混合微電路技術：第三章 厚膜工藝

1、第三章 厚膜工藝掌握厚膜的制造工藝過程；掌握漿料各組分的作用及特性；了解非貴金屬及聚合物厚膜的工藝特性；1. 厚膜工藝古代希臘人和埃及人曾用絹絲來制造符號、圖樣和藝術品近20年，成為電子工業(yè)的主要生產方法生產厚膜電路的三個關鍵步驟：絲網印刷干燥燒成1.1 絲網印刷基本概念： 將粘性的漿料在漏印絲網上用力推動使其通過網孔將圖形沉積到基片上。絲網網線用不銹鋼抗拉伸、耐磨用滾筒碾壓絲網厚度一致性好，降低厚度絲網的目數(shù)：每英寸長的絲網布中的開口孔數(shù)決定導線之間的間隔和孔尺寸決定導體和電阻尺寸和公差掩膜感光膠涂敷在絲網上，形成圖形金屬箔用環(huán)氧粘接到絲網上，形成圖形金屬箔與絲網熔合，鎳箔圖形化并刻蝕厚膜漿

2、料流體高于重力的屈服點漿料具有觸變性：可變的流動性，粘度隨著壓力降低而增加使用正原圖使用負原圖產生厚膜絲網圖案的選擇1.2干燥通過適當?shù)丶訜釓慕z印的漿料中去掉有機溶劑新印完漿料在空氣中晾干流平通過120150 帶式爐完全干燥，使有機溶劑揮發(fā)干凈510min,1h幾小時1020min(1)(2)1.3 燒成干燥之后基片被送入有幾個溫區(qū)的帶式爐里燒結燒成曲線燒成曲線各溫度區(qū)間作用1)、A區(qū)(200500 )暫時性有機聚合劑氧化分解，未去掉的形成碳化沉淀 ，陷在漿料中，改變最后產品電性能和物理性能需有效空氣流2)、B區(qū)(500700 )永久性的結合劑(玻璃)融化，濕潤基片和功能材料顆粒的表面，與基片

3、中融化的玻璃成分熔合3)、C區(qū)(700850 )功能顆粒被燒結，與玻璃料一起固定在基片上850 峰值保溫10分鐘，迅速冷卻到略高于室溫峰值溫度比漿料中金屬成分融化溫度低100 1.4 多層厚膜工藝厚膜多層基片制造步驟工藝流程圖1.5多層共燒陶瓷帶工藝基片和全部介質層處于未燒狀態(tài)(生坯帶)低溫共燒850900 空氣中，玻璃含量高高溫共燒1600 惰性或還原氣氛1）氧化物、玻璃、有機結合劑、溶劑、增塑劑球磨混合2）流延并干燥成橡皮狀薄片3）沖成Z方向通孔及切成所要尺寸4）絲網印刷厚膜導體漿料對準疊合，層壓，共燒LTCCHTCC1.6高溫共燒陶瓷(HTCC)1、燒陶瓷需要高溫使用鎢、鉬、鉬-錳或其它

4、難熔金屬導體漿料2、使用氫氣保護3、面電阻率高4、頂層鍍鎳接著鍍金，增加電性能及裝配可靠性多層共燒帶工藝流程共燒帶工藝特點1、優(yōu)點：導體層的多層互連固定資產不算，規(guī)模生產的封裝和基片成本低2、缺點絲網印刷的電阻器和其它無源元件含有氧化物，在還原氣氛下反應，使性能變差，不能并入高溫共燒HTCC瓷帶玻璃含量相對較高，熱導率降低難熔金屬降低內層導線的導電性外層導體必須鍍鎳鍍金增加表面電導率并提供足夠的金屬化層厚膜工藝與高溫共燒帶工藝的比較1.7 低溫共燒陶瓷(LTCC)較低溫度，空氣環(huán)境允許使用金和銀等高電導率的漿料無源元件如電阻器、電容器和電感器能夠與陶瓷帶共燒1、而HTCC要求的氫還原氣氛是元件

5、中的氧化物還原(方程1)，X=BaTiO3, Fe3O4, RuO23、氮氣氛中燒成也會因為粘接劑降解形成的CO (方程3，4)2、未燒的瓷帶含有的碳化物有機結合劑加劇還原(方程2)，將互連基片、封裝和引線一體化的設計方法，扁薄的封裝。產生復雜形狀或三維電子電路和封裝缺點玻璃含量高(50%或更大)，熱導率非常低。設計散熱金屬孔或者通過插金屬銷子來改進由于玻璃含量高，導致結構強度低燒成時瓷帶收縮（12%，且收縮變），能被精確測量，控制和補償LTCC超過HTCC的優(yōu)點LTCC超過厚膜工藝的優(yōu)點2. 直接描入2.1、程序控制的將漿料加力通過細的噴嘴流出，由計算機控制有選擇性的流出圖形2.2、優(yōu)點不用

6、絲網掩膜為制造原型電路和小量到中等量的電路提供快速的周轉不需要表面平整，因為直描時漿料順從性好，且適應表面形貌很快完成設計反復，拿出新樣品描出不同阻值電阻，同一步驟干燥燒成2.3、缺點：初始設備成本高，大批量生產速度慢，因此適合早期階段的樣品生產、測試和重復制作2.4、細線厚膜工藝細目不銹鋼絲絲網(400目)金屬有機分解工藝(MOD)MOD溶液施加到基片上干燥去溶劑580850 下燒成光刻、曝光、顯影和刻蝕杜邦開發(fā)的擴散圖形法工藝杜邦開發(fā)的擴散圖形法工藝使用有機金屬分解和電鍍圖形制作細線電路3.各種漿料3.1 類型和比較以電性能來分類，分為：導體、電阻和介質漿料包含：功能材料溶劑：暫時性結合劑

7、：永久性結合劑導體：金屬電阻：金屬氧化物、金屬和玻璃組合介質： 一種或多種金屬氧化物和玻璃各種沸點有機溶劑，分散固體成分，調節(jié)粘度中等分子量有機聚合物，提供流動性，燒成初氧化分解去掉玻璃，熔接功能材料顆粒，并把他們結合到基片上3.2 導體漿料在信號線中導通電流，在導體層之間、在元器件和電路線之間形成電通路高電導率金屬，多為金、銀、鉑、鈀或其組合成本低的銅、鎳高電導率、低成本、附著力高，細線分辨率高3.2.1、導體漿料的附著機理有玻璃料的漿料玻璃成分與基片中玻璃成分機械連接難得到均勻的膜，妨礙線焊錫焊無玻璃料的漿料純化學機理，尖晶石結構需高溫燒成尖晶石混合型漿料既有玻璃料又有尖晶石形成溫度850

8、 Cu+Al2O4=CuO Al2O31000 CuO + Al2O3鋁酸鉻尖晶石3.2.2、厚膜導體的附著力實驗拉力附著力印燒在基片上的小方形或圓形的焊盤，焊上銅塞子，再焊金屬線，拉力方向拉金屬絲剝皮附著力3.2.3、金屬遷移主要發(fā)生在銀或滲銀的合金中發(fā)生金屬遷移的條件：直流或交流電勢，小到1V或2V介質表面或介質內部有某種離子沾污濕氣形成薄液層銀測定厚膜導體的金屬遷移水滴試驗遷移測試圖3.2.4導體漿料的種類金電阻率低，具有優(yōu)異的熱壓鍵合能力金導體與基片附著力差，還會向釬料中熔解基片多次燒結，金漿料的性能降低，可焊性下降成本價格起伏不定Au-Sn 以及Au-Al形成金屬間化合物銀焊接性能好

9、，與基片的附著力高，可以與電阻共燒直流電場下，電遷移看溶蝕能力和抗氧化能力不如鈀-銀導體高頻下良導體，應用較為成功二元合金系統(tǒng)鉑-金廣泛用于厚膜電路，良好的錫焊性能，良好的線鍵合特性鉑存在降低導電性，更昂貴，在氧化鋁上的附著力與金漿料類似鈀-金基本特性與鉑-金一樣好，成本低氧化鋁和氧化鈹基片附著力優(yōu)秀鈀增加緬甸組，但改善了焊接性能和線鍵合性能鈀-銀應用最多的漿料，比金更便宜，比銀有更高的面電阻率與氧化鋁基片表現(xiàn)出色附著力，與氧化鈹間的附著力也很好鈀能減少陰離子遷移問題銀使線鍵和能力變差銅容易氧化，必須在惰性氣氛中燒結密度高，附著力好，可焊性好，易于在氧化鋁氧化鈹和滑石基片上制造金屬化層銅厚膜系

10、統(tǒng)存在的問題氮氣氛問題介電材料的針孔問題電阻的穩(wěn)定性3.3 電阻漿料釕(RuO+4)的氧化物：二氧化釕RuO2， 釕酸鋇BaRuO3, 釕酸鉍Bi2Ru2O7改變漿料中玻璃料的量，可以控制電阻值，對噪聲也有作用，高阻值的噪聲大電阻端頭效應預端接后端接方阻，方塊電阻當樣品長度和寬度遠大于厚度是，更方便使用的單位是薄層電阻率s，等于體電阻率B 除以厚度T s單位：/單位厚度體性能與尺寸無關，而薄層電阻率是樣品尺寸的函數(shù)按照薄層電阻率的定義，電阻R 可以給出為均勻厚度的樣品，如果長度等于寬度，其電阻值與薄層電阻率相同，而與實際尺寸無關特殊單位/25m烘干后膜厚度，簡化成/LWT電流3.3.1厚膜電阻

11、零時間性能電阻率溫度系數(shù)TCR將電阻隨溫度變化進行線性化，該值小，通常除以電阻初值，再乘以106漿料商提供的如下兩值表示TCR25到125 的平均值（熱TCR）25到-55 的平均值（冷TCR）金屬的TCR是正值，非金屬或半導體的TCR是負值TCR跟蹤低的TCR跟蹤值比低的絕對TCR更重要厚膜電阻的典型電阻值與溫度關系曲線電阻的電壓系數(shù)（VCR）電阻材料表現(xiàn)出的對高電場的敏感性電阻漿料的VCR總是負值，即隨著電場增加，電阻減小VCR與電阻長度有關引起電阻漂移的是伏特/單位長度電阻相同成分和電壓壓力下，長電阻比短電阻漂移小同樣電壓梯度下，高阻值電阻漂移大厚膜電阻的典型VCR電阻噪聲（熱噪聲和電流

12、噪聲）熱噪聲或白色噪聲熱引起的電子在不同能級之間隨機躍遷的結果，存在于所有材料電流噪聲或粉紅噪聲（單位dB/十倍頻程）材料內電子越過邊界（晶界)發(fā)生的能級突變引起厚膜的電流噪聲因玻璃層引起改善厚膜噪聲性能高值電阻比低值電阻具有更高噪聲電平大面積電阻具有較低的噪聲電平較厚的電阻具有較低的噪聲電平電阻噪聲測試3.3.2厚膜電阻與時間有關的性能高溫漂移由于本體中玻璃應力釋放產生電阻變化加速試驗濕度穩(wěn)定性電阻漂移試驗功率承載容量由于電阻發(fā)熱引起的電阻變化功率老練試驗要求電阻漂移小于0.5%，額定功率密度是50W/in23.4 介質漿料厚膜介質用作多層電路中的導體層間的電絕緣、交叉電路的導體絕緣及電組和導體的保護覆蓋由氧化鋁或其它陶瓷粉末、晶化玻璃、觸變性的有機結合劑和有機溶劑的混合物組成重要工藝參數(shù)：電性能(絕緣電阻、介電常數(shù)、損耗因數(shù)、擊穿電壓)，膜的完整性(沒有針孔和氣孔)和通孔分辨率針孔識別試驗、水滴試驗和金屬遷移實驗3.5 厚膜電容器類似厚膜電阻，用絲網印刷和燒成介質漿料的方法制造厚膜電容器高介電常數(shù)的鐵電材料，常用的鈦酸鹽填料對于多層電容，則傾向購買片式電容5. 聚合物厚膜（ PTF ）P