1、2022-4-31p 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 第第1页页/共共61页页2022-4-32p 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在基板上制成导线互
2、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第第2页页/共共61页页2022-4-33p 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第第3页页/共共61页页2022-4-34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
3、料p 厚膜浆料通常都有的两个共性： u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。第第4页页/共共61页页2022-4-35p 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850100
4、0烧结。是目前陶瓷类基板上最常用的基本厚膜材料第第5页页/共共61页页2022-4-36p 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。运载剂第第6页页/共共61页页2022-4-37p
5、 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。第第
6、7页页/共共61页页2022-4-38（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。第第8页页/共共61
7、页页2022-4-39p 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。第第9页页/共共61页页2022-4-310p 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
8、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、表面活性剂和某些试剂，以改善浆料的有益特性和印刷性能。 第第10页页/共共61页页2022-4-311p 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
9、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临界速率第第11页页/共共61页页2022-4-312n浆料配制一般综合考虑颗粒的比表面积、混合比例和纯度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
10、所受到的很高的剪切力，使微小颗粒弥散得更充分第第12页页/共共61页页2022-4-313p 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、最小和平均粒径第第13页页/共共61页页2022-4-314u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
11、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。第第14页页/共共61页页2022-4-315u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。第第15页页/共共61页页2022-4-316n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
12、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。第第16页页/共共61页页2022-4-317n丝印中的粘度控制：n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。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
13、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。 第第17页页/共共61页页2022-4-318p 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。第第18页页/共共61页页2022-4-319u厚膜导体材料有三种基本
14、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。第第19页页/共共61页页2022-4-320u金厚膜组装工艺中可靠性的考虑：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
15、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。第第20页页/共共61页页2022-4-321p 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
16、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。第第21页页/共共61页页2022-4-322p 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
17、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。第第22页页/共共61页页2022-4-323p 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/AuP
18、d/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 Y Y Y Y Pt/Pd/AgPt/Pd/Ag N N Y Y N N Y Y Y Y CuCu N N Y Y N N Y Y N N 厚膜导体的性能表注：Y表示“可适用”，N表示“不适用”。第第23页页/共共61页页2022-4-324u厚膜电阻制造过程：把金属氧化物颗粒与玻璃颗粒混合，在足够的温度/时间进行烧结，以使玻璃
19、熔化并把氧化物颗粒烧结在一起。所得到的结构具有一系列三维的金属氧化物颗粒的链，嵌入在玻璃基体中。第第24页页/共共61页页2022-4-325u电阻值的控制：金属氧化物与玻璃的比越高，烧成的膜的电阻率越低，反之亦然。n厚膜电阻材料的体积电阻率：n六面体型材料的电阻： 1lglgnBjjjV式中 B 混合物的体积电阻率， (单位:欧姆长度)； Vj 单个组分的体积分数； j 组分的体积电阻率。WTLRB式中 R电阻，； B材料体积电阻率； L样品长度，用相应单位表示； W样品宽度，用相应单位表示； T样品厚度，用相应单位表示。 第第25页页/共共61页页2022-4-326n厚膜电阻材料的薄层电
20、阻率（又称方块电阻或方阻，由于其长度和宽度远大于厚度） 厚膜电阻率通常采用标准的单位厚度：0.001 in (25m) 的烘膜后厚度。单位是/0.001in烘干后的膜厚度，或可简化成/。 n厚膜电阻材料的薄层电阻TBss为薄层电阻率,单位: /方块 /单位厚度WLRs样品为正方形时，R = s第第26页页/共共61页页2022-4-327n厚膜电阻率的数值范围 能混合的具有相同化学性质的一组厚膜材料被称为一个“族”，在通常的“族”内，其方块电阻的数值范围用十进制数表示，一般从10/1M/，可有中间值。n阻值下限：随着越来越多的材料被加入，使得没有足够的玻璃来维持膜的结构完整性。常用的材料，薄层
21、电阻率的下限大约为10/。薄层电阻低于这一数值的电阻必须有不同的化学性质，通常并不与常规的材料族混合使用。n阻值上限：随着所加入的材料越来越少，就会出现没有足够的颗粒形成连续的链，薄层电阻率就会突然提高。在大多数电阻族里，实际的上限大约为2M/。也可得到大约20M/的电阻材料，但它们并不是按照与低值的电阻那样混合处理的。 第第27页页/共共61页页2022-4-328n预测厚膜电阻电性能的定性导电模型（定性规律）n在纯粹的金属氧化物-玻璃系统中，高欧姆值电阻往往比低欧姆值电阻具有更负的TCR和VCR。n在现有的以商品使用的系统中由于TCR改性剂的存在，情况并不总是如此。n高欧姆值电阻显示了比低
22、欧姆值更大的由MIL-STD-202定义的电流噪声。n高阻时，当载流子从一个金属氧化物的颗粒穿过玻璃薄膜转移到另一个颗粒时，它必须在能级上有一个突变，就会出现电流噪声。低阻时，金属氧化物颗粒烧结在一起，这种转移就不剧烈，就很少或没有噪声产生。n高欧姆值比低欧姆值电阻对高电压脉冲和静电放电更为敏感。n高电压脉冲击穿了玻璃薄膜，形成了一种烧结接触，从根本上降低了电阻值。静电放电的影响强烈的依赖于所使用的玻璃系统，有的可以降低一半左右，而有的可能受到的影响很小。第第28页页/共共61页页2022-4-329p 3.3.1 厚膜电阻的电性能u电阻的电性能可以分为两大类: n初始电阻（刚烧结后）性能n电
23、阻温度系数（TCR） n电阻电压系数（VCR）n电阻噪声n高压放电 n与环境有关（老炼后）的性能 n高温漂移 n湿度稳定性 n功率承载容量 第第29页页/共共61页页2022-4-330p 3.3.2 初始电阻性能（1）电阻温度系数（TCR）u物理意义： TCR是温度的函数，定义为在实验温度T时电阻曲线的斜率。所有实际的材料都会呈现电阻随温度的变化，大多呈非线性关系。uTCR的线性化厚膜电阻的典型电阻与温度曲线TRTCR 216612110 ( 10 /R TR TTCRR TTT)R（T2）温度T2时的电阻； R（T1）温度T1时的电阻。或或ppm/浆料制造商一般提供：25125的平均值（“
24、热”TCR） -5525的平均值（“冷”TCR）dTTdRTTCR)()(第第30页页/共共61页页2022-4-331uTCR参数需要注意的问题：n大多数材料的TCR是非线性的，唯一完全精确的描述一种材料温度特性的方法是考察温度与电阻关系的实际曲线。线性化处理最多是一种近似，但线性化足够用在很多的设计中。n一种材料的TCR可以是正值，也可以是负值。按常规，如果电阻随温度增加而增大，则TCR是正值；同样，如果电阻温度增加而降低，则TCR是负值。一般来说，金属的TCR是正值，而非金属（半导体材料）的TCR是负值。n尽管一个电阻的绝对TCR对于电路的工作是非常关键的，但在某些电路设计中，两个电阻之
25、间的净TCR甚至更重要。（体现为电阻间的TCR跟踪性）第第31页页/共共61页页2022-4-332例：p 若两个1 K的电阻在0时，绝对TCR分别是+7510-6/和 -4010-6/。温度变化+100以后，电阻可以分别为1008和996。在100 时两个电阻的比值为： 则净TCR（两个电阻绝对TCR的代数差）转变为11510-6/p 若两个电阻的TCR分别为20010-6/和17510-6/，在数值上要比上个例子高得多。在这种情况下，100时的R1=1020，R2=1018，两者的比值为：净TCR只有24.610-6/。 012. 1996100821RR002. 11018102021R
26、R第第32页页/共共61页页2022-4-333u增强两个电阻TCR跟踪性的原则：n两个电阻随温度变化朝着相同的方向变化，虽然具有高的绝对TCR，但可能具有低TCR跟踪值。n由同样TCR浆料量制成的电阻比由相差几十TCR的电阻跟踪更接近。 n同样长度的电阻比不同长度的电阻跟踪更接近。 n印刷厚度相同的电阻比厚度不同的电阻跟踪更接近。第第33页页/共共61页页2022-4-334（2）电阻的电压系数（VCR）u物理意义：表现电阻材料对高电压(高电场)的敏感性。公式的形式与TCR类似。式中，R（V1）V1下的电阻； R（V2）V2下的电阻； V1 测出R（V1）时的电压； V2 测出R（V2）时的
27、电压。 21661211010 /R VR VVCRVR VVV（）或或ppm/V第第34页页/共共61页页2022-4-335uVCR参数的一般规律：n同类浆料制成的阻值相对较高的电阻，往往具有更负的VCR。（阻值越高半导体性越大） n在相同浆料成分和电压应力下长电阻比短电阻的电位漂移要小。（长度越短电压梯度越大）厚膜电阻典型的VCR第第35页页/共共61页页2022-4-336（3）电阻噪声 u噪声产生的机理：当处在基态的一个电子运动到一个较高或较低的能级时就会出现噪声。能级之间的电位差越大，噪声越大。u噪声来源：n热噪声（或称“白色”噪声）：由于热引起电子在能级之间随机跃迁的结果，在某种
28、程度上存在于所有的材料中。热噪声的频谱与频率无关 。n电流噪声（或称“粉红色”噪声）：在厚膜电阻中，电流噪声的主要来源是由于在有效物质的颗粒之间可能存在的薄薄一层玻璃引起的能级突变而造成的。一般电流噪声的水平在频率超过1020kHz时不是很大。 第第36页页/共共61页页2022-4-337u改善噪声水平的原则： n高值电阻比低值电阻具有更高的噪声电平； n大面积电阻具有较低的噪声电平； n较厚的电阻具有较低的噪声电平。u相同型号电阻中噪声指数的漂移 显示工艺过程的变化：n印刷厚度不够n烧结不充分n导体-电阻界面有玻璃层或其它 缺陷n调阻较差或不完整电阻噪声试验是一种优良的测量电阻性能的方法，
29、能提供其它方法很难得到的信息。其结果可以用来检验和指导制造工艺的优化。第第37页页/共共61页页2022-4-338p 3.3.3 与环境有关的电阻性能（1）高温漂移 u参数意义：高温环境会促使电阻漂移的产生。如果电阻烧结不当或加工不当（修整不当、基板失配等），这种漂移就可能影响电路的性能。n未调阻的厚膜电阻主要由于构成电阻本体的玻璃中应力释放而出现的阻值往上稍微的漂移。n经过适当加工后的电阻，可以测量百分之几的样品来看该电阻在整个寿命范围内漂移的大小。u参数的表征方法：按照MIL-STD-883C标准提供的加速试验，属于破坏性的加热老化试验。条件为正常室内湿度下125、1000h。更为苛刻的
30、试验条件是150、10h或145、40h。第第38页页/共共61页页2022-4-339（2）湿度稳定性 u参数意义：水分环境能加速厚膜电阻的失效，加速因子几乎为500。电阻和电路的湿度试验比单纯的加热老化更昂贵，但更能很好地预测可靠性。 u参数的表征方法：最常用的试验条件是相对湿度85%和温度85。（3）功率承载容量u参数意义：高功率导致的漂移主要是由于内部电阻发热引起的温升老化。u与单纯加热老化温升特点的区别：n单纯加热老化：电阻暴露于高温环境，整个电阻均匀受热n加载高功率老化：电阻膜内点到点的金属接触部位产热，接触部位的局部温升要比周围区域高得多。第第39页页/共共61页页2022-4-
31、340u功率老化的一般规律：n相同的载荷下低值电阻比高值电阻往往漂移较小。（由于阻值较低的电阻含有较多的金属，颗粒彼此接触更多，产热量少）n大多数电阻系统的功率老化的形状呈指数上升。 u厚膜电阻的额定功率：n在整个电阻寿命中达到 漂移小于0.5%最普遍 接受的额定功率是50W /in2（有效电阻面积）。n如果容忍更多的漂移， 电阻额定功率可以高达 200W/in2。第第40页页/共共61页页2022-4-341p 3.3.4 厚膜电阻的工艺考虑u烧结温度和时间的控制：烧结温度和该温度下烧结时间的微小变化都会引起电阻平均值和数值分布的明显变化。n一般来说，电阻的欧姆值越高，变化越剧烈。n较高的欧
32、姆值会随着温度和时间增加而减小，而非常低的欧姆值（100/）往往是增加。u烧结气氛的控制：厚膜电阻对烧结气氛非常敏感。n大气中还原性的污染物会使电阻值降低一个数量级，且高欧姆值的电阻比低欧姆值的更敏感，在用于烧结厚膜材料的炉子附近不能有任何溶剂、卤化物或碳基的物质存在。第第41页页/共共61页页2022-4-342u介质材料的作用：以简单的交叠结构或复杂的多层结构用作导体间的绝缘体，并可以通过介质层留有小的开口区或通孔以便与相邻的导体层互连。u布线层数：厚膜电路大多数只有三个金属化层，如果需要三层以上时，成品率开始急剧下降，从而使成本相应增加。u对介质材料特性的要求：n烧结工艺要求介质材料必须
33、是结晶的或可再结晶的材料。以浆料形式存在的这些材料能在相对较低的温度下熔化、混合、冷却后，形成一种熔点比后续各层烧结温度更高的均匀组分。n匹配性要求介质材料中可加入陶瓷颗粒来促进结晶和调整膨胀系数（TCE）。厚膜介质材料的TCE必须尽可能的接近基板材料以避免在加工几层后基板过分弯曲和翘曲，以及由此引起介质材料开裂。第第42页页/共共61页页2022-4-343u对介质层加工工艺的要求：一方面，它们要形成连续的膜以消除层间的短路；另一方面，它们必须包含小到0.010in(0.25mm)的开口区。一般说来，介质材料每层要印刷和烧结两次，以消除针孔和防止层间的短路。u介质材料的其它用途：具有较高介电
34、常数的介质材料也可用于制造厚膜电容器。它们一般比片式电容器具有更高的损耗正切，并占用大量空间。尽管最初的电容误差不好，但是厚膜电容器可以经过修整达到很高的精度。第第43页页/共共61页页2022-4-344u釉面材料的材质：n一种可以在较低温度（通常在550 附近）下烧结的非晶玻璃。u釉面材料的作用：n可以对电路提供机械保护，免于电路损伤、污染和水等因素在导体之间的桥连短路；n阻挡焊料散布；n改善厚膜电阻调阻后的稳定性。（某些研究已经表明，尽管釉面毫无疑问对较低阻值的电阻是有益的，但它实际上也能使高值电阻有较大漂移。）第第44页页/共共61页页2022-4-345p 生产厚膜电路需要三个基本工
35、艺：u丝网印刷：把浆料涂布在基板上u干燥：在烧结前从浆料中去除挥发性的溶剂u烧结：使粘接机构发挥作用，将印刷图形粘接到基板上p 丝网掩膜的制备：（一般为不锈钢丝网）u设计每层结构对应的原图，并用来使涂有感光材料（感光胶）丝网曝光，感光胶受到紫外线作用而交联硬化，而被保护的部分可以用水直接冲洗掉，留下开口图形区。第第45页页/共共61页页2022-4-346p 丝网印刷的工艺步骤： u把丝网固定在丝网印刷机上； u基板直接放在丝网下方； u把浆料涂布在丝网上面；u刮板在丝网的表面运动，迫使浆料通过开口图形区落到基板上。p 丝网印刷的两种方法：u接触工艺：丝网在整个印刷过程中与基板保持接触，然后通
36、过降下基板或提起丝网使两者迅速分开。n通常用于使用金属模板来印刷软铅焊浆料。u非接触工艺：丝网与基板分开很小的距离，用刮板刮后，丝网就会很快恢复原状，把浆料留在了基板上。n通常可以获得最佳的线条清晰度，是大多数厚膜浆料的印刷方法。第第46页页/共共61页页2022-4-347p 干燥的目的：两种有机组分组成了印刷膜的运载剂：可挥发组分和不挥发组分。其中绝大多数的可挥发组分必须在烧结前的干燥工序中去除。p 干燥工艺：u干燥前必要的流平过程：在印刷后，零件通常要在空气中“流平”一段时间，通常515min。其目的是：n流平过程可使丝网筛孔的痕迹消失n印刷以后，印刷膜的粘度很低，需要一定的时间使得它在
37、干燥前恢复到较高的粘度。如果在印刷后就立刻把膜暴露在高温中，粘度将降低更多，浆料就会在基板表面铺展开来，使印刷膜的边缘清晰度受到破坏。第第47页页/共共61页页2022-4-348u强制干燥：流平后，零件要在70150的温度范围内强制干燥大约15min。其中应注意：n干燥设备：通常是在低温的链式烘干炉中进行的。小规模的生产或实验室研究，可选用间歇式的强制空气干燥炉或热板。n抽风系统：某些溶剂具有强烈的气味，并且停留在烧结炉附近时可能对烧结气氛产生危害。 n环境洁净度：必须在洁净室（100000级）进行干燥，防止灰尘和纤维屑落在烘干的膜上。在烧结过程中，这些颗粒将烧掉，在膜里留下孔洞，n干燥速率
38、控制：在干燥过程中必须控制升温速率，防止由于溶剂的迅速挥发导致膜的开裂。n要求浆料制造商推荐合适的干燥方案（干燥曲线）第第48页页/共共61页页2022-4-349p 厚膜的烧结炉必须能够具备的条件： u清洁的烧结炉环境 u一个均匀可控的温度工作曲线u均匀可控的气氛 上海双腾电子器件有限公司上海双腾电子器件有限公司第第49页页/共共61页页2022-4-350p 薄膜技术的特点：（与厚膜工艺相比）u是一种减法技术，整个基板用几种金属化层淀积，再采用一系列的光刻工艺把不需要的材料刻蚀掉。u使用光刻工艺形成的图形具有更窄、边缘更清晰的线条，促进了薄膜技术在高密度和高频率的使用。p 薄膜电路的典型结
39、构：由淀积在一个基板上的三层材料组成u底层：作为电阻材料、提供与基板的粘结u中间层：改善导体的粘结、 防止电阻材料扩散到导体中u顶层：导电层第第50页页/共共61页页2022-4-351p 3.9.1 薄膜的沉积技术（1）溅射（薄膜淀积到基板上的主要方法）u工艺原理：在一个大约10Pa压力的局部真空里通过某种惰性气体放电建立导电的等离子体，基板和靶材置于等离子体中，基板接地，而靶材具有很低的DC或AC电位，低电位把等离子 体中的气体离子吸引到靶材 上，具有足够动能的这些离 子与靶材碰撞，撞击出具有 足够残余动能的微粒，使其 运动到基板上并粘附。第第51页页/共共61页页2022-4-352u膜
40、与基板粘接的机理：n在界面形成的一层氧化物层，所以底层必须是一种容易氧化的材料。u增强粘附力的方法：n靶材施加电位前用氩离子随机轰击基板表面去除几个原子层（预溅射），产生大量断开的氧键，促进氧化物界面的形成。u提高沉积速率的方法：n在关键的位置，通过使用磁场，可以使等离子体在靶材附近聚集，大大的加速碰撞溅射的几率。n在靶材施加功率较大的射频(RF)能。第第52页页/共共61页页2022-4-353（2）蒸发 u工艺原理：在相当高的真空(10-6torr)腔中，将待蒸发的材料置于基板的附近，并用电阻或电子束加热，直到材料的蒸气压大大地超过周围环境气压时，材料蒸发到周围环境并沉积在被加热的基板（通
41、常为300）上。u蒸发速率的影响因素： 蒸发速率正比于材料的蒸气 与周围环境气压的差值，并 与材料的温度紧密相关。为了得到可接受的蒸发速率，需要蒸气的压力为10-2torr常用材料在蒸汽压为10-2torr所处的温度见教材P68表3.4第第53页页/共共61页页2022-4-354u保证高真空环境的原因：n1）可以降低产生可接受蒸发速率所需的蒸气压力，因此，降低了蒸发材料所需的温度。n2）可以通过减少蒸发室内气体分子引起的散射，增加所蒸发的颗粒平均自由程。而且，颗粒能够更多以直线的形式运动，改善了淀积的均匀性。n3）可以去除气氛中容易与被蒸发的膜发生反应的污染物和组分，如氧和氮。u基板与蒸发源
42、的距离控制：应在淀积均匀性与淀积速率之间权衡。如果与基板过近（或过远），那么淀积越厚（或越薄），淀积均匀性越差（或越好）。第第54页页/共共61页页2022-4-355u蒸发可得到较快的淀积速率，但与溅射相比存在某些缺点。 n1）合金中各成分的蒸汽压不同，造成蒸发膜中的成分控制困难。n2）蒸发仅局限于熔点较低的金属。n3）氮化物和氧化物的反应淀积极难以控制。（3）电镀 u工艺原理：把基板和阳极悬挂在含有待镀物质的导电溶液里，在两者之间施加电位实现金属膜的沉积。u电镀速率的影响因素：电位、溶液浓度u电镀的应用：n可以把大多数金属镀在导电的表面上。n溅射+电镀可减少靶材用量，且沉积速度快。n选择性
43、电镀可进一步节约成本。第第55页页/共共61页页2022-4-356（1）薄膜电阻u薄膜电阻材料的选择原则：电阻薄膜必须提供与基板粘接的能力，这就限制了只能选择可以形成氧化物的材料。u薄膜电阻的特点：薄膜电阻具有比厚膜电阻更好的稳定性、噪声和TCR特性。u常用的电阻材料n镍铬耐热合金（NiCr）：尽管NiCr具有优良的稳定性和TCR特性，如果不用溅射的石英或蒸发的一氧化硅（SiO）的钝化，它对潮湿引起的腐蚀非常敏感。n氮化钽（TaN）：TaN可以通过直接把膜在空气中烘烤几分钟就可以钝化，这个特点已经使TaN代替NiCr合金，但TRC稍差，除非在真空中退火几个小时以消除晶界的影响。n二氧化铬（C
44、rO2）：二硅化铬的方阻较高(1000/)，克服了之前材料方阻较低的局限。二硅化铬的稳定性和TCR与TaN相当。 第第56页页/共共61页页2022-4-357（2）阻挡材料uNiCr合金(电阻)+阻挡层+金(导体)体系：nCr具有能通过金而扩散表面的倾向，既影响引线键合，也影响芯片的共晶键合。n在NiCr上淀积薄薄一层纯镍(Ni)，不仅能阻挡Cr的扩散，还可以显著改善表面的可焊性。 uTaN(电阻)+阻挡层+金(导体)体系：n金与TaN的粘接能力很差n可以在金与TaN之间加入薄薄一层90Ti/10W，从而提供必须的粘接性第第57页页/共共61页页2022-4-358（3）导体材料u金：由于很
45、容易引线键合和芯片键合以及耐变色和耐腐蚀能力很好，因此在薄膜混合电路生产中金是最常用的导体材料。但金与陶瓷基板不能形成粘接所必须的氧化物，需要一个或几个中间层来提供粘接。u铜和铝：可以直接与陶瓷基板粘接，在某些用途里也常常使用。（4）薄膜基板材料 u材料种类：玻璃、低温陶瓷、高纯(99.5)氧化铝(蓝宝石)u基板的表面要求：（光洁）n高平坦：CLA大约在34m薄膜厚度若远小于表面起伏，则电阻的稳定性就会变差。n高洁净：导体在有污点的地方会比较薄，将导致引线键合和芯片粘接的失效。第第58页页/共共61页页2022-4-359p 尽管与厚膜相比，薄膜工艺提供了更好的线条清晰度、更细的线宽以及更好的
46、电阻性能，但是下列因素制约了它不如厚膜那样被广泛应用。 u由于相关的劳动增加，薄膜工艺要比厚膜工艺成本更高，只有在单块基板上制造大量的薄膜电路时，价格才有竞争力。 u多层结构的制造极为困难，尽管可以使用多次的淀积和刻蚀工艺，但这是一种成本很高、劳动密集的工艺，因而限制在很少的用途里。 u在大多数情况下，设计者受限于单一的方块电阻率。这需要大的面积去制造高阻值和低阻值的两种电阻。 常用的做法是在厚膜基板的性能或空间有局限的地方制作薄膜电路。第第59页页/共共61页页2022-4-360薄膜 厚膜 52400nm 240024000nm（1mil） 间接（减法）工艺蒸发、光刻 直接工艺丝网印刷，烘
47、干和烧结 与危险化学品、刻蚀剂、显影剂、镀液排放和处置相关的问题 无需使用化学刻蚀或镀液 与从刻蚀液中回收贵金属的问题 无需回收贵金属 多层制备困难；一般只是单层；MCM电路使用聚酰亚胺作为介质材料的多层 低成本的多层工艺 只限于低方块电阻率材料NiCr和TaN，100/ 通过使用几种不同方块电阻率（从1/20M/）的浆料能够获得宽范围的电阻值 电阻对化学腐蚀敏感 能够承受苛刻环境和高温的稳定电阻 低TCR电阻，（050）10-6/ TCR（50300）10-6/ 线条分辨力率达到1mil（25m）；对于溅射刻蚀有可能达到0.1mil（2.5m） 线条率为5mil（125m）10mil（250m） 高成本单批工艺 低成本的工艺，连续的，传送带式的 初始设备投资高（大于200万美元） 初始设备投资低（少于50万美元） 更精细的线条清晰度，更适于RF信号 对RF应用，线条清晰度不好 引线键合性较好；均质材料；镀液杂质能够影响引线键合 引线键合受浆料中杂质的影响；导体是非均质的 表3.5 厚膜与薄膜工艺的比较第第60页页/共共61页页2022-4-361p 厚膜技术的工艺流程主要由哪三个部分组成？并简要说明各自工艺质量控制中需要注意的关键问题。p 简要说明薄膜技术中干法刻蚀的工艺过程，并说明与湿法刻蚀相比而体现出的优点。第第61页页/共共61页页
