电子封装材料之功能陶瓷_下篇.doc

电子封装材料之功能陶瓷_下篇.txt同志们：别炒股，风险太大了，还是做豆腐最安全！做硬了是豆腐干，做稀了是豆腐脑，做薄了是豆腐皮，做没了是豆浆，放臭了是臭豆腐！稳赚不亏呀！ 本文由jidushan_34贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 薄膜材料 导体薄膜材料 材料的种类及性质 导体薄膜的主要用途 形成电路图形，为半导体元件、半导体芯片、电阻、电 容等电路搭载部件提供电极及相互引线，以及金属化等 为保证金属半导体间连接为欧姆接触，要求： 金属与半导体的结合部位不形成势垒 对于型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小 对于型半导体，与上述相反 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，电 子直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等 2、薄膜材料 导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料 2、薄膜材料 导体薄膜材料 材料的种类及性质 实际情形 随半导体的表面处理，在导体和半导体表面往往会存在 薄的氧化膜，但电子通过隧道效应可穿过此膜层，因此并 不存在很大的问题 依表面处理条件不同，半导体的表面状态会发生变化， 相应金属及半导体的功函数也会发生变化 功函数还与表面能级、晶体取向等相关，必须注意其值 的变化 2、薄膜材料 导体薄膜材料 材料的种类及性质 其他布线及电极用的导体材料，还应具有下述特性： 电导率要高 对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接 热导率高、机械强度高，对于碱金属离子及湿度等的电 化学反应要尽量小 高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象 附着力大，成膜及形成图形容易 可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻 可进行丝、丝引线键合及焊接等加工 2、薄膜材料 导体薄膜材料 材料的种类及性质 实际情形 单一种导体不可能满足上述所有要求 构成电子电路往往需要多种导体膜的组合 2、薄膜材料 导体薄膜材料 而且 相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是多种导体膜积 层化，以达到上述各种要求 多层金属组合的实例 2、薄膜材料 导体薄膜材料 多层组合薄膜说明 导体的表面方阻均在以下 进一步降低电阻，需要在膜上再电镀 所列的材料组合之外，在半导体的电极凸点及梁式引线部分，还 采用，等 组合，以及，等金属硅化物作导体。 可满足上述条件中的大部分 单独使用时与基板及等膜层的附着力太低 往往在最底层采用，等附着性好的膜层 最上层采用容易热压附着或容易焊接的及等 但两种金属薄膜相互结合时，往往在比块体材料更低的温度下就产生 明显扩散，生成化合物。 2、薄膜材料 导体薄膜材料 特点 基常用导体材料 与作为保护膜的间的附着力大 对于型及型都可以形成欧姆接触 可进行引线键合 电气特性及物理特性等也比较合适 价格便宜 作为用的导体普遍采用 但 随环境、气氛温度上升，与发生相互作用，生成金属 间化合物，致使接触电阻增加，进而发生接触不良 当中通过高密度电流时，向正极方向会发生的迁移， 即所谓电迁移 在以上，会浸入下部的介电体中 在元件中难以使用 尽管的电阻率低，与不相上下，但由于与水蒸气及氧 等发生反应，其电阻值会慢慢升高。 Al与Au会形成化合物 Al端子与Au线系统在300下放置23，或者使气氛温度升高 到大约，其间的相互作用会迅速发生，致使键合部位的 电阻升高 此时，上、下层直接接触，Au、Al之间形成脆、弱AuAl2、AuxAl 等反应扩散层。造成键合不良 采用AuAu组合或AlAl组合。在Au、Al层间设置Pd、Pt等中 间层，可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构 存在电迁移 Al导体中流过电流密度超过106A/cm2 或多或少地发生电迁移现象 气氛温度上升，电迁移加速，短时间内即可引起断线 Al导体膜在大约300长时间放置，会发生“竹节化”，即出 现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分 进一步在500以上放置，Al会浸入到下层的SiO2中，引起 Si基板上的IC短路 因此，使用Al布线的器件，必须兼顾到附着力、临界电 压、氧化膜的稳定性、价格等各种因素，对材料进行选择。 连接与布线的形成及注意点 Si IC中的Al布线可由CrAu代替。 Cr Au与玻璃间具有良好的附着性，型、 型均能形成欧姆结合 CrAu成膜有两种方法 其一是将基板加热到，依次真 空蒸镀Cr和Au 其二是采用溅射法沉积 CrAu系中Cr膜的膜厚及电阻率如表 所列 连接与布线的形成及注意点 CrAu系可能引起劣化的机制 Cr向Au中的扩散，由此会引起电阻增加 MoAu系 比CrAu系在更高些的温度下更为稳定 其成膜通常采用真空蒸镀法 将基板加热到，先蒸镀约的，接着蒸 镀的，而后将基板温度降至以下，再蒸 镀约的。最后，将基板温度降至以下， 取出 在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定 连接与布线的形成及注意点 薄膜导体中应用广泛 制备工艺 先蒸镀.的合金膜，再蒸镀.的 这种膜层在200400的干燥气氛中放置，电阻 值有明显增加。 上蒸镀膜的系统 在会形成金属间化合物 - ，在.的膜上蒸镀.的 老化，未发现生成化合物 有少量固溶于中，300附近，膜层阻值急剧增加 连接与布线的形成及注意点 以为底层的系 对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力 在不太高的温度下即形成化合物，使 膜的特性变差，由此造成电阻值增加 往往需在与之间加入阻挡层。 系 即形成与的化合物，使膜层阻值 增加 导体膜的劣化及可靠性 成膜后造成膜异常的主要原因 一是由于严重的热失配，存在过剩应力状态，膜层从通常的 基板或者、膜表面剥离，造成电路断线 二是由于物质的扩散迁移引起，其中包括电迁移、热扩散、 克根达耳效应、反应扩散等。 造成物质扩散迁移的外因有 高电流密度 高温度 大的温度梯度 接触电阻等， 特别是几个因素联合作用时，效果更明显 导体膜的劣化及可靠性 造成物质扩散迁移的内因 有构成物质的体系 晶粒度 内部缺陷 内因、外因之间随时都在发生作用 系 电流密度高，造成膜内晶粒不断长大，即自发热效应与热处 理具有同样的效果 通常情况下，导体温度上升会加速组元之间的相互扩散，形 成反应扩散产物，造成机械强度下降及电阻升高等，反过来 又造成温度升高，恶性循环，急速造成破坏 导体膜的劣化及可靠性 如超过的高电流密度是造成导体劣化的主 要机制之一 该机制是：导体中大量较高能量的传导电子对原子的动量传递 作用，使其向阳极方向迁移 当原子从导体中的某一位置离开时，会在该位置留下空位 空位浓度取决于某一场所空位流入量加上产生量与流出量之 差。若此差值为正，则造成空位积蓄，空位积蓄意味着导体的 劣化。 克根达耳效应 由于扩散组元之间自扩散系数不同引起的 自扩散系数大的组元的扩散通量大，自扩散系数小的组元的 扩散通量小 随扩散进行，若导体宏观收缩不完全，则原来自扩散系数大 的组元含量高的场所，将有净空位积累，从而引起导体劣化 导体膜的劣化及可靠性 物质迁移容易沿晶界进行物质的迁移与其微观结构关系很 密切 温度不是很高，晶界扩散系数比体扩散系数大得多。膜层中 大量存在有晶界，晶界中离子的活动性与各个晶粒的晶体学 取向有关，特别是当许多晶粒的晶体学取向不一致时，易于 离子迁移 晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而异，因此离 子的迁移率在各处都不相同，离子沿晶界的传输量因位置不 同而异 当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时，由于界面处 也发生离子的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的积蓄等 导体膜的劣化及可靠性 劣化模式是上述各种机制的组合 平均故障时间与微观的结构因子数相关，特别是导体的 长度与宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等 影响很大 为了增加，在条件允许的情况下应尽量采取如下措施： 减小导体长度 增加导体膜的宽度与厚度 减小的标准偏差 增加膜层的平均粒度等。 实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，钝化层及封装的 缺陷也常常是造成劣化的原因 此外还要特别注意异常状态及环境变化等。 薄膜电感 薄膜电感具有很多优点，但是也存在一些使用方面的限制 制作技术 将低电阻导体膜形成螺圈状，中间用绝缘层交插绝缘，并引出 接线端子即形成薄膜电感 薄膜电感的电感量很小 几何条件所限，仅为，用途受到限制 采用铁氧体基板，使导体螺旋成膜 电感量可达，提高一个数量级 要达到更大电感量，元件所占面积太大，不现实 在铁氧体磁芯上绕线的小型电感的电感量 可达，多作为外设的片式元件用于电路 2、薄膜材料 电阻薄膜材料 薄膜电阻用原材料 电阻率范围： 作成方阻值为的薄膜方电阻 以下的低方阻值电阻需求不多 获得高方阻值薄膜电阻方法 增加电阻膜长度 减少电阻膜厚度 电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数 要求其电气性能稳定 薄膜电阻制造方法 真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法 2、薄膜材料 电阻薄膜材料 制作方法对薄膜电气特性影响： 薄膜厚度：薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成 减小、电阻率升高 但非常薄的膜为不连续的岛状结构，由此可能造成负的。这种 膜容易发生凝聚或氧化，除少数几种物质外，特性不稳定 膜层过厚时内部畸变大，特性也不稳定。 若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体，由于引起 电子散射，使变小，长期稳定性变差。 组分：在金属绝缘体、金属陶瓷等多相系中，因组分比易发生 偏离，膜的均匀性不好，由于过剩成分的氧化，稳定性差。 单相与复合系：单相薄膜具有正TCR和较低的电阻。但组成复合 系，例如等，由于各成分的相抵消，使变 小，阻值升高 其他：基板表面沾污、凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材 质、成膜速率等都会造成特性的分散，并影响稳定性等 电阻薄膜材料 代表性的薄膜电阻材料，分为 单一成分金属 合金 金属陶瓷三大类 陶瓷薄膜电阻 陶瓷电阻薄膜 金属陶瓷和膜陶瓷电阻薄膜 自混合集成开发的初期就开始使用 金属陶瓷电阻膜 金属和陶瓷的混合膜，其中有CrSiO，CrMgF2， AuSiO等系统 CrSiO特性稳定，在不同的SiO含量（2590） 下，可以获得电阻率为4.310-33.110-4的电阻膜 陶瓷电阻薄膜 电阻膜 晶体结构、电阻率、与分压的关系 分压增加， 次序变化 在含有的区域，膜层的电阻率大，接近零，而 且特性偏差小，阻值的经时变化小。因此，处于该区域的材料 适于制作电阻膜 调节膜电阻率一般采用阳极氧化法，在其表面形成绝 缘体。 膜具有良好的热稳定性和耐热冲击性能。例如，在熔 凝石英基板上沉积膜，在之间进行 热循环试验，其寿命在循环以上 分压增加， 次序变 化 陶瓷电阻薄膜 其他材料体系陶瓷薄膜电阻材料 （，） （，） （，） （，） 一部分已在精密薄膜电阻和传真机用热写头的发热体中采用 2、薄膜材料 介质薄膜材料 使用材料性质 电学特性 电气绝缘、介电性 压电性、热释电性、铁电性 光学特性 机械特性 应用领域 电子元器件、光学器件、机械元器件 应用实例： 显示元件、红外传感器、弹性表面波（SAW）元件、薄膜 电容器、不易失性存储器 2、薄膜材料 介质薄膜材料 DRAM（动态随机存储器）用介质薄膜材料 蓄积电荷用的电容器膜 最初采用SiO2膜（r3.8） 后，在维持等效介电常数的前提下，为提高其可靠性，采用Si3N4 （ r 7）与SiO2复合的等效三明治膜层结构 SiO2膜 制备方法 在Si基板及多晶硅膜、Si3N4膜表面氧化形成 由硅烷及四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4为原料，通过热CVD、等 离子体CVD形成 Si3N4膜制备方法 热CVD法、等离子体CVD。 SiO2及Si3N4SiO2复合膜中SiO2的等效膜厚已薄到5nm，达到 最薄极限。 2、薄膜材料 介质薄膜材料 Ta2O5(r 28)，Y2O5( r 16)，HfO2(r 24)等氧化物介质薄膜 材料 相对介电常数是SiO2的47倍，受到广泛注意 采用Ta2O5时漏电流较大，实际静电容量受到影响。 SrTiO3，(Ba,Sr)TiO3，PZT Pb(Ti,Zr)O3， PLZT (Pb,La)(Ti,Zr)O3 等钙钛矿型氧化物材料 具有顺电相或铁电相，介电常数都很高 这些膜层在IC制作、电子封装中有重要应用 IC制作中，由于这些材料介电常数很高 可用于制作存储器用的电容器膜 GaAs基板上MM(单片微波)IC用的旁路电容器膜，已达实用化 电子封装领域，这些高介电常数的膜层