微電子封裝中的薄膜技術(shù)

第四章：微電子封裝中的膜技術(shù)Dieattach外圍元件互聯(lián)線一.電子封裝工程中至關(guān)重要的

膜材料及膜技術(shù)薄膜與厚膜膜及膜電路的功能薄膜材料薄膜成膜方法厚膜材料厚成膜方法電路圖形的成型方法1.薄膜與厚膜

相對于三維塊體材料，從一般意義上講，所謂膜，由于其厚度尺寸很小，可以看做是物質(zhì)的二維形態(tài)。按膜厚對膜的經(jīng)典分類認(rèn)為，小于1μm的為薄膜大于1μm的為厚膜。

按制作方法分類，由塊體材料制作的，例如經(jīng)軋制、錘打、碾壓等，為厚膜；而由膜的構(gòu)成物（species）一層層堆積而成的為薄膜。

按存在的形態(tài)分類，只能形成于基體之上的為薄膜（包覆膜），不需要基體而獨(dú)立成立的為厚膜（自立膜）。2.膜及膜電路的功能

其主要功能有：電氣連接、元件搭載、特殊功能、表面改性。電氣連接印制線路板（PWB）的發(fā)明，使電路及膜的形式與基板作為一體，元器件搭載在基板上并與導(dǎo)體端子相連接，使整個系統(tǒng)的小型化、高性能、低功耗、高可靠性及經(jīng)濟(jì)性能方面有重大提高。元件搭載芯片裝載在封裝基板（interposer）上，無論采用引線鍵合方式還是倒裝片方式，都離不開焊接盤；元器件搭載在基板上，特別是LSI封裝體實(shí)裝在基板上，無論采用DIP、SMT、COX、MCM等那種方式都離不開導(dǎo)體端子。焊盤、端子都時膜電路的一部分。表面改性如同在LSI元件表面沉積SiO2、Si3N4等鈍化膜用于絕緣、保護(hù)一樣，在電子封裝工程中也廣泛用膜層作表面改性。例如金屬被釉基板、有機(jī)或無機(jī)絕緣層包覆的金屬芯基板等。如，在塑料表面電鍍金屬以增加耐磨性、降低接觸電阻等，常用的方法有鍍銠、鍍金等。特殊功能是泛指除電氣連接、元件搭載、表面改性以外的所有其他功能，其中電阻膜、絕緣膜、介電質(zhì)膜在電子封裝中屢見不鮮。

二.厚膜材料厚膜導(dǎo)體材料厚膜電阻材料厚膜介質(zhì)材料厚膜功能材料1.厚膜導(dǎo)體材料

厚膜導(dǎo)體中的導(dǎo)體材料分為貴金屬和賤金屬兩大類。厚膜與基板的附著力或由導(dǎo)體金屬自身的化學(xué)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，或由導(dǎo)體中添加百分之幾的玻璃來實(shí)現(xiàn)。對厚膜導(dǎo)體金屬的要求有：電導(dǎo)率高，且與溫度的相關(guān)性??；與玻璃不發(fā)生反應(yīng)，不向厚膜介電體及厚膜電阻體中擴(kuò)散；與介電體及電阻體的相容性良好；不發(fā)生遷移現(xiàn)象；可以焊接及引線鍵合；不發(fā)生焊接浸蝕；耐熱循環(huán)；溫度變化不產(chǎn)生局部電池，不發(fā)生電蝕現(xiàn)象；資源豐富價格便宜。厚膜導(dǎo)體材料一些主要的厚膜導(dǎo)體：

Ag：

最大的特點(diǎn)是電導(dǎo)率高，但其與基板的附著強(qiáng)度、焊接特性等存在問題。焊接后的Ag厚膜導(dǎo)體，隨時間加長及溫度上升，與基板的附著強(qiáng)度下降。這是由于Ag與玻璃層間形成Ag-O鍵，以及與焊料擴(kuò)散成分生成Ag3Sn所致。為了防止或減少Ag3Sn的發(fā)生，或者使Ag膜加厚，或者在Ag上電鍍Ni。最大的缺點(diǎn)是易遷移。是由于Ag與基表面吸附的水份相互作用，形成不穩(wěn)定的AgOH，易氧化析出Ag。添加Pd或Pt抑制。一些主要的厚膜導(dǎo)體：

Ag-Pd；

Ag中添加Pd，當(dāng)Pd/(Pd＋Ag)>0.1左右時即產(chǎn)生效果。Ag/Pd比一般控制在（2.5:1）~（4.0:1）。

Ag/Pd比與厚膜的電阻值及耐焊料浸蝕關(guān)系如下圖1：

為提高Ag-Pd導(dǎo)體的焊接浸潤性，以及導(dǎo)體與基板的結(jié)合強(qiáng)度，需要添加Bi2O3。燒制時，部分Bi2O3溶入玻璃與Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨Bi離子含量的增加，膜的結(jié)合強(qiáng)度增大。見圖2。一些主要的厚膜導(dǎo)體：厚膜導(dǎo)體的斷面結(jié)構(gòu)模型：一些主要的厚膜導(dǎo)體：

Cu：與貴金屬相比，Cu具有高導(dǎo)電率，可焊接，耐遷移性、耐焊料浸蝕性好，價格便宜。但是，Cu在大氣中燒成會氧化，需要在N2氣氛中燒成，其中的氧含量應(yīng)控制在幾個ppm（即10-6）以下。燒制時，Cu表面生成的氧化膜可以使導(dǎo)體電阻升高，也可使基板的附著力增強(qiáng)?？稍跓o氧化Cu粉中，按一定比例混入表面多少發(fā)生一些氧化的Cu粉，在不增加導(dǎo)體電阻的同時，可使附著力增加。

2.厚膜電阻材料到目前為止，以發(fā)表各類電阻體漿料多以Pd-Ag、Ti2O3，添加Ta的SnO，碳黑，RuO2，MoO3等為主導(dǎo)電成分，經(jīng)大氣中燃燒成各種各樣的厚膜電阻體。目前使用最多的是RuO2系，它的組成單純而穩(wěn)定。伴隨著高熱導(dǎo)基板的開發(fā)，在N2中燒成用的LaB6，SnO2系還有各類硅化物系等電阻體也先后發(fā)表。3.厚膜介質(zhì)材料通常分為HK（高介電常數(shù)）介電體和LK（低介電常數(shù)）介電體。前者介電常數(shù)在數(shù)百以上，主要用于厚膜電容器的介電質(zhì)，后者的K值在10以下，多用于表面鈍化、交叉層絕緣層、多層布線絕緣層以及低容量電容器等。LK介電質(zhì)：非晶玻璃（filledglass:FG）和晶態(tài)玻璃（crystallizableglass:CG）二類玻璃系列。HK介電質(zhì)：以BaTiO3為主要成分的介電質(zhì)。4.厚膜功能材料可分為傳感功能元器件和電子回路功能元器件兩大類。厚膜溫度傳感器具有體薄量輕、易實(shí)現(xiàn)微型化、熱容量小、響音速度快、可直接做在回路基板上等優(yōu)點(diǎn)。所以，在汽車等應(yīng)用中的前景看好。在電子回路元器件中，厚膜開關(guān)及存儲元件的可靠性、穩(wěn)定性好。三極管中EFT（場效應(yīng)管）發(fā)展前景好。超導(dǎo)厚膜元件性能已接近陶瓷元件，但還可以進(jìn)一步提高電流密度。三.厚膜工藝厚膜成膜技術(shù)絲網(wǎng)印刷方法絲網(wǎng)印刷工藝1.厚膜成膜技術(shù)厚膜圖形形成方法

厚膜混合IC與單片IC一起對電子部件、整機(jī)乃至整個電子工業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。

厚膜圖形形成方法厚膜成膜技術(shù)厚膜圖形印刷方法

２.厚膜印刷（絲網(wǎng)印刷）法

是通過網(wǎng)版在基板表面印刷厚膜導(dǎo)體漿料，形成于網(wǎng)版對應(yīng)的圖形。由于漿料僅印刷在需要的部位，因此材料的利用率高。缺點(diǎn)：線條精細(xì)度差，分辨率低，多次印刷難保圖形一致。絲網(wǎng)制板絲網(wǎng)乳膠膜基板印刷漿料漿料燒成絲網(wǎng)感光乳膠膜在漏印網(wǎng)版與基板之間保持一定間隙，用刮板以一定速度和壓力使?jié){料從漏印網(wǎng)版的上方按圖形轉(zhuǎn)寫在基板上，故有成為絲網(wǎng)漏印。被印刷物刮板漿料漏印網(wǎng)版３.絲網(wǎng)印刷工藝絲網(wǎng)印刷是制作厚膜電路的主要方法。這種厚膜基板的制作工藝為下流程所示。整個過程要經(jīng)過反復(fù)多次進(jìn)行絲網(wǎng)印刷、干燥、燒成過程。設(shè)備投資低，具備印刷機(jī)、干燥爐、燒成爐即可成膜?；迩逑聪虏繉?dǎo)體印刷干燥燒成絕緣層印刷干燥燒成上部導(dǎo)體印刷干燥燒成電阻體印刷干燥燒成玻璃覆層印刷干燥燒成電阻修邊調(diào)整檢查完成絲網(wǎng)印刷工藝絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)

對于通常厚膜印刷的絲網(wǎng)來說，導(dǎo)體用300～400目，電阻體用200～300目，介電體用200目左右。感光乳膠層的厚度一般為10～20μm。絲網(wǎng)尺寸特別對于脫離式印刷而言，由于刮板的壓力實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)與基板的接觸，即利用了絲網(wǎng)的彈性進(jìn)行印刷，故為了防止彈性較小的不銹鋼發(fā)生不可恢復(fù)的永久性形變，希望應(yīng)變量小些。對于精度要求較高的厚膜印刷來說，絲網(wǎng)尺寸一般取印刷圖形尺寸的3倍左右。備注：目數(shù)＝25.4[mm]/(絲徑[mm]+開口長度[mm])絲網(wǎng)印刷工藝刮板

刮板的形狀有下三種：菱形刮板、平行刮板、劍形刮板。刮板的材料硬度按橡膠常用的HS（肖氏硬度）來標(biāo)定，厚膜印刷使用的刮板硬度一般在60～80HS范圍內(nèi)。材料一般為聚氨酯類、氯丁橡膠、炭氟化合物等，選材聊特別要注意不能受漿料中溶劑等浸蝕。漿料漿料應(yīng)具有良好的離版性能、適度的粘度特性。與厚膜相比,薄膜的特點(diǎn):1、厚膜是由金屬粉末燒結(jié)而成,厚度在1微米以上,薄膜是由原子或原子團(tuán)簇一層一層堆積而成,厚度在1微米以下;2、互連線可以做得更精細(xì)，具有更高的集成度3、成膜更致密，互連線電導(dǎo)率更高，損耗更小4、容易刻蝕，形成圖形容易5、節(jié)約材料,降低成本薄膜的問題:1、要形成原子級的有序堆積，成膜設(shè)備昂貴2、薄膜更容易被腐蝕，更容易受到機(jī)械損傷3、與基板的附著力比用燒結(jié)法形成的厚膜差4、成膜過程中的原子原子團(tuán)簇比粉末更容易被氧化，因此對成膜材料的抗氧化性和成膜環(huán)境要求更5、更容易發(fā)生遷移現(xiàn)象。四.薄膜材料導(dǎo)體薄膜材料電阻薄膜材料介質(zhì)薄膜材料功能薄膜材料1.導(dǎo)體薄膜材料材料的種類和性質(zhì)導(dǎo)體薄膜的主要用途是形成電路圖形，為半導(dǎo)體元件、半導(dǎo)體芯片、電阻、電容等電路搭載部件提供電極及相互引線，以及金屬化等。為保證金屬－半導(dǎo)體之間的連接為歐姆結(jié)合，需要達(dá)到：

金屬與半導(dǎo)體的集合部位不形成勢壘;對于n型半導(dǎo)體，金屬的功函數(shù)要比半導(dǎo)體的功函數(shù)小;對于p型半導(dǎo)體，與上述相反；金屬與半導(dǎo)體結(jié)合部的空間電荷層的寬度要盡量窄，電子直接從金屬與半導(dǎo)體間向外遷移受到限制等。材料的種類和性質(zhì)

除了半導(dǎo)體和金屬間連接應(yīng)注意的上述事項以外，對于其它布線及電極用的導(dǎo)體材料，應(yīng)具有以下特性：實(shí)際上，采用單一導(dǎo)體要滿足以上要求是不可能的，構(gòu)成電子電路需要多種導(dǎo)體膜的組合，見下表電導(dǎo)率要高；對電路元件不產(chǎn)生有害影響，為歐姆連接；熱導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度高，對于堿金屬離子及濕度等的電化學(xué)反應(yīng)要盡量??；置于高溫狀態(tài)，電氣特性也不發(fā)生變化，不發(fā)生蠕變現(xiàn)象；附著力大，成膜及形成圖形容易；可形成電阻、電容，可進(jìn)行選擇性蝕刻；可進(jìn)行Au絲、Al絲引線鍵合及焊接等加工。材料的種類和性質(zhì)材料的種類和性質(zhì)

在相互連接及電極中往往也不是采用單一的金屬，而是使多種導(dǎo)體膜積層化。Au對于上述條件中的大部分都可以滿足，但單獨(dú)使用時與基板及SiO2等膜層的附著力太低，因此如上表所示，往往最底層采用NiCr，Cr，Ti等附著性好的膜層，最上層采用容易熱壓附著或容易焊接的Au及Pb·Sn等。但是，當(dāng)兩種金屬薄膜結(jié)合時，往往比塊體材料更低的溫度下就產(chǎn)生明顯擴(kuò)散，生成化合物。連接與布線的形成及注意點(diǎn)

SiIC中Al布線可由Cr-Au代替。

Cr-Au與玻璃之間有良好的附著性，無論對p型還時n型Si均能形成歐姆結(jié)合。Cr-Au成膜有兩種方法，其一是將基板加熱到250℃，依次真空蒸鍍Cr和Au；其二是采用濺射法沉積。但Cr-Au系中可能引起劣化的機(jī)制之一是Cr向Au中擴(kuò)散,由此會引起電阻增加。以Ti為底層的Ti-Au系，對于所有種類的基板都顯示出相當(dāng)高的附著力，但在250～350℃不太高的溫度下即形成化合物，使Ti膜的特性變差，由此造成電阻值增加。往往在Au與Ti之間加入Pt阻擋層。導(dǎo)體膜劣化及可靠性

成膜后造成膜異常的主要原因有兩個：

造成物質(zhì)擴(kuò)散遷移的外因有高電流密度、高溫度、大的溫度梯度、接觸電阻等。從內(nèi)因講，有構(gòu)成物質(zhì)的體系、晶體度、內(nèi)部缺陷等。內(nèi)因、外因之間隨時都在發(fā)生作用。一般，物質(zhì)的遷移容易沿晶界進(jìn)行，即物質(zhì)的遷移與其微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系很密切。可解釋為：

由于嚴(yán)重的熱適配，存在過剩應(yīng)力狀態(tài)，膜層從通常的基板或者Si、SiO2

膜表面剝離，造成電路斷線；由于物質(zhì)的擴(kuò)散遷移引起，其中包括電遷移、熱擴(kuò)散、克根達(dá)耳效應(yīng)、反應(yīng)擴(kuò)散等。導(dǎo)體膜劣化及可靠性其一，在不是很的溫度下，晶界擴(kuò)散系數(shù)比體擴(kuò)散系數(shù)大很多。膜層中大量存在有晶界，晶界中離子的活動性與各個晶粒的晶體的晶體學(xué)取向有關(guān)，特別是當(dāng)許多晶粒的晶體學(xué)取向不一致時，易于離子遷移。其二，晶粒取向與外加電場之間的角度，因場所不同而異。其三，當(dāng)傳導(dǎo)電子從大晶粒一側(cè)向小晶粒一側(cè)移動時，由于界面處也發(fā)生離子的遷移，因而引起小晶粒一側(cè)空位的積蓄等。

劣化模式是上述各種機(jī)制的組合，平均故障時間MTF（meantimetofailure）與微觀的結(jié)構(gòu)因子數(shù)相關(guān)，特別是導(dǎo)體的長度和寬度、平均粒徑與粒徑的分布、晶體學(xué)取向、晶界特性等影響很大。導(dǎo)體膜劣化及可靠性

為了增加MTF，在條件允許的情況下應(yīng)盡量采取如下措施：實(shí)際上，電路的劣化不僅僅源于導(dǎo)體的劣化，鈍化層和封裝的缺陷也常常是造成劣化的原因。此外還要注意異常狀態(tài)和環(huán)境變化等。減少導(dǎo)體長度；增加導(dǎo)體膜的寬度和厚度；增加膜層的平均粒度等。2.電阻薄膜材料

膜電阻通常采用真空蒸鍍、濺射鍍膜、熱分解、電鍍等方法制作。電阻薄膜材料薄膜電阻原材料的電阻率多分布在100～2000μΩ·cm范圍內(nèi)，通常由此做成方阻值為10Ω/□～1000Ω/□的薄膜電阻。3.介質(zhì)薄膜材料介質(zhì)薄膜依其電學(xué)特性（如電氣絕緣、介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性），以及機(jī)械電性和光學(xué)電性等，廣泛應(yīng)用于電子元器件、光學(xué)器件、機(jī)械元器件等各個不同領(lǐng)域。作為應(yīng)用實(shí)例，有顯示元件、紅外線傳感器、彈性表面波（SAW）元件、薄膜電容器、不易失性存儲器等等。幾種介電薄膜材料的簡單介紹：

SiO2膜是在Si基板及多晶Si膜、SiN4膜表面氧化而成的，也可以由硅烷（SiH4）及TEOS（tetraethoxysilane:四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4）為原料，通過熱CVD、等離子體CVD形成。其中SiO2及SiN4-SiO2復(fù)合中SiO2的等效膜厚薄到5nm，可以說達(dá)到最薄的極限。介質(zhì)薄膜材料

除此，由于Ta2O5（εr=28），Y2O4（εr=16

），HfO2（εr=24）等氧化物介質(zhì)的薄膜材料的介電常數(shù)是SiO2介電常數(shù)的4～7倍，得到廣泛注意。但其中由于采用時漏電較大，實(shí)際的靜電容量會受到影響。由于SrTio3，(Ba，Sr)TiO3，PZT[Pb(Ti，Zr)O3]等鈣鈦礦型氧化物材料具有順電相或鐵電相，其介電常數(shù)都很高。由這些材料構(gòu)成的膜在IC制作和電子封裝中都由重要應(yīng)用。在電子封裝領(lǐng)域，使這些高介電常數(shù)的膜層與導(dǎo)體層疊層共燒可將電容器等無源元件植于高密度多層基板中，實(shí)現(xiàn)三維封裝。上述這些膜層一般可由射頻磁控濺射、粒子束濺射、溶膠－凝膠、MO（金屬有機(jī)物）CVD、紫外激光熔鍍等方法成膜。4.功能薄膜材料各種薄膜材料的應(yīng)用越來越廣泛，涉及到電子元器件、顯示器、磁記錄及光盤、傳感器、太陽能電池、光集成電路、金剛石薄膜等各個領(lǐng)域。

五．薄膜成膜方法按干式和濕式對成膜方法的分類：干式中：真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍?yōu)榇淼奈锢須庀喑练e（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）濕式中：電鍍、化學(xué)鍍、陽極氧化、溶膠－凝膠以及厚膜印刷。濕式成膜方法電鍍和化學(xué)鍍成膜是依靠電場反應(yīng)，使金屬從金屬鹽溶液中析出成膜的方法。電鍍，促進(jìn)電場析出的還原能量由外部電源提供；化學(xué)鍍，需添加還原劑，利用自分解而成膜。特點(diǎn)：可對大尺寸基板大批量成膜，投資低，但需要考慮環(huán)境保護(hù)問題。缺點(diǎn)：濕法成膜過程中環(huán)境雜質(zhì)相對較多，成膜質(zhì)量相對較差。干式對成膜方法真空蒸鍍及濺射法

真空蒸鍍是將鍍料在真空中加熱、蒸發(fā)，使蒸汽的原子或原子團(tuán)在溫度較低的基板上析出形成薄膜。

濺射鍍膜是將放電氣體導(dǎo)入真空，在輝光放電等離子體中產(chǎn)生的正離子加速轟擊處于陰極的靶材，使濺射出的原子沉積在基板上。多用于氧化物、氮化物等絕緣材料及合金材料的成膜。CVD法泛指由氣態(tài)原料通過化學(xué)反應(yīng)生成固體薄膜的沉積過程。這些反應(yīng)的共同特點(diǎn)是，至少有一種固態(tài)產(chǎn)物生成，并且以薄膜的形態(tài)沉積在基板表面上。~Al材鉬舟硅片Al膜Al蒸氣蒸發(fā)電源真空蒸發(fā)成膜原理避免金屬原子氧化++++++Al靶Al膜濺射成膜原理陽陰避免金屬原子氧化真空Ar氣Ar+Al膜與硅片之間的結(jié)合力比蒸發(fā)法要好CVD反應(yīng)器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖化學(xué)反應(yīng)六.薄膜電路圖形的成型方法上述各種方法形成的膜層，應(yīng)用于電子工業(yè)，例如電子元器件制造、電子封裝、平板顯示器等，都需要形成電路圖形。電路圖形的形成方法很多，如，填平法、蝕刻法、掩膜法、厚膜印刷（絲網(wǎng)印刷）法、噴沙法等。以上電路圖形的各種不同形成方法的原理及工藝過程，下面分別簡單介紹。1).填平法

先將光刻膠涂敷（甩膠）或?qū)⒐饪棠z干膜貼附（貼膜）于基板表面，經(jīng)光刻形成“負(fù)”的電路圖形，即沒有電路的部分保留光刻膠。以此附圖為“模型”，在其槽中沉積金屬膜層，即所謂填平。最后將殘留的光刻膠剝離。缺點(diǎn)：導(dǎo)電膠膜中容易混入氣泡正膠：曝光后可溶負(fù)膠：曝光后不可溶基板光刻膠成膜材料光刻膠剝離2).蝕刻法包括化學(xué)蝕刻法和薄膜光刻法兩種