1、微电子封装技术董海青 李荣茂 第4章 厚膜/薄膜技术4.1 厚膜技术厚膜技术4.2 薄膜技术薄膜技术4.3 厚膜薄膜的比较厚膜薄膜的比较 厚膜（厚膜（Thick Film）技术与薄膜（）技术与薄膜（Thin Film）技术是电子封装中重要的工艺技术。厚膜技术使用丝技术是电子封装中重要的工艺技术。厚膜技术使用丝网印刷与烧结的方法，薄膜技术使用镀膜、光刻与刻网印刷与烧结的方法，薄膜技术使用镀膜、光刻与刻蚀等方法，它们均用于制作电阻、电容等无源元件。蚀等方法，它们均用于制作电阻、电容等无源元件。4.1 厚膜技术 厚膜混合电路是指用丝网印刷技术把导体浆料、电厚膜混合电路是指用丝网印刷技术把导体浆料、电
2、阻浆料和绝缘材料浆料转移到一个陶瓷基板上制造的电阻浆料和绝缘材料浆料转移到一个陶瓷基板上制造的电路。路。所有的厚膜浆料通常都有两个共性：适于丝网印所有的厚膜浆料通常都有两个共性：适于丝网印刷的具有非牛顿流变能力的黏性流体；有两种不同的刷的具有非牛顿流变能力的黏性流体；有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（黏着剂），提供合适的流变学性能，另一个是载体相（黏着剂），提供合适的流变能力。能力。4.1 厚膜技术 传统的金属陶瓷厚膜浆料主要有传统的金属陶瓷厚膜浆料主要有4种成分：（确定种成分：（确定膜的功能）、
3、粘贴成分（提供与基板的粘贴及使有效物膜的功能）、粘贴成分（提供与基板的粘贴及使有效物质颗粒保持悬浮状态的基体）、有机黏着剂（提供丝网质颗粒保持悬浮状态的基体）、有机黏着剂（提供丝网印刷的合适流动性）和溶剂或稀释剂（决定黏度）。印刷的合适流动性）和溶剂或稀释剂（决定黏度）。4.1 厚膜技术工艺流程工艺流程 生产厚膜电路的基本工艺流程是丝网印刷、厚膜材生产厚膜电路的基本工艺流程是丝网印刷、厚膜材料的干燥和烧结。料的干燥和烧结。丝网印刷工艺是将浆料涂布在基板上，干燥工艺的丝网印刷工艺是将浆料涂布在基板上，干燥工艺的作用是在烧结前从浆料中去除挥发性的溶剂，烧结工艺作用是在烧结前从浆料中去除挥发性的溶剂
4、，烧结工艺是使粘贴剂发挥作用将印刷图形粘贴在基板上。是使粘贴剂发挥作用将印刷图形粘贴在基板上。4.1 厚膜技术丝网印刷丝网印刷 丝网印刷厚膜浆料通过不锈钢网的网孔印刷涂布到丝网印刷厚膜浆料通过不锈钢网的网孔印刷涂布到基板上。将丝网固定在丝网印刷机上；基板放在丝基板上。将丝网固定在丝网印刷机上；基板放在丝网下面；将浆料涂布在丝网上面，通过刮板将浆料转网下面；将浆料涂布在丝网上面，通过刮板将浆料转移到基板上。移到基板上。丝网印刷丝网印刷有两种方法：接触工艺和非丝网印刷丝网印刷有两种方法：接触工艺和非接触工艺。接触工艺。4.1 厚膜技术 接触工艺过程中丝网与基板保持接触，然后通过降接触工艺过程中丝网
5、与基板保持接触，然后通过降下基板或提升丝网使两者迅速分开。在非接触工艺过程下基板或提升丝网使两者迅速分开。在非接触工艺过程中，丝网与基板分开一个很小的距离，用刮板施加力去中，丝网与基板分开一个很小的距离，用刮板施加力去刮丝网时，浆料留在基板上而丝网会很快恢复原状。刮丝网时，浆料留在基板上而丝网会很快恢复原状。4.1 厚膜技术厚膜浆料的干燥厚膜浆料的干燥 浆料的黏着剂主要有两种有机成分：可挥发组分和浆料的黏着剂主要有两种有机成分：可挥发组分和不可挥发组分。在印刷以后，厚膜材料是悬浮在粘稠的不可挥发组分。在印刷以后，厚膜材料是悬浮在粘稠的黏合剂中的一些离散的玻璃或金属的颗粒，并且具有黏黏合剂中的一
6、些离散的玻璃或金属的颗粒，并且具有黏性和易碎性。挥发的组分必须在烧结前就在低温下去除性和易碎性。挥发的组分必须在烧结前就在低温下去除，挥发的溶剂在温度超过，挥发的溶剂在温度超过100就会迅速蒸发，并可使就会迅速蒸发，并可使暴露在高温下的烧结膜产生严重孔洞。因此在印刷后，暴露在高温下的烧结膜产生严重孔洞。因此在印刷后，零件要在空气中零件要在空气中“流平流平”一段时间（通常一段时间（通常515min）。）。4.1 厚膜技术厚膜浆料的干燥厚膜浆料的干燥 流平后，零件要在流平后，零件要在70 150的温度范围内强制干燥的温度范围内强制干燥大约大约15min。在干燥中需要注意两点：气氛的纯洁度和。在干燥
7、中需要注意两点：气氛的纯洁度和干燥的速率。干燥必须在洁净室（干燥的速率。干燥必须在洁净室（100000级）进行级）进行干燥，防止灰尘和纤维屑落在烘干的膜上。干燥，防止灰尘和纤维屑落在烘干的膜上。干燥过程可以将浆料中的大部分挥发性物质去除。干燥过程可以将浆料中的大部分挥发性物质去除。由于每种浆料系统都有自己的溶剂、黏着剂和润湿剂，由于每种浆料系统都有自己的溶剂、黏着剂和润湿剂，浆料制造商都会为其材料推荐合适的干燥方案。浆料制造商都会为其材料推荐合适的干燥方案。4.1 厚膜技术厚膜浆料的烧结厚膜浆料的烧结 厚膜的烧结炉必须具备以下几点要求：清洁的烧厚膜的烧结炉必须具备以下几点要求：清洁的烧结环境；
8、一个均匀可控的温度工作曲线；均匀可控结环境；一个均匀可控的温度工作曲线；均匀可控的环境气氛。的环境气氛。为了提供清洁的环境和可控的气氛，所有的厚膜烧为了提供清洁的环境和可控的气氛，所有的厚膜烧结炉都设有密封炉管，可以使用金属炉管和石英炉管，结炉都设有密封炉管，可以使用金属炉管和石英炉管，只要设计合理，两者都能给出满意的结果。只要设计合理，两者都能给出满意的结果。4.1 厚膜技术厚膜浆料的组成厚膜浆料的组成 厚膜浆料由有效物质、粘贴成分、有机黏着剂、溶厚膜浆料由有效物质、粘贴成分、有机黏着剂、溶剂和稀释剂组成。有效物质直接决定了厚膜的作用与功剂和稀释剂组成。有效物质直接决定了厚膜的作用与功能，粘
9、贴成分与有机黏着剂用于改变厚膜浆料的流体特能，粘贴成分与有机黏着剂用于改变厚膜浆料的流体特性，溶剂为有效物质的载体。性，溶剂为有效物质的载体。4.1 厚膜技术厚膜材料厚膜材料 浆料中的有效物质决定了烧结膜的电性能，如果有浆料中的有效物质决定了烧结膜的电性能，如果有效物质是一种金属，则烧结膜是一种导体；如果有效物效物质是一种金属，则烧结膜是一种导体；如果有效物质是一种绝缘材料，则烧结膜是一种介电体。有效物质质是一种绝缘材料，则烧结膜是一种介电体。有效物质通常制成粉末形状，其颗粒尺寸为通常制成粉末形状，其颗粒尺寸为110m，平均颗粒，平均颗粒直径约直径约5m。厚膜材料主要包括：厚膜导体材料、厚膜电
10、阻材料厚膜材料主要包括：厚膜导体材料、厚膜电阻材料、厚膜介质材料、釉面材料和厚膜基板等。、厚膜介质材料、釉面材料和厚膜基板等。4.1 厚膜技术厚膜材料：厚膜导体材料厚膜材料：厚膜导体材料 厚膜导体材料实现以下各种功能：在电路节点之厚膜导体材料实现以下各种功能：在电路节点之间提供导电布线；提供元器件与膜布线及与更高一级间提供导电布线；提供元器件与膜布线及与更高一级组装的互连；必须提供连接区域以连接厚膜电阻；组装的互连；必须提供连接区域以连接厚膜电阻；必须提供多层电路导体层之间的连接。必须提供多层电路导体层之间的连接。4.1 厚膜技术厚膜材料：厚膜导体材料厚膜材料：厚膜导体材料（1）金导体）金导体
11、（2）银导体）银导体（3）铜导体）铜导体4.1 厚膜技术厚膜材料：厚膜电阻材料厚膜材料：厚膜电阻材料 把金属氧化物颗粒与玻璃颗粒混合，在足够的温度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，以使玻璃熔化并把氧化物颗粒烧结在时间进行烧结，以使玻璃熔化并把氧化物颗粒烧结在一起。一起。厚膜电阻对烧结气氛非常敏感，对使用空气烧结的厚膜电阻对烧结气氛非常敏感，对使用空气烧结的系统，关键是炉内的烧结区要具有很强的氧化气氛。在系统，关键是炉内的烧结区要具有很强的氧化气氛。在中性或还原性气氛中烧结温度下含有活性物质的金属氧中性或还原性气氛中烧结温度下含有活性物质的金属氧化物会还原成纯金属。化物
12、会还原成纯金属。4.1 厚膜技术厚膜材料：厚膜介质材料厚膜材料：厚膜介质材料 厚膜介质材料主要是以简单的交叠结构或复杂的多厚膜介质材料主要是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。可以在介质层留有小的开层结构用作导体间的绝缘体。可以在介质层留有小的开口区或通孔以便与相邻的导体层互连。口区或通孔以便与相邻的导体层互连。厚膜介质材料必须是结晶的或可再结晶的。在烧结厚膜介质材料必须是结晶的或可再结晶的。在烧结过程中，当它们处于液态时，混合在一起形成了一种熔过程中，当它们处于液态时，混合在一起形成了一种熔点比烧结温度更高的均匀组分，因此在以后的烧结中它点比烧结温度更高的均匀组分，因此在以后
13、的烧结中它们以固态形式存在。们以固态形式存在。4.1 厚膜技术厚膜材料：釉面材料厚膜材料：釉面材料 对电路提供机械保护，免于污染和水在导体之间的对电路提供机械保护，免于污染和水在导体之间的桥连，阻挡焊料散布，改善厚膜电阻调阻后的稳定性。桥连，阻挡焊料散布，改善厚膜电阻调阻后的稳定性。是可以在较低温度（通常在是可以在较低温度（通常在550附近）下烧结的非晶附近）下烧结的非晶玻璃。玻璃。4.1 厚膜技术厚膜材料：厚膜基板厚膜材料：厚膜基板 厚膜基板主要有陶瓷基板、金属基板和树脂基板。厚膜基板主要有陶瓷基板、金属基板和树脂基板。其中比较常用的是陶瓷基板。陶瓷基板主要包括以下几其中比较常用的是陶瓷基板
14、。陶瓷基板主要包括以下几种：氧化铝陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板、特种陶瓷基板种：氧化铝陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板、特种陶瓷基板、氮化铝基板和碳化硅陶瓷基板。、氮化铝基板和碳化硅陶瓷基板。4.2 薄膜技术薄膜技术薄膜技术 薄膜技术是一种减法，整个基板用几种金属化层淀薄膜技术是一种减法，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。积，再采用一系列的光刻工艺把不需要的材料刻蚀掉。与厚膜工艺相比，使用光刻工艺形成的图形具有更窄、与厚膜工艺相比，使用光刻工艺形成的图形具有更窄、边缘更清晰的线条。边缘更清晰的线条。典型的薄膜电路是由淀积在一个基板上的三种材料典型的薄膜电路是由淀积在一
15、个基板上的三种材料组成的。底层有两个功能：作为电阻材料使用；提组成的。底层有两个功能：作为电阻材料使用；提供了与基板的粘贴。供了与基板的粘贴。4.2 薄膜技术薄膜制备工艺薄膜制备工艺 薄膜可以通过真空淀积技术或通过电镀淀积技术制薄膜可以通过真空淀积技术或通过电镀淀积技术制成。成。1.溅射；溅射；2.蒸发；蒸发；3.电镀电镀 溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的
16、原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。而实现在衬底上薄膜的沉积。4.2 薄膜技术薄膜制备工艺薄膜制备工艺 蒸发是当材料蒸汽压超过周围压力时，材料就会蒸蒸发是当材料蒸汽压超过周围压力时，材料就会蒸发到周围环境里。在薄膜工艺中，待蒸发的材料被置于发到周围环境里。在薄膜工艺中，待蒸发的材料被置于基板的附近加热，直到材料的蒸汽压大大地超过周围环基板的附近加热，直到材料的蒸汽压大大地超过周围环境气压为止。境气压为止。电镀
17、是把基板和阳极悬挂在含有待镀物质的导电溶电镀是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的。电镀的速率是电位液里，在两者之间施加电位实现的。电镀的速率是电位和溶液浓度的函数，用这种方法可以把大多数金属镀在和溶液浓度的函数，用这种方法可以把大多数金属镀在导电体的表面。导电体的表面。4.2 薄膜技术薄膜制备工艺薄膜制备工艺 1.溅射溅射 2.蒸发蒸发4.2 薄膜技术薄膜材料薄膜材料 薄膜材料主要有薄膜电阻、导体材料、介质材料和薄膜材料主要有薄膜电阻、导体材料、介质材料和薄膜基板等。薄膜基板等。导体材料主要是用于形成电路图形，为电阻、电容导体材料主要是用于形成电路图形，为电阻
18、、电容、半导体元件、半导体芯片等电路搭载部件提供电极以、半导体元件、半导体芯片等电路搭载部件提供电极以及电学连接。及电学连接。电阻材料主要用于形成电路中的各种电阻或电阻网电阻材料主要用于形成电路中的各种电阻或电阻网路。最常用的电阻材料是镍铬耐热合金（路。最常用的电阻材料是镍铬耐热合金（NiCr）、氮化）、氮化钽（钽（TaN）和二氧化铬。）和二氧化铬。4.2 薄膜技术薄膜材料：薄膜材料：介质材料主要用于形成电容器膜和实现绝缘与表面介质材料主要用于形成电容器膜和实现绝缘与表面钝化的作用。当金用作导体材料时，金与电阻之间需要钝化的作用。当金用作导体材料时，金与电阻之间需要一层绝缘介质材料。在一层绝缘
19、介质材料。在NiCr上淀积一层薄薄的纯镍可以上淀积一层薄薄的纯镍可以减轻这个问题，同时，镍还可以显著改善表面的可焊性减轻这个问题，同时，镍还可以显著改善表面的可焊性。薄膜基板必须具有比厚膜基板更平整的表面，烧结薄膜基板必须具有比厚膜基板更平整的表面，烧结后的基板要由于抛光的基板，因为在抛光的过程中往往后的基板要由于抛光的基板，因为在抛光的过程中往往带来表面的不平整等问题。最好的薄膜基板是高纯氧化带来表面的不平整等问题。最好的薄膜基板是高纯氧化铝，即蓝宝石。铝，即蓝宝石。4.3 厚膜与薄膜技术 与厚膜相比，薄膜工艺提供更好的线条清晰度、更与厚膜相比，薄膜工艺提供更好的线条清晰度、更细的线宽和更好
20、的电阻性能，但存在制约因素。常用做细的线宽和更好的电阻性能，但存在制约因素。常用做法是在厚膜基板性能或空间有限的区域利用薄膜工艺制法是在厚膜基板性能或空间有限的区域利用薄膜工艺制作薄膜电路。作薄膜电路。4.3 厚膜与薄膜技术薄膜薄膜厚膜厚膜52400nm240024000nm间接工艺：淀积、光刻间接工艺：淀积、光刻直接工艺：丝网印刷、干燥和烧结与危险化学品、刻蚀剂等接触与危险化学品、刻蚀剂等接触无须使用化学刻蚀或镀液从刻蚀液中回收贵金属从刻蚀液中回收贵金属无需回收贵金属多层制备困难，一般是单层多层制备困难，一般是单层低成本的多层工艺只限于低方块电阻的材料只限于低方块电阻的材料使用几种不同方块电
21、阻率的材料电阻对化学腐蚀敏感电阻对化学腐蚀敏感能承受苛刻环境和高温的稳定电阻低低TCR电阻电阻高TCR电阻线条分辨率为线条分辨率为2.525m线条分辨率为125250m初始设备投资高初始设备投资高初始设备投资低更精细的线条清晰度，适合更精细的线条清晰度，适合RF应用应用线条清晰度不好，不适于RF应用引线键合性好，材质均匀引线键合性好，材质均匀引线键合受杂质影响，材质不均匀本章小结 本章主要讲述集成电路中的厚膜技术和薄膜技术。本章主要讲述集成电路中的厚膜技术和薄膜技术。厚膜技术部分主要讲述了厚膜技术制造的基本工艺厚膜技术部分主要讲述了厚膜技术制造的基本工艺流程、厚膜浆料的基本组成和常用的厚膜材料；流程、厚膜浆料的基本组成和常用的厚膜材料；薄膜技术部分主要讲述了厚膜的常用制备工艺技术薄膜技术部分主要讲述了厚膜的常用制备工艺技术和常用的厚膜材料；和常用的厚膜材料；最后对厚膜技术和薄膜技术进行了简单的比对，以最后对厚膜技术和薄膜技术进行了简单的比对，以了解厚膜技术和薄膜技术的优缺点及应用范围。了解厚膜技术和薄膜技术的优缺点及应用范围。
