、絕緣層和導體之間是鋁和氧化鋁的牢固結合，結合強度明顯高于鋁基覆銅板，因此適用于大功率器件的高可靠組裝。

鋁基覆銅板和鋁陽極氧化基板所用材料對比見表1[1]。

表1 鋁基覆銅板和鋁陽極氧化基板用材料對比

2.2.2 不銹鋼基板

不銹鋼表面絕緣層和導體布線層制作采用的都是厚膜工藝。適用于厚膜工藝及其電子漿料的典型不銹鋼品種是430鐵素體不銹鋼，簡稱430不銹鋼。

當前，國內(nèi)外不少公司已先后開發(fā)出基于不銹鋼基板的厚膜電子漿料，包括介質漿料、電阻漿料和導體漿料等。由于這些厚膜漿料在不銹鋼表面的成膜工藝與陶瓷基板相同，因此，這些漿料的研制成功為基于不銹鋼基板的功率混合集成電路的應用提供了有利的基礎。值得一提的是，能用常規(guī)厚膜工藝完成基板制作，這是不銹鋼基板相對于鋁基板的優(yōu)勢。目前，不銹鋼基板主要應用于各種形式的厚膜電加熱器、工業(yè)控制用功率電阻器、功率光源集成模塊等領域。

以上不同種類陶瓷基板和絕緣金屬基板的性能特性如表2所示。

表2 不同種類功率基板主要特性對比

總之，功率基板選用需考慮多方面因素，其中包括基板散熱能力、基板強度、線性熱膨脹系數(shù)、電氣性能、基板布線工藝成熟性和可靠性以及基板成本和安全性等。具體來說，可根據(jù)表2所列各種基板特性參數(shù)，參照以上基板性能的對比介紹，結合實際產(chǎn)品的技術需求，在綜合考慮上述因素的基礎上優(yōu)選最適用的功率基板。

3 工藝布局設計

根據(jù)功率單元和信號處理單元在設計和位置分布上是否相對獨立，工藝平面布局設計可分為兩種主要形式，即單基板一體化設計和分立設計。

3.1 單基板一體化設計

這種設計是指將功率單元和信號處理單元設計、布置在同一塊基板上，進行一體化工藝加工制作。

對于功耗不大的中低功率電路，功率單元對電路其他部分影響很小或者忽略不計，因此可將功率單元和信號處理單元設計在同一塊基板上，其優(yōu)點是能通過單基板一體化設計降低電路結構復雜性，簡化制作工藝流程。

根據(jù)功率單元和信號處理單元之間的相對位置關系，單基板一體化設計可分為兩種基本形式，即相間設計和集中設計。

3.1.1 相間設計

相間設計是指功率單元與信號處理單元在基板上相間布置，兩者之間呈交錯間隔分布。

圖1（a）是某驅動電路的相間式工藝布局設計示意圖。其中，基板采用96% Al2O3，A、B是兩只厚膜功率電阻，C、D是兩只功率達林頓管芯。AC、CD以及DB之間均是該功率電路的信號處理部分，即信號處理單元與四個功率元件A、B、C和D之間呈間隔分布。

3.1.2 集中設計

集中設計是指功率單元與信號處理單元在基板上分開布置，各自集中設計，兩者之間呈分開集中分布。

圖1（b）是某供電分流電路的集中式設計工藝布局示意圖。其中，基板也是采用96% Al2O3，B1～B6是6只功率整流管芯片，A1～A6是6只VMOS功率管芯片，12只功率管芯構成了該電路功率單元的主體。由于電路處于開關工作狀態(tài)，因此雖然功率管芯數(shù)量較多，但總體功耗不大。圖中功率單元位于基板上半部分，信號處理單元位于基板的下半部分，兩者在同一基板上分開集中布置。

實際上，對于中小功率電路，相間設計和集中設計沒有本質區(qū)別。前者的優(yōu)點是熱分布更加均勻，后者雖然功率元件集中，但由于總體功耗不大，所以熱分布對電路性能并無不良影響。另外，考慮到功率元件多使用鈀銀導體上的焊接組裝，采用相間設計時，焊料可能會沾污到附近鍵合用金導帶，而采用集中設計時，則會使沾污可能性明顯降低。

圖1 單基板一體化工藝布局示意圖

3.2 分立設計

這種設計是指將功率單元和信號處理單元分開設計、布置在不同基板上，進行獨立的工藝加工制作。

對于功耗大的高功率和中高功率電路，功率單元對電路其他部分影響較大，不能忽略不計。因此需要將功率單元和信號處理單元設計在不同基板上，功率單元采用價格較高的高熱導率基板（AlN、BeO等），信號處理單元則采用價格較低的常規(guī)基板（如Al2O3），其優(yōu)點是能通過分開獨立設計減小電路功率部分對其他部分的熱影響，提高電路可靠性，也在一定程度上降低了基板制作成本。

根據(jù)所采用的基板數(shù)量，分立設計可分為雙基板設計、多基板設計兩種形式。需要指出的是，對于功率較大的電源電路，分立設計對其中高度和體積均較大的磁性、感性元件要有專門考慮。

3.2.1 雙基板設計

該設計中功率單元與信號處理單元分別布置在高熱導率和常規(guī)基板上，并組裝在一個金屬外殼中。對于功率驅動電路、功率點火電路、功率運算放大電路，均可采用雙基板布局設計。

圖2是某功率運算放大器電路雙基板設計示意圖。其中，以A1～A6共6只功率芯片為主體的功率單元設計在AlN基板上，信號處理單元則設計在Al2O3基板上，兩只基板相互獨立分開。

圖2 雙基板工藝布局示意圖

3.2.2 特殊元件分立設計

這里的特殊元件是指電源電路中體積較大的磁性、感性功率元件及其他類似元件。

隨著電源電路輸出功率的增大，變壓器需要有更大的傳輸功率，相關變壓器、電感的體積也隨之變大。尤其是在采用單路輸出的情況下，對變壓器的要求就更高。

如果將這類元件組裝在基板上，則變壓器和電感等元件高度、基板厚度以及組裝材料厚度等加在一起，往往超過產(chǎn)品高度要求，因此通常將這類大體積元件直接組裝在外殼底座上，以保證產(chǎn)品的高度要求。此外，由于變壓器和電感是直接安裝在殼座上，因而有利于元件的散熱，這是這種直接組裝方法的另一個優(yōu)點。

圖3為某DC/DC電源電路分立布局示意圖。其中，C是變壓器、D是儲能電感，它們均各自直接組裝在外殼底座上，且與基板相對獨立。該電路4只功率管芯是A1和B1～B3，由于總體功耗不大，因此采用的是Al2O3基板。

圖3 變壓器和電感元件分立布局示意圖

3.2.3 多基板設計

多基板設計是指采用三只及三只以上基板的平面布局設計。采用多基板設計的原因主要有以下幾個方面：

（1）功率電路本身功耗很大，功率元件多且線路結構復雜，僅用雙基板尚不能解決熱分布集中、局部溫升過高的問題，需要進一步的分割設計；

（2）產(chǎn)品對沖擊、振動等機械應力有特殊要求，需要將基板分割成面積更小的基板，以提高電路的抗沖擊、振動能力；

（3）某些電路出于特定的設計考慮，需要對電路進行進一步的分割設計，以降低電路內(nèi)部各部分之間在電學、熱學方面的影響和干擾。

圖4為某大功率DC/DC電源模塊的多基板分立設計示意圖。其中功率單元分別制作在兩只AlN基板上，信號處理單元制作在兩只Al2O3基板上，兩個變壓器（C1、C2）和一個電感（D）則分立組裝在外殼底座上。

圖4 多基板工藝布局示意圖

該電路采用多基板分立設計主要是由于上面前兩個原因。該電路功率元件較多，共有15個，分別是四個VMOS管（A1～A4）、八個肖特基二極管（B1～B8）、兩個變壓器（C1、C2）和一個電感（D）。采用多基板將功率單元分立布置，一方面可使15個熱源合理分散，電路整體散熱更均勻，工作更可靠；另一方面，由于分割后的基板面積較小，電路抗沖擊、振動能力也因此得到進一步提高。

由上可知，功率混合集成電路工藝布局設計涉及到的因素有功率元件布置、散熱均勻性、工藝復雜性、制作成本、抗機械應力特性、外形尺寸限制以及電學、熱學設計方面的特殊要求等。對于實際產(chǎn)品，需根據(jù)產(chǎn)品的具體技術要求，在綜合分析各個因素的基礎上，優(yōu)選合理可靠的布局設計。

4 結束語

功率基板技術是功率HIC的關鍵技術，是組裝、封裝技術的前提和基礎；工藝布局設計則是功率HIC結構設計的重要內(nèi)容。功率基板和工藝布局設計的技術內(nèi)容十分豐富，以上只是一個初步探討，我們需要結合功率電路的產(chǎn)品發(fā)展趨勢，深入開展相關的研究工作，以滿足功率HIC更高的技術發(fā)展需求。

[1] 劉彤. 一種新型的功率電路基板[C]. 第十四屆全國混合集成電路學術會議論文集，2008. 304-305.