功率HIC基板及其工藝布局設(shè)計(jì)研究

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(gè)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(shù)的MCM和SIP為代表，高頻率以基于LTCC技術(shù)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(guān)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(dá)到1W/in2以上（或輸出功率大于5W），并使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)來(lái)提高散熱能力、控制內(nèi)部溫度，以可靠滿(mǎn)足技術(shù)性能要求的混合集成電路，稱(chēng)為功率混合集成電路。根據(jù)功率密度大小，可進(jìn)一步對(duì)功率混合集成電路進(jìn)行分類(lèi)。一般來(lái)說(shuō)，將功率密度小于20W/in2稱(chēng)為低功率或中低功率，20W/in2～100W/in2稱(chēng)為中功率，超過(guò)100W/in2則稱(chēng)為高功率。

在功率HIC中，基板起到承載元器件、實(shí)現(xiàn)電學(xué)互連和導(dǎo)熱的作用。為保證功率電路能夠長(zhǎng)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(shí)還要求基板能夠進(jìn)行較高密度的高可靠布線(xiàn)。從工藝布局的角度看，功率混合集成電路由兩個(gè)主要部分構(gòu)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(hào)處理單元。工藝布局設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是如何對(duì)功率單元和信號(hào)處理單元進(jìn)行合理的平面轉(zhuǎn)換和分割設(shè)計(jì)，目的是確保產(chǎn)品的性能和可靠性，同時(shí)具有良好的工藝可實(shí)現(xiàn)性。

2 功率基板選用及其布線(xiàn)工藝

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

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(dǎo)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(xiàn)工藝，另一種布線(xiàn)方式是DBC布線(xiàn)工藝。

2.1.1 厚膜布線(xiàn)基板

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

在Al2O3、BeO和AlN三種陶瓷中，BeO熱導(dǎo)率最高，但缺點(diǎn)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(dǎo)率，而且成本適中，且無(wú)安全性問(wèn)題。此外，與BeO相比，AlN一個(gè)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(dāng)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(lái)越廣泛。

Al2O3陶瓷熱導(dǎo)率雖然比BeO和AlN低，但有最多的厚膜漿料與之配套，且價(jià)格低、成本優(yōu)勢(shì)明顯，也沒(méi)有安全性問(wèn)題，對(duì)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(xiàn)是將銅箔直接附著在氧化鋁、氧化鈹或長(zhǎng)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(jié)，使銅箔和基板之間通過(guò)氧化銅和陶瓷燒結(jié)層牢固結(jié)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(dǎo)體布線(xiàn)厚度（十到幾十微米）大得多，因此能夠承受更大電流，在對(duì)電流強(qiáng)度有特殊要求的場(chǎng)合具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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(yīng)用于電力電子器件、大功率電源、大電流橋式電路和點(diǎn)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(jìn)行電路布線(xiàn)的基板。如上所述，陶瓷基板具有良好的導(dǎo)熱性和成熟可靠的布線(xiàn)工藝。但陶瓷基板存在脆性大、機(jī)械強(qiáng)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(bǔ)這些不足。如果實(shí)際電路有大面積基板制作、高機(jī)械強(qiáng)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(lèi)很多，最常使用的是鋁基絕緣基板，通常稱(chēng)作鋁基板；另外還有一種是不銹鋼絕緣基板，通常又稱(chēng)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(xiàn)工藝。鋁基覆銅板制作是先用一種專(zhuān)門(mén)的熱壓工藝，在鋁合金表面形成一層很薄的絕緣層（導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂或環(huán)氧玻璃布），再在絕緣層上壓接銅箔而成。其布線(xiàn)圖案形成工藝與PCB相同，采用的是光刻技術(shù)。通過(guò)采用與多層PCB相似的工藝，可在鋁基板表面形成多層布線(xiàn)。該基板具有高熱導(dǎo)率、電絕緣性和耐電壓性、優(yōu)異的機(jī)械加工性等特點(diǎn)，可用于一般功率器件組裝制作。

（2）鋁陽(yáng)極氧化基板

鋁陽(yáng)極氧化基板的絕緣層是氧化鋁，該絕緣層通過(guò)陽(yáng)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(dǎo)體，并可以根據(jù)用戶(hù)需要制作單層或多層布線(xiàn)。

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(zhǎng)時(shí)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(yáng)極氧化基板中的鋁板、絕緣層和導(dǎo)體之間是鋁和氧化鋁的牢固結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)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(yáng)極氧化基板所用材料對(duì)比見(jiàn)表1[1]。

表1 鋁基覆銅板和鋁陽(yáng)極氧化基板用材料對(duì)比

2.2.2 不銹鋼基板

不銹鋼表面絕緣層和導(dǎo)體布線(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)430不銹鋼。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外不少公司已先后開(kāi)發(fā)出基于不銹鋼基板的厚膜電子漿料，包括介質(zhì)漿料、電阻漿料和導(dǎo)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(yīng)用提供了有利的基礎(chǔ)。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(duì)于鋁基板的優(yōu)勢(shì)。目前，不銹鋼基板主要應(yīng)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(lǐng)域。

以上不同種類(lèi)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(lèi)功率基板主要特性對(duì)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(qiáng)度、線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)、電氣性能、基板布線(xiàn)工藝成熟性和可靠性以及基板成本和安全性等。具體來(lái)說(shuō)，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(duì)比介紹，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品的技術(shù)需求，在綜合考慮上述因素的基礎(chǔ)上優(yōu)選最適用的功率基板。

3 工藝布局設(shè)計(jì)

根據(jù)功率單元和信號(hào)處理單元在設(shè)計(jì)和位置分布上是否相對(duì)獨(dú)立，工藝平面布局設(shè)計(jì)可分為兩種主要形式，即單基板一體化設(shè)計(jì)和分立設(shè)計(jì)。

3.1 單基板一體化設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)是指將功率單元和信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)、布置在同一塊基板上，進(jìn)行一體化工藝加工制作。

對(duì)于功耗不大的中低功率電路，功率單元對(duì)電路其他部分影響很小或者忽略不計(jì)，因此可將功率單元和信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)在同一塊基板上，其優(yōu)點(diǎn)是能通過(guò)單基板一體化設(shè)計(jì)降低電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，簡(jiǎn)化制作工藝流程。

根據(jù)功率單元和信號(hào)處理單元之間的相對(duì)位置關(guān)系，單基板一體化設(shè)計(jì)可分為兩種基本形式，即相間設(shè)計(jì)和集中設(shè)計(jì)。

3.1.1 相間設(shè)計(jì)

相間設(shè)計(jì)是指功率單元與信號(hào)處理單元在基板上相間布置，兩者之間呈交錯(cuò)間隔分布。

圖1（a）是某驅(qū)動(dòng)電路的相間式工藝布局設(shè)計(jì)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(dá)林頓管芯。AC、CD以及DB之間均是該功率電路的信號(hào)處理部分，即信號(hào)處理單元與四個(gè)功率元件A、B、C和D之間呈間隔分布。

3.1.2 集中設(shè)計(jì)

集中設(shè)計(jì)是指功率單元與信號(hào)處理單元在基板上分開(kāi)布置，各自集中設(shè)計(jì)，兩者之間呈分開(kāi)集中分布。

圖1（b）是某供電分流電路的集中式設(shè)計(jì)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(gòu)成了該電路功率單元的主體。由于電路處于開(kāi)關(guān)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(hào)處理單元位于基板的下半部分，兩者在同一基板上分開(kāi)集中布置。

實(shí)際上，對(duì)于中小功率電路，相間設(shè)計(jì)和集中設(shè)計(jì)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。前者的優(yōu)點(diǎn)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(duì)電路性能并無(wú)不良影響。另外，考慮到功率元件多使用鈀銀導(dǎo)體上的焊接組裝，采用相間設(shè)計(jì)時(shí)，焊料可能會(huì)沾污到附近鍵合用金導(dǎo)帶，而采用集中設(shè)計(jì)時(shí)，則會(huì)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(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)是指將功率單元和信號(hào)處理單元分開(kāi)設(shè)計(jì)、布置在不同基板上，進(jìn)行獨(dú)立的工藝加工制作。

對(duì)于功耗大的高功率和中高功率電路，功率單元對(duì)電路其他部分影響較大，不能忽略不計(jì)。因此需要將功率單元和信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)在不同基板上，功率單元采用價(jià)格較高的高熱導(dǎo)率基板（AlN、BeO等），信號(hào)處理單元?jiǎng)t采用價(jià)格較低的常規(guī)基板（如Al2O3），其優(yōu)點(diǎn)是能通過(guò)分開(kāi)獨(dú)立設(shè)計(jì)減小電路功率部分對(duì)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(shè)計(jì)可分為雙基板設(shè)計(jì)、多基板設(shè)計(jì)兩種形式。需要指出的是，對(duì)于功率較大的電源電路，分立設(shè)計(jì)對(duì)其中高度和體積均較大的磁性、感性元件要有專(zhuān)門(mén)考慮。

3.2.1 雙基板設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中功率單元與信號(hào)處理單元分別布置在高熱導(dǎo)率和常規(guī)基板上，并組裝在一個(gè)金屬外殼中。對(duì)于功率驅(qū)動(dòng)電路、功率點(diǎn)火電路、功率運(yùn)算放大電路，均可采用雙基板布局設(shè)計(jì)。

圖2是某功率運(yùn)算放大器電路雙基板設(shè)計(jì)示意圖。其中，以A1～A6共6只功率芯片為主體的功率單元設(shè)計(jì)在AlN基板上，信號(hào)處理單元?jiǎng)t設(shè)計(jì)在Al2O3基板上，兩只基板相互獨(dú)立分開(kāi)。

圖2 雙基板工藝布局示意圖

3.2.2 特殊元件分立設(shè)計(jì)

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(lèi)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(guān)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(duì)變壓器的要求就更高。

如果將這類(lèi)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(guò)產(chǎn)品高度要求，因此通常將這類(lèi)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。

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(chǔ)能電感，它們均各自直接組裝在外殼底座上，且與基板相對(duì)獨(dú)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(shè)計(jì)

多基板設(shè)計(jì)是指采用三只及三只以上基板的平面布局設(shè)計(jì)。采用多基板設(shè)計(jì)的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）功率電路本身功耗很大，功率元件多且線(xiàn)路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅用雙基板尚不能解決熱分布集中、局部溫升過(guò)高的問(wèn)題，需要進(jìn)一步的分割設(shè)計(jì)；

（2）產(chǎn)品對(duì)沖擊、振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)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(dòng)能力；

（3）某些電路出于特定的設(shè)計(jì)考慮，需要對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的分割設(shè)計(jì)，以降低電路內(nèi)部各部分之間在電學(xué)、熱學(xué)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(shè)計(jì)示意圖。其中功率單元分別制作在兩只AlN基板上，信號(hào)處理單元制作在兩只Al2O3基板上，兩個(gè)變壓器（C1、C2）和一個(gè)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(shè)計(jì)主要是由于上面前兩個(gè)原因。該電路功率元件較多，共有15個(gè)，分別是四個(gè)VMOS管（A1～A4）、八個(gè)肖特基二極管（B1～B8）、兩個(gè)變壓器（C1、C2）和一個(gè)電感（D）。采用多基板將功率單元分立布置，一方面可使15個(gè)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(dòng)能力也因此得到進(jìn)一步提高。

由上可知，功率混合集成電路工藝布局設(shè)計(jì)涉及到的因素有功率元件布置、散熱均勻性、工藝復(fù)雜性、制作成本、抗機(jī)械應(yīng)力特性、外形尺寸限制以及電學(xué)、熱學(xué)設(shè)計(jì)方面的特殊要求等。對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品，需根據(jù)產(chǎn)品的具體技術(shù)要求，在綜合分析各個(gè)因素的基礎(chǔ)上，優(yōu)選合理可靠的布局設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

功率基板技術(shù)是功率HIC的關(guān)鍵技術(shù)，是組裝、封裝技術(shù)的前提和基礎(chǔ)；工藝布局設(shè)計(jì)則是功率HIC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。功率基板和工藝布局設(shè)計(jì)的技術(shù)內(nèi)容十分豐富，以上只是一個(gè)初步探討，我們需要結(jié)合功率電路的產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，深入開(kāi)展相關(guān)的研究工作，以滿(mǎn)足功率HIC更高的技術(shù)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(guó)混合集成電路學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008. 304-305.