第3章-厚膜与薄膜技术.ppt

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221041半导体集成电路封装技术半导体集成电路封装技术天津工业大学天津工业大学主讲人：

张建新主讲人：

张建新主楼主楼A415221042课程概况课程概况第1章集成电路芯片封装概述第2章封装工艺流程第3章厚膜与薄膜技术第4章焊接材料第5章印制电路板第6章元器件与电路板的接合第7章封胶材料与技术第8章陶瓷封装第9章塑料封装第10章气密性封装第11章封装可靠性工程第12章封装过程中的缺陷分析第13章先进封装技术221043简介简介技术特征：

厚膜（ThickFilm）技术：

网印、干燥与烧结等方法薄膜（ThinFilm）技术：

镀膜、光刻与刻蚀等方法用途：

制作电阻、电容、电感等集成电路中的无源器件。

在基板上制成导线互连结构以组合各种电路元器件，而成为所谓的混合集成电路封装。

基板材料：

氧化铝、玻璃陶瓷、氮化铝、氧化铍、碳化硅、石英等均可以作为这两种技术的陶瓷类基板材料薄膜技术也可以使用硅与砷化镓晶圆片作基板材料2210443.13.1厚膜技术厚膜技术厚膜混合电路的工艺简述：

用丝网印刷方法把导体浆料、电阻浆料和绝缘材料（介质或介电材料）浆料等转移到基板上来制造的。

印刷的膜经过烘干以去除挥发性的成分，然后暴露在较高的温度下烧结以活化粘接机构，完成膜与基板的粘接。

汽车点火器用厚膜电路221045厚膜多层制作步骤导体浆料导体浆料电阻浆料电阻浆料绝缘材料浆料绝缘材料浆料厚膜浆料通常都有的两个共性：

适于丝网印制的具有非牛顿流变能力的粘性流体；由两种不同的多组分相组成：

一个是功能相，提供最终膜的电学和力学性能；另一个是载体相，提供合适的流变能力。

221046厚膜浆料的基本分类：

聚合物厚膜包含导体、电阻或绝缘颗粒的聚合物材料的混合物，在85300温度区间固化。

较常用在有机基板材料上。

难熔材料厚膜是一种特殊的金属陶瓷厚膜材料，在15001600还原气氛下烧结，是唯一能适合高温共烧陶瓷互连基板的基本金属化材料金属陶瓷厚膜（本章主要讲解）微晶玻璃（玻璃陶瓷）与金属的混合物，通常在8501000烧结。

是目前陶瓷类基板上最常用的基本厚膜材料221047金属陶瓷厚膜浆料的四种主要成分及作用：

有效物质：

决定烧结膜的电性能而确立膜的功能；粘接成分：

提供与基板的粘接以及使有效物质颗粒保持悬浮状态的基体；有机粘接剂：

使有效物质和粘贴成分保持悬浮态直到膜烧成，并提供丝网印制的合适流动性能；溶剂或稀释剂：

决定运载剂的粘度。

3.1.1有效物质质量要求：

有效物质通常制成粉末形状，其颗粒结构形状和颗粒的形貌对达到所需要的电性能是非常关键的，必须严格控制颗粒的形状、尺寸和粒径分布以及保证烧结膜性能的一致性。

运载剂2210483.1.2粘贴成分主要有两类物质：

玻璃和金属氧化物，它们可以单独使用或者一起使用。

（1）烧结玻璃材料：

使用玻璃或釉料（非晶玻璃）的膜粘接机理：

化学键合和物理键合。

总的粘接结果是这两种因素的叠加，物理键合比化学键合在承受热循环或热储存时更易退化，通常在应力作用下首先发生断裂。

基体作用：

使有效物质悬浮，并保持彼此接触，有利于烧结并为膜的一端到另一端提供了一连串的三维连续通路。

主要的厚膜玻璃是基于B2O3-SiO2网络形成体。

原料形式：

预反应颗粒形式、玻璃形成体形式特点：

具有较低的熔点（500600），但在制作导体厚膜时，导体材料在其表面上呈玻璃相，使得后续元器件组装工艺更为困难。

221049

（2）金属氧化物材料：

一种纯金属例如Cu、Cd与浆料的混合物粘贴机理：

纯金属在基板表面与氧原子反应形成氧化物，金属与其氧化物粘接并通过烧结而结合在一起。

属于氧化物键合或分子键合。

特点：

与玻璃料相比，这一类浆料改善了粘接性。

但烧结温度较高，一般在9501000下烧结，加速了厚膜烧结炉的损耗，炉体维护频率高。

（3）混合粘接系统：

利用反应的氧化物和玻璃材料。

粘接机理：

氧化物一般为ZnO或CaO，在低温下发生反应，但是不如铜那样强烈。

再加入比在玻璃料中浓度要低些的玻璃以增加附着力。

特点：

结合了前两种技术的优点，并可在较低的温度下烧结。

22104103.1.3有机粘贴剂有机粘接剂通常是一种触变的流体，不具备挥发能力空气气氛中的烧结：

粘接剂在烧结过程中必须完全氧化（约350开始烧尽），而不能有任何污染膜的残留碳存在。

典型材料是乙基纤维素和各种丙稀酸树脂惰性气氛中的烧结：

烧结的气氛只含有百万分之几的氧，有机粘贴剂必须发生分解和热解聚，产生具有高度挥发性的小分子有机物，再以蒸汽形式被惰性气体带离系统。

主要用于制备易受氧化危害的导体膜层的制备，如Cu、Mo膜。

22104113.1.4溶剂或稀释剂性能要求：

能够均匀溶解难挥发的有机粘贴剂和添加剂在室温下有较低的蒸气压以避免浆料干燥，维持印刷过程中的恒定粘度在大约100以上能迅速蒸发。

典型材料：

萜品醇、丁醇和某些络合的乙醇添加剂：

在溶剂中加入能够改变浆料触变性能的增塑剂、表面活性剂和某些试剂，以改善浆料的有益特性和印刷性能。

22104123.1.5厚膜浆料的制备制备的总体要求：

要以合适的比例将厚膜浆料的各种成分混合在一起，然后在三锟轧机中轧制足够的时间以确保它们彻底地混合，而没有任何结块存在。

制备的主要步骤：

粉体原料加工、浆料配制、浆料轧制粉体原料加工金粉体：

通过从化学溶剂中沉淀出来玻璃粉体：

通过熔融的玻璃淬火，然后球磨得到球磨机可减小玻璃料和其它脆性材料的颗粒尺寸一般装载量为整个容积的50,其余为球磨介质球磨机以大约60的临界速率旋转57.8（r/min）R=临界速率2210413浆料配制一般综合考虑颗粒的比表面积、混合比例和纯度大的表面与体积比可以提供大的表面自由能，以促进烧结反应（熔化时有较高的放热反应）和降低烧结温度选择适当比例的玻璃/金混合物，以确保在整个烧结温度和冷却周期中，其化学和热膨胀性能与所用基板相兼容用少量的其它金属或氧化物与玻璃/金混合以改善力学或电性能浆料轧制目的：

利用三锟轧膜机最大限度地将浆料组分弥散和去除夹带的气体三锟轧膜机的原理：

基于处在反向旋转的轧锟间隙的流体所受到的很高的剪切力，使微小颗粒弥散得更充分22104143.1.6厚膜浆料的参数可以用三个主要的参数表征厚膜浆料：

粒度、固体粉末百分比含量、粘度。

粒度参数意义：

浆料内颗粒尺寸分布和弥散的度量测量工具：

细度计测量结果：

能得到颗粒的最大、最小和平均粒径2210415固体粉末百分比含量参数意义：

有效物质与粘贴成分的质量与浆料总质量的比值，一般为8592（质量百分比）。

测量方法：

取少量浆料样品称重，然后放在大约400的炉子里直到所有的有机物烧尽，重新称量样品。

参数控制的意义：

实现可印制性与烧成膜的密度之间的最佳平衡。

含量太高，浆料就没有很好的流动性来保证印刷质量。

含量太低，则浆料会印刷得很好，但烧成的图形可能是多孔的或清晰度差。

2210416粘度参数意义：

流体流动趋势的度量，是该流体的剪切速率与剪应力之比。

一般的厚膜浆料粘度用厘泊（cP）或帕秒（Pas）表示，1Pas=0.001cP测量方法：

在实验条件下，浆料的粘度可以用锥-板或纺锥粘度计测量。

纺锥法的读数更具有一致性，因为边界条件（浆料的体积和温度等）控制的更严格，在研发单位或制造厂最常用。

2210417在理想的或“牛顿”流体中，并不适合于丝网印刷，因为在重力作用下总会存在某种程度的流动。

适合丝网印刷的流体特性：

流体必须有一个屈服点，即产生流动所需的最小压力，这个压力必须显著地高于重力。

流体应该具有某种触变性。

流体应该具有某种程度的滞后作用，使得在给定压力下的粘度取决于压力是否增加或降低。

2210418丝印中的粘度控制：

印刷时，刮板的速率必须足够缓慢使得浆料的粘度降低到印刷效果最佳的程度。

印刷后，必须有足够的时间使浆料粘度增加到接近静止粘度（流平），如果在流平前把浆料置于烘干工艺的条件下，则浆料由于温度的升高而变得稀薄，印出的图形将会丧失线条的清晰度。

浆料粘度的调节：

加入适当的溶剂可以很容易的降低粘度，当浆料罐已开启多次或把浆料从丝网返回罐中时，常常需要这么做。

增加浆料的粘度是很困难的，需要加入更多的不挥发性的载体，然后重新对浆料进行轧制。

2210419金属陶瓷厚膜浆料可以分成三大类：

导体、电阻和介质3.23.2厚膜导体材料厚膜导体材料厚膜导体在混合电路中必须实现以下各种功能。

在电路的节点之间提供导电布线（最主要的功能）。

提供安装区域，以便通过焊料、环氧树脂或直接共晶键合来安装元器件。

提供元器件与膜布线之间以及与更高一级组装的电互连。

提供端接区以连接厚膜电阻。

提供多层电路导体层之间的电连接。

2210420厚膜导体材料有三种基本类型：

可空气烧结：

由不容易形成氧化物的贵金属制成的，主要的金属是金和银，它们可以是纯态的，也可与钯或与铂存在于合金化的形式。

可氮气烧结：

材料包括铜、镍、铝，其中最常用的是铜必须还原气氛烧结：

难熔材料钼、锰和钨在由氮、氢混合的还原性气氛中烧结3.2.1金导体金在厚膜电路中有着不同的需要，最常用于需要高可靠性、高速度的场合。

2210421金厚膜组装工艺中可靠性的考虑：

避免金厚膜与含锡焊料直接焊接金易与锡合金化并熔入到含锡的焊料；金和锡也能形成具有很高电阻率的脆性金属间化合物；金必须与铂或钯合金化以减少金的熔入与金属间化合物的形成。

避免金厚膜与铝引线直接键合铝能扩散到金厚膜中，且扩散速率随着温度而迅速增加；金与铝也会形成金属间化合物；加入钯与金合金化，可以明显地降低铝的扩散速率与金属间化合物的形成，改善铝丝键合的可靠性。

22104223.2.2银导体银厚膜组装工艺中可靠性的考虑：

避免银厚膜与含锡焊料直接焊接银会较慢地熔入到Pb/Sn焊料中，在工艺中纯银不能与液态Pb/Sn焊料直接接触，也可以在银上镀镍或将银合金化（钯或铂），以抑制银向焊料中熔入。

避免出现银迁移现象在两个导体之间施加电位时，若有液态水存在，银有迁移的倾向，在两个导体之间将会生长出连续的银膜，形成导电通路。

利用钯或铂与银合金化可以使银的迁移速率都降低。

钯/银导体用于大多数商业用途，是混合电路中最常用的材料。

加入钯也增加了电阻和成本。

为了折中性能和成本，常使用银钯比为4:

1的组分。

22104233.2.3铜导体铜厚膜的优点：

（对功率混合电路具有极大的吸引力）可作为金的低成本代替物可焊性：

使功率器件直接焊接到金属化层上而传热更好耐熔入性：

可与含锡焊料直接接触低电阻：

使铜印制线能承载较高的电流，而电压降较小铜厚膜存在的问题：

（主要源于必须使用惰性气氛烧结）对氮气氛的要求高（氧含量小于百万分之十），不利于从少量研制推广到大批量生产，需定制专门的烧结炉。

由于介电材料往往需要很大的印刷面积，在这些材料用于制造多层电路时，去除有机材料的问题更为突出。

很多电阻材料，特别是在高阻范围，并没有被证明在低于980以下烧结时与在空气烧结的电阻一样稳定。

22104243.2.4难熔金属材料一般为钨、钼和钛，也可以各种不同的结合方式彼此合金化。

这些材料被设计成在高达1600的高温与陶瓷基板共烧，然后镀镍、镀金以便芯片安装和引线键合。

NNYYNNYYNNCuCuYYYYNNYYNNPt/Pd/AgPt/Pd/AgYYYYNNYYNNPt/AgPt/AgYYYYNNYYNNPd/AgPd/AgYYYYNNNNYYAgAgYYYYNNYYNNPt/AuPt/AuYYYYNNYYNNPd/AuPd/AuYYNNYYNNYYAuAu环氧粘接环氧粘接Sn/PbSn/Pb钎焊共晶键合共晶键合AlAl丝键合AuAu丝键合厚膜导体厚膜导体厚膜导体的性能表注：

Y表示“可适用”，N表示“不适用”