厚薄膜混合微電路在測(cè)井儀器中的應(yīng)用

宋萬(wàn)廣，馮永仁

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，北京 101149）

隨著淺層油氣資源的開采殆盡，越來(lái)越多的探井表現(xiàn)為大深度井、高溫井乃至超高溫井。這就對(duì)測(cè)井儀器的耐高溫性能提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)常規(guī)的測(cè)井儀器耐溫指標(biāo)多為125～150℃，明顯滿足不了這些探井的基本勘探要求。制約測(cè)井儀器耐溫性能無(wú)法提升的主要原因是其電子線路部分耐溫性能低。目前該部分多采用基于吸熱、隔熱原理的恒溫瓶來(lái)保證電子器件在其工作溫度范圍內(nèi)工作。恒溫瓶型電子線路提高耐溫性能的唯一方法就是不斷填充更多的吸熱劑，這將使得測(cè)井儀器更加粗大、笨重，顯然不是解決這一問(wèn)題的好方法。近年來(lái)，隨著微電子材料、制造工藝、組裝工藝、測(cè)試和設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，基于厚薄膜技術(shù)的混合微電路可以顯著提高電路的耐高溫性能，同時(shí)其體積小、可靠性高的特點(diǎn)非常適合在測(cè)井儀器中應(yīng)用。

1 厚薄膜技術(shù)

厚膜（Thick Film）技術(shù)和薄膜（Thin Film）技術(shù)是電子封裝中的重要工藝技術(shù)，統(tǒng)稱為膜技術(shù)。可用以制作電阻、電容或電感等無(wú)源器件，也可以在基板上制成布線導(dǎo)體和各類介質(zhì)膜層以連接各種電路元器件，從而完成混合（Hybrid）集成電路電子封裝。

1.1 厚膜技術(shù)

厚膜技術(shù)是采用絲網(wǎng)印刷、干燥和燒結(jié)等工藝，將傳統(tǒng)無(wú)源元件及導(dǎo)體形成于散熱良好的陶瓷絕緣基板表面,并用激光處理達(dá)到線路所需之精密度,再采用SMT技術(shù),將IC或其他元器件進(jìn)行安裝,構(gòu)成所需要的完整線路,最后采用多樣化引腳和封裝方式,實(shí)現(xiàn)模塊化的集成電路—厚膜混合集成電路（HIC，Hybrid Integrated Circuit）。

較之普通PCB，厚膜電路在散熱性和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢(shì)明顯；因此，在普通PCB無(wú)法滿足的高溫、高壓、高濕、大功率、高振動(dòng)這些苛刻的環(huán)境條件下，厚膜電路就會(huì)體現(xiàn)出它的價(jià)值。基于厚膜電路在高溫、高壓、大功率的應(yīng)用中有極大的優(yōu)勢(shì)，一般主要應(yīng)用在汽車電子、通訊系統(tǒng)領(lǐng)域、航空航天及一些軍工領(lǐng)域。

1.2 薄膜技術(shù)

與厚膜技術(shù)不同，薄膜技術(shù)是一種減法技術(shù)，整個(gè)基板用幾種金屬化層淀積，再采用一系列的光刻工藝把不需要的材料刻蝕掉。與厚膜工藝相比，使用光刻與刻蝕等工藝形成的圖形具有更窄、邊緣更清晰的線條。這一特點(diǎn)促進(jìn)了薄膜技術(shù)在高密度和高頻率的環(huán)境使用。

薄膜電路是將整個(gè)電路的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件以及它們之間的互連引線，全部用厚度在1 μm以下的金屬、半導(dǎo)體、金屬氧化物、多種金屬混合相、合金或絕緣介質(zhì)薄膜，并通過(guò)真空蒸發(fā)、濺射和電鍍等工藝制成的集成電路。

典型的薄膜電路是由淀積在一個(gè)基板上的三層材料組成（見圖1）。底層有兩個(gè)功能：一方面它是電阻材料；另一方面它提供了與基板的粘結(jié)。中間層或是通過(guò)改善導(dǎo)體的粘結(jié)或是通過(guò)防止電阻材料擴(kuò)散到導(dǎo)體中而起著電阻層與導(dǎo)體層之間界面的作用。頂層起著引導(dǎo)層的作用。

圖1 典型薄膜電路的材料組成

2 混合微電路

結(jié)合厚膜和薄膜技術(shù)的各自優(yōu)點(diǎn)，更多的實(shí)用化的集成電路采用混合工藝，即用薄膜技術(shù)在玻璃、微晶玻璃、鍍釉和拋光氧化鋁陶瓷基片上制備無(wú)源元件和電路元件間的連線，再將集成電路、晶體管、二極管等有源器件的芯片和使用厚膜工藝制作的功率電阻、大容量的電容器、電感等元件用熱壓焊接、超聲焊接、梁式引線或凸點(diǎn)倒裝焊接等方式，就可以組裝成一塊完整的集成電路，即混合微電路。混合微電路具有以下主要優(yōu)點(diǎn)。

2.1 耐高溫

厚薄膜工藝的技術(shù)特點(diǎn)可以降低半導(dǎo)體晶圓結(jié)溫，使其耐溫性能大大增強(qiáng)，在高溫惡劣環(huán)境下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 體積小，質(zhì)量輕

隨著多層結(jié)構(gòu)、微細(xì)布線技術(shù)的應(yīng)用，使得混合微電路的體積大大縮小，質(zhì)量大大減輕。

2.3 部件化，系統(tǒng)化

由于微細(xì)化、多層化技術(shù)的推動(dòng)，混合微電路的封裝密度越來(lái)越高，功能越來(lái)越多，正由芯片級(jí)向部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的方向發(fā)展。在測(cè)井領(lǐng)域應(yīng)用的多芯片封裝、功能模塊就是該發(fā)展方向的典型代表。

2.4 可靠性高

混合微電路通過(guò)采取元器件和選擇與控制、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)以及封裝技術(shù)等措施來(lái)消除或控制其失效模式，使混合微電路在全壽命周期內(nèi)滿足規(guī)定的可靠性要求。以實(shí)現(xiàn)高性能混合微電路的高可靠性。

混合微電路已在軍事、宇航等領(lǐng)域的電子裝備中廣泛應(yīng)用，其耐高溫、體積小、可靠性高的特點(diǎn)非常契合未來(lái)測(cè)井儀器高溫化、微型化的發(fā)展方向，可以在測(cè)井儀器領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某測(cè)井儀器中一塊壓力傳感器采集電路板為例。壓力傳感器采集電路采集的壓力數(shù)據(jù)是該測(cè)井儀器的一項(xiàng)重要采集參數(shù)，傳統(tǒng)的PCB板電路由于受制于某些器件耐高溫性能，其整板耐溫在125℃，超過(guò)130℃時(shí)，電路工作即不正常，采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為此，研制了一款耐高溫的混合微電路，來(lái)替代該電路板。

該電路內(nèi)部包含單片機(jī)、電源穩(wěn)壓芯片、儀表放大器、晶體、通信芯片、復(fù)位芯片、電阻、電容等大小器件約100件。普通PCB電路板單面布局后整體尺寸為230 mm×50 mm，面積為 11 500 mm2，質(zhì)量約為 260 g；基于厚薄膜技術(shù)的混合微電路整體尺寸為48 mm×20 mm，面積為960 mm2，質(zhì)量約為50 g。外形對(duì)比如圖2所示，對(duì)比可知，集成后的混合微電路所占空間僅為傳統(tǒng)PCB板的約1/10，質(zhì)量為傳統(tǒng)PCB板的約1/5,大大節(jié)省了儀器空間。

耐溫方面：該電路傳統(tǒng)PCB板大部分器件最高工作溫度在125℃，整板的耐溫實(shí)驗(yàn)顯示在超過(guò)130℃時(shí)電流變大，電路就開始工作不正常。混合微電路能夠降低結(jié)溫約50℃，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室高溫測(cè)試，該模塊在175℃環(huán)境下10 h仍能正常工作，200℃下3 h仍能正常工作，已達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，大大提高了耐溫性能。

沖擊振動(dòng)方面：將混合微電路焊接在PCB板上，利用特制的夾具將其固定于振動(dòng)臺(tái)，設(shè)置沖擊20G，振動(dòng)100G，進(jìn)行測(cè)試。振動(dòng)3 h后，上電測(cè)試，混合微電路工作正常。

通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)證明：該混合微電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，電路性能穩(wěn)定，可以完全替代原PCB電路板，在高溫環(huán)境下精確地、可靠地采集壓力數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)的闡述了基于厚薄膜技術(shù)的混合微電路的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，與傳統(tǒng)PCB板的各種對(duì)比實(shí)驗(yàn)，突出了混合微電路耐高溫、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高的特點(diǎn)，驗(yàn)證了混合微電路技術(shù)在測(cè)井儀器制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用推廣的可行性，為未來(lái)高溫化、微型化測(cè)井儀器的研制提供了借鑒。

圖2 混合微電路和傳統(tǒng)PCB板對(duì)比圖

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