混合集成电路中的厚膜与薄膜工艺

本文介绍了混合集成电路中的厚膜与薄膜工艺。

混合集成电路

混合技术是把两种或多种集成电路芯片放在一起，有时还会加入电阻、电容等分立元件，最后封装在同一个管壳中，这样做成的电路叫混合集成电路。

和单片集成电路相比，混合集成电路通常体积更大，成本也更高，不过，它可以同时使用不同工艺的优点，电路性能往往更好，在高精度A/D、D/A转换器、精密有源滤波器等模拟电路中，这种优势很重要。

标准MOS和双极工艺虽然适合制造晶体管，但片上电阻和电容容易受到面积、温度和工艺误差的影响，数值范围也有限。厚膜和薄膜无源元件在这方面更灵活，它们的误差较小，温度系数容易控制，阻值也可以在制造后进行调整，因此，混合集成电路常用厚膜或薄膜网络来制作无源部分，再与集成电路芯片组合。

1.厚膜电路

厚膜技术出现得较早，它占用的面积比单片工艺大，但设备和材料成本较低，通常只相当于MOS或双极工艺的一小部分，厚膜电路常用于功率较大的电路，也能用于高频电路。特殊情况下，工作频率可接近1GHz，但多数厚膜电路只工作在几兆赫以内。

厚膜工艺可以制作电阻器、电容器和连接导线，制造时，要把不同功能的油墨依次印在绝缘衬底上，导电油墨用来形成连线和电极，电阻油墨用来制作电阻，绝缘油墨则作为电容器的介质或导线交叉处的绝缘层。

每印完一层，都要进行高温烧结，让材料固定在衬底上，每层厚度一般约为20μm，由于丝网印刷本身精度有限，实际膜厚可能有较大变化，误差可达到±30%。

厚膜图形通过丝网漏印完成。油墨在刮板的压力下穿过没有被遮住的网孔，落到衬底表面。丝网一般为每英寸100～300线，因此图形分辨率大约只有500μm。

这也决定了厚膜电路的尺寸不能做得太小，普通厚膜导线的最小宽度约为250μm，电阻器的最小宽度约为1250μm，相比之下，MOS和双极工艺的最小尺寸通常只有几微米。

厚膜电阻器

厚膜工艺很适合制造电阻器。不同电阻油墨的薄层电阻范围很宽，大约可以从1Ω/□延伸到10MΩ/□，因此能够制作多种阻值。

确定电阻尺寸时，需要同时考虑油墨的薄层电阻和占用面积，电阻可以通过改变长度和宽度来调整，但不适合做得过长，过长的电阻容易出现局部过热，也就是“热斑”。

热斑常出现在较窄或较薄的位置，那里电阻较大，电流通过后温度升高，阻值也会继续上升，最后可能造成膜层损坏，蛇形电阻的内侧拐角也容易出现电流集中，所以厚膜设计中一般不建议使用过多急转弯。

电阻也不能做得过短、过宽，因为两端接触区会占据很大比例，真正起电阻作用的长度就难以确定，比较稳妥的做法是控制电阻器的长宽比，在面积允许时，适当增大电阻尺寸，可以减小边缘误差，也能提高功率承受能力。

厚膜电阻可以用激光或机械研磨来调节，调整时会去掉一部分电阻材料，使电流路径变窄或变长，所以阻值只能增加，不能减小，为留出调整空间，初始阻值通常设计为目标值的约60%。

厚膜电容器

制作厚膜电容器时，先印下电极，再印介质层，最后印上电极。它本质上是平行板电容器，其电容量可表示为：

C=ε₀εᵣA/t

其中，A是极板面积，t是介质厚度，εᵣ是介质的相对介电常数。

厚膜介质油墨的相对介电常数大约为10～1000。介电常数高时，单位面积可以得到较大的电容量，但温度稳定性和线性通常较差，介电常数低时，性能会好一些，可是电容密度也会降低。

介质层中如果出现针孔，上下电极就可能短路，因此，实际制造时常使用两层介质，降低两层针孔刚好重合的可能。

上电极一般会做得比下电极稍小。这样即使印刷位置有偏差，电容面积也不会出现太大变化，厚膜电容的性能通常不如分立片式电容，单位面积电容量也较低，因此，在混合集成电路中，更常见的做法是使用厚膜电阻网络，再配合分立片式电容。

厚膜电容也可以进行调整，调整时去掉一部分上电极和介质层，使有效极板面积减小，电容量随之下降。因此，调整前的电容量通常比目标值高约40%。

2.薄膜电路

薄膜工艺也可以制作电阻器和电容器，不过实际应用中主要用来制作电阻器，薄膜电容器存在介质损耗较大、连续调节困难等问题，因此使用范围较小。

薄膜工艺和厚膜工艺一样，都是把材料加在绝缘衬底表面，而不是像MOS或双极工艺那样通过扩散把杂质送入硅片内部。两者最大的差别是膜层厚度，厚膜一般约为20μm，而薄膜只有几百到几千埃。导电薄膜常见厚度约为500～1000Å，需要较低电阻时，也可以增加到几千埃，电阻膜和介质膜的厚度通常为100～2000Å。

薄膜制作时，先在整个衬底表面形成均匀膜层，再用光刻和腐蚀去掉不需要的部分，这种方法和MOS、双极工艺中的图形制作方式接近，因此可以得到更小、更精确的尺寸。

薄膜元件的最小特征尺寸可以接近MOS和双极器件，由于膜层较均匀，电流通常也较小，厚膜长电阻中常见的热斑问题，在薄膜电阻中不太明显。薄膜电阻的薄层电阻一般为50～250Ω/□，范围没有厚膜电阻那么宽，不过，薄膜电阻的精度、稳定性和温度特性通常更好，也可以通过激光进行精确调整。薄膜电路还能用于很高的频率，它不仅适用于低频通信电路，在约30GHz的高频电路中也有应用。不过，薄膜工艺需要真空淀积、光刻和腐蚀等设备，生产过程较复杂，成本明显高于厚膜工艺，工艺步骤增加后，芯片面积和制造难度也会上升，成品率可能下降，这些因素限制了薄膜技术的大规模发展。

薄膜技术还可以和单片集成工艺结合，晶体管部分由单片工艺完成，精密电阻或其他无源元件则使用薄膜制作，这种组合可以获得比单一工艺更好的性能，但制造成本和工艺难度也会增加。

3.厚膜与薄膜的主要区别

厚膜工艺成本低，阻值范围宽，适合制作电阻网络和功率较大的电路，但尺寸较大，精度和高频性能有限，薄膜工艺尺寸小，精度高，温度稳定性和高频性能更好，不过设备复杂，制造成本也更高，在混合集成电路中，具体使用哪一种工艺，要根据电路精度、工作频率、功率、面积和成本来决定。