第3章厚膜与薄膜技术.ppt

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1、2023-11-1512023-11-152p 第1章 集成电路芯片封装概述p 第2章 封装工艺流程p 第3章 厚膜与薄膜技术p 第4章 焊接材料p 第5章 印制电路板p 第6章 元器件与电路板的接合p 第7章 封胶材料与技术p 第8章 陶瓷封装p 第9章 塑料封装p 第10章 气密性封装p 第11章 封装可靠性工程p 第12章 封装过程中的缺陷分析p 第13章 先进封装技术 2023-11-153p 技术特征：u厚膜（Thick Film）技术：网印、干燥与烧结等方法u薄膜（Thin Film）技术：镀膜、光刻与刻蚀等方法p 用途：u制作电阻、电容、电感等集成电路中的无源器件。u在基板上制成

2、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。p 基板材料：u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u薄膜技术也可以使用硅与砷化镓晶圆片作基板材料2023-11-154p 厚膜混合电路的工艺简述：u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2023-11-155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p 厚膜浆料通常都有的两个共性：u

3、适于丝网印制的具有非 牛顿流变能力的粘性流体；u由两种不同的多组分相组成：n一个是功能相，提供最终 膜的电学和力学性能；n另一个是载体相，提供合 适的流变能力。2023-11-156p 厚膜浆料的基本分类：u聚合物厚膜n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。u难熔材料厚膜n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u金属陶瓷厚膜（本章主要讲解）n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2023-11

4、-157p 金属陶瓷厚膜浆料的四种主要成分及作用：u有效物质：决定烧结膜的电性能而确立膜的功能；u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；u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；u溶剂或稀释剂：决定运载剂的粘度。p 3.1.1 有效物质u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2023-11-158p 3.1.2 粘贴成分u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

5、璃材料：使用玻璃或釉料(非晶玻璃)的膜n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。n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。n原料形式：预反应颗粒形式、玻璃形成体形式n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。2023-11-159（2）金属氧化物材料：一种纯金属例如Cu、Cd与浆料的混合物n粘贴机理：纯金属在基

6、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。n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。n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。n特点：结合了前两种技术的优点，并可在较低的温度下烧结。2023-11-1510p 3.1.3 有机粘贴剂u有机粘接剂通常是一种触变的流体，不具备挥发能力u空气气氛中的烧结：粘接剂在烧结过程中必须完

7、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 u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。2023-11-1511p 3.1.4 溶剂或稀释剂u性能要求：n能够均匀溶解难挥发的有机粘贴剂和添加剂n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n在大约100以上能迅速蒸发。u典型材料：萜品醇、丁醇和某些络合的乙醇u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

8、活性剂和某些试剂，以改善浆料的有益特性和印刷性能。2023-11-1512p 3.1.5 厚膜浆料的制备u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。u制备的主要步骤：粉体原料加工、浆料配制、浆料轧制n粉体原料加工n金粉体：通过从化学溶剂中沉淀出来n玻璃粉体：通过熔融的玻璃淬火，然后球磨得到n球磨机可减小玻璃料和其它脆性材料的颗粒尺寸n一般装载量为整个容积的50,其余为球磨介质n球磨机以大约60的临界速率旋转57.8 (r/min)R临界速率2023-11-1513n浆料配制一般综合考虑颗粒的比表面积、混

9、合比例和纯度n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n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n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n浆料轧制n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n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2023-11-1514p 3.1.6 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。u粒度n参数意义：浆料内颗粒尺寸分布和弥

10、散的度量n测量工具：细度计n测量结果：能得到颗粒的最大、最小和平均粒径2023-11-1515u固体粉末百分比含量n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）。n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。n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。n含量太高，浆料就没有很好的流动性来保证印刷质量。n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。2023-11-1516u粘度n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

11、帕秒(Pas)表示，1Pas=0.001cPn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。2023-11-1517n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。n适合丝网印刷的流体特性：n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。n流体应该具有 某种触变性。n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。2023-11-1518n丝印中的粘度控制：n印刷时，刮板

12、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。n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。n浆料粘度的调节：n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。n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。2023-11-1519p 金属陶瓷厚膜浆料可以分成三大类：导体、电阻和介质u厚膜导体在混合电路中必须实现以下各种功能。n在电路的节点之间提供导电布线(最主要的功能)。n提供安

13、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。n提供元器件与膜布线之间以及与更高一级组装的电互连。n提供端接区以连接厚膜电阻。n提供多层电路导体层之间的电连接。2023-11-1520u厚膜导体材料有三种基本类型：n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。n可氮气烧结：材料包括铜、镍、铝，其中最常用的是铜n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p 3.2.1 金导体u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。2023-11-1521u金厚膜组装工艺中可

14、靠性的考虑：n避免金厚膜与含锡焊料直接焊接n金易与锡合金化并熔入到含锡的焊料；n金和锡也能形成具有很高电阻率的脆性金属间化合物；n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。n避免金厚膜与铝引线直接键合n铝能扩散到金厚膜中，且扩散速率随着温度而迅速增加；n金与铝也会形成金属间化合物；n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。2023-11-1522p 3.2.2 银导体u银厚膜组装工艺中可靠性的考虑：n避免银厚膜与含锡焊料直接焊接n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

15、金化(钯或铂)，以抑制银向焊料中熔入。n避免出现银迁移现象n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。u钯/银导体n用于大多数商业用途，是混合电路中最常用的材料。n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。2023-11-1523p 3.2.3 铜导体u铜厚膜的优点：(对功率混合电路具有极大的吸引力)n可作为金的低成本代替物n可焊性：使功率器件直接焊接到金属化层上而传热更好n耐熔入性：可与含锡焊料直接接触n低电阻：使铜印制线能承载较高的电流，而电压降较

16、小u铜厚膜存在的问题：(主要源于必须使用惰性气氛烧结)n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。n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。n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。2023-11-1524p 3.2.4 难熔金属材料u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。厚膜导体厚膜导体 AuAu丝键合丝键合 AlAl丝键合丝键合 共晶键合共晶键合 Sn/PbSn/Pb钎焊钎焊 环氧粘接环氧粘接 AuAu Y Y N N Y Y N N Y Y Pd/AuPd/Au N N Y Y N N Y Y Y Y Pt/AuPt/Au N N Y Y N N Y Y Y Y AgAg Y Y N N N N Y Y Y Y Pd/AgPd/Ag N N Y Y N N Y Y Y Y Pt/AgPt/Ag N N Y Y N N