02[1].导电材料

2 1金属导电材料 2 2电极和电刷材料 2 3厚膜导电材料 2 4薄膜导电材料 2 5复合导电材料 2 6导电聚合物 第二章导电材料 第二章导电材料 第6章Internet应用基础 2 1金属导电材料 2 1 1金属导电材料概论 1 导电材料的定义 导电材料是指电流容易通过的材料 常用作电极 电刷 电线等 2 导电材料的电气性质 1 电阻和电阻率 第6章Internet应用基础 2 1金属导电材料 2 电阻温度系数 当温度每升高1 时 导体电阻的增加值与原来电阻的比值 叫做电阻温度系数 它的单位是1代 其计算公式为式中RT1 温度为T1时的电阻值 RT2 温度为T2时的电阻值 一般金属导体的电阻随温度升高而增大 表格2 1 1 P57 列出了导体金属电阻温度系数 第6章Internet应用基础 2 1金属导电材料 3 导电材料的标准 1 标准软铜的电阻温度系数在20 C时为1 254 5 0 00393 C 1 在T1 C 的电阻温度系数用表示 2 电导率和百分电导率 3 国际标准软铜 第6章Internet应用基础 2 1金属导电材料 4 影响导体电阻值的因素 杂质 缺陷温度应力是影响导体电阻的主要原因 一般纯金属的电导率比其合金的高 合金的电导率由于合金组成不同而各异 5 导电材料应具备的性质 纯金属的物理性质列如表2 1 1 P57 其中作为金属导电材料 用得最多的是铜 其次是铝 铁等 作为导电材料应具备的条件是电导率大 易连接 较大的抗拉强度 易弯曲 容易加工成型 耐腐蚀 产量大 价格低等 但是 由于纯金属的抗拉强度都比较低 所以在对抗拉强度要求高的场合 应采用热处理的金属或合金 第6章Internet应用基础 2 1 2铜 铜是仅次于银的优良导电导热体 常温下铜的导电率为银的94 导热率为银的73 2 1 铜的主要物理性质密度 20 8 96 g cm3熔点1083 4 沸点2560 熔化热13 02kJ mol汽化热304 8kJ mol热导率 0 100 397W m K 电阻率 20 1 694 cm电阻温度系数4300 10 6 铜的晶体结构为面心立方体 晶体常数为0 3617nm 第6章Internet应用基础 2 1 2铜 2 铜的主要制备方法 1 电解法制得 电解铜 电解铜 将粗铜 含铜99 预先制成厚板作为阳极 纯铜制成薄片作阴极 以硫酸 H2SO4 和硫酸铜 CuSO4 的混和液作为电解液 通电后 铜从阳极溶解成铜离子 Cu 向阴极移动 到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜 亦称电解铜 用作导电材料的铜由电解法制得 电解铜 其纯度在99 90 以上 一般为99 97 99 98 含有极少量的Au Ag Ce Pb Sb等杂质 第6章Internet应用基础 2 1 2铜 电解铜 电解铜铸造后加工退火成为成品 在常温下压延或拉伸处理后质地较硬 根据其加工程度可分为半硬铜或硬铜 将其在450 500 C退火即为软铜 一般未处理的铜比软铜的抗拉强度和硬度大 电导率和延伸率小 祥见表格2 1 2 P58 第6章Internet应用基础 2 1 2铜 2 粉末冶金法 粉末冶金制品是以金属粉末如 铁粉 铜粉 不锈钢粉等 包括混入有非金属粉末 为原料 用成形烧结法生产而成的 传统的工艺流程为 混料 压制 烧结 整形 后处理 即首先将配制的高纯度的混合粉装于模具中 于一定压力下压制成形 然后将压坯在可控气氛炉中 在低于基体材料熔点的温度下进行烧结 使粉末颗粒之间形成冶金结合 采用该方法生产的铜合金既具有高导电性 高导热性能 又具有高强度 良好的断后伸长率等加工性能 第6章Internet应用基础 2 1 2铜 第6章Internet应用基础 2 1 3铜合金 在熔化状态时金属可以相互溶解或相互混合 形成合金 金属与某些非金属也可以形成合金 故合金可认为是将金属特性的多种元素的混合物 合金比纯金属具有许多更优良的性能 铜合金具有比纯铜更好的机械性能 其电导率比纯铜低 在纯铜中加入少量其他金属成为固溶体 它是合金组成物态固态下彼此相互溶解而形成的晶体 称为固溶体 也可能有部分固溶 而其余部分以机械混合物形成分散物 第6章Internet应用基础 2 1 3铜合金 1 铜 镉合金线 镉降低铜电导率的比率仅大于银 而且可增加其抗拉强度 但镉有毒 因此这种合金一般镉含量为w Cd 1 2 1 4 电导率为 纯铜的 85 90 且抗拉强度比较大 耐腐蚀性好 耐磨性高 因此 在电话用的电线 输电线 无轨电车和大直径架空线等领域有着广泛的应用 第6章Internet应用基础 2 1 3铜合金 2 铜 锡合金线 由于锡的加入铜的电导率大大降低 而抗拉强度大幅度增高 Cu Sn合金又称青铜 Sn较贵 目前已大量用Al Si Mn等来代替Sn而得到一系列青铜合金 磷青铜线含有10 以下的锡和极微量的磷 这种合金有很好的铸造性 以及很高的耐腐蚀性 在海水 稀硫酸 氢氧化钠溶液 很稀的碳酸钠溶液中化学稳定性很强 用来铸造轴承 泵壳 阀门 齿轮等 第6章Internet应用基础 2 1 3铜合金 3 铜 镍 硅合金线 1928年 MichaelCorson 1申请了铜 硅化合物合金的专利 此后 这种合金被称作Corson青铜合金 这种合金 有优异的耐蚀性和高的电阻 故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料 第6章Internet应用基础 2 1 3铜合金 4 铜 铍合金线 铜铍是一种析出硬化型合金 是机械性能 物理性能 化学性能及抗蚀性能良好结合的唯一有色合金 经固溶和时效热处理后 具有与特殊钢相当的高强度极限 弹性极限 屈服极限和疲劳极限 同时还具有很高的导电率 导热率 高硬度和耐磨性 高的曲变抗力及耐蚀性能 还具有良好的铸造性能 非磁性和冲击时无火花等性能 因此 广泛应用于模具制造 电子电路 通讯仪器 航空 石油化工 冶金矿山 汽车家电 机械制造等 其缺点是铍的价格高 因而常代之以Ag Cr等添加物 5 其他的铜合金线 第6章Internet应用基础 2 1 4铝 铝是具有仅次于铜的电导率的金属 近年来由于铜产量的不足而作为铜的代用品被广泛应用 纯度为99 99 的金属铝的主要物理性质是 密度 20 2 7g cm3熔点660 1 沸点2520 熔化热10 47kJ mol汽化热291 4 估算值 kJ mol热导率 O 100 238W m K 电阻率 20 2 67 cm电阻温度系数4200 10 6 铝的晶体结构为面心立方体 晶格常数为0 0413 第6章Internet应用基础 2 1 4铝 铝的电阻系数虽比铜大 但它的密度小 资源丰富 价格便宜 采用铝作导线可以减轻重量 降低成本 目前架空线路导线 电缆芯线 照明线 汇流排等已广泛采用铝导线 铝的物理性质根据其纯度的不同而相差较大 一般纯度越高电导率和电阻温度系数越高 抗拉强度和硬度越小 耐腐蚀性越强 作为导电材料用的铝线一般为硬引线 第6章Internet应用基础 2 1 5铝合金 为了解决纯铝抗拉强度低的缺点 加入硅 铜 镁等金属后 再经过热处理获得铝合金 其中 以加入硅 w Si 0 5 0 6 镁 w Mg 4 0 铁 w Fe 0 3 的铝合金性能最优秀 称为Aldrey合金 这种合金被广泛用于输电线 电话线等 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 2 2 1电容器电极材料 电极是电容器的重要组成部分 它在电容器中起着形成电场 聚集电荷的作用 电极的形式随着电容器的结构不同而有变化 但作用是相同的 电极材料的要求 高导电性 体积电阻率要小 具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性 不易氧化 并且对介质材料的催化 老化作用要小 应具有良好的机械性能 密度要小 热导率大 易于焊接 具有适当的熔点和沸点 材料来源广泛 价格便宜 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 1铝材 铝的电导率在金属中仅次于金 银和铜 是一种良好的导电材料 由于铝的面心立方晶格结构而富于延展性 具有优良的加工性 其机械强度良好 比重又小 因此 在电子元器件中 广泛用作电极和引线材料 1 铝箔 根据电容器的类型 铝箔分为电容器用铝箔和电解电容器铝箔 电容器铝箔用作有机介质电容器电极 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 铝箔特性要求 2 铝箔中的主要杂质为铁 铜和硅 其他杂质很少 在杂质中以铁的影响最大 铁的存在和含量多少 对铝氧化膜的质量有重大影响 3 晶粒大小是影响金属机械性能的重要因素 对于电解电容器铝箔而言 晶粒大小还影响极板面积的有效扩大倍数 1 铝箔纯度要达到99 5 以上 表面要求光滑洁净 不应有划痕 腐蚀痕迹 分层和夹杂 厚度要均匀 箔卷展开时不应有粘结和撕裂等 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 2 铝丝 在铝电解电容器中 与阳极箔连接线是铝丝 其纯度与高纯铝箔相同 而且要求尺寸公差小 表面光洁度高 机械性能好 在有机介质电容器中 为了缩小体积 用它做金属化层电极 高纯铝丝适用于铝金属化层作蒸发材料 铝金属化膜具有以下特点 铝金属化膜在大气中虽易氧化 但氧化后生成一层极薄的氧化铝 成为天然保护层 防止继续氧化 铝膜的导电性十分优良 对潮湿气氛不敏感 自愈后电性能不会下降 铝的沸点高 临界温度高 易于沉积 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 2金属化用锌和锡 金属化电容器用的电极蒸发材料 从试验得知 铜 银 镉 锌 铝 锡都可以采用 但由于镉 银等价格较贵 铜易氧化 所以在电容器制造中 作为金属化的材料广泛采用的只有锌 锡 铝 1 锌 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 2 锡 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 2 2 2引出线 电子元件的引出线与印制电路板联接 形成整机的功能部件 整机的可靠性在很大程度上取决于引线的可靠性 在选用电子元件引出线时应具体考虑以下情况 1 引出线对电子元件本身的影响 2 引出线对电子元件密封性影响 3 是否适应电子元件生产工艺 4 引出线是否适应整机的工作环境 5 引出线是否适应整机的高密度群焊技术 其电子元件能否长期储存 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 2 2 3电刷与弹性材料 在电位器中 电刷是沿电阻体滑动的导电构件 也称接点或接触刷 电刷与弹性材料和电阻体之间的匹配要求较高 具体要求有两类 1 电刷与弹性材料应具有良好的物理性能 化学稳定性和优良的机械性能 应具有良好的导电性 导热性 无磁性 2 电刷与电阻体要有良好的匹配 接触电阻要小 磨损要小 第6章Internet应用基础 2 2电极和电刷材料 电刷多用重有色金属合金和贵金属合金制造 也有用非金属 如碳黑 石墨 制造弹性元件 如接触簧片 簧片 集流片 一般也是用重有色金属合金或含少量贵金属的重有色金属合金 在要求较高的航空 航天用电位器中 用贵金属合金较多 电刷和弹性材料 非金属 碳黑 石墨 有色金属合金 贵金属合金 复合材料 青铜 锡青铜 铍青铜 硅青铜 白铜 锡白铜 锌白铜 锰白铜 黄铜 低镍铝弹性黄铜等 镍合金 铂 铂银等 银 钯银 银铜 银镍锡 金银镍铜等 第6章Internet应用基础 2 3厚膜导电材料 在厚膜混合集成电路中 厚膜导电材料的作用是固定分立的有源器件和无源元件 作为元件之间的互连线及作为厚膜电容的上下电极及外引线的焊区等 厚膜导电材料浆料是厚膜工艺中使用的一种浆料 现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料 它们在空气中烧结 所用的贵金属主要为金 银 金以及银 铂 钯的二元或三元合金 这些厚膜导电材料的电导性能很好 并且铂 金导体具有非常好的抗焊料溶解性 第6章Internet应用基础 2 3 1厚膜导电材料的特性 厚膜导电材料应具有很低的电阻率 容易进行焊接 焊点有良好的机电完整性 与基片的粘附牢固等特点 影响厚膜导电材料性能的主要因素是功能相 导电体 和粘结剂 玻璃 的优劣 基片的化学性质和表面平整度对导体膜的粘附 常称为键合 影响也很大 厚膜导电材料用的导电相材料 要求有良好的导电性 第6章Internet应用基础 2 3 1厚膜导电材料的特性 厚膜导电材料特性 1 厚膜导电材料可焊性是指用锡铅焊料的焊接效果 大多数厚膜导电材料如银 钯 银 铂 银等都是可焊导体 厚膜金导体可用特制的铅铟焊料焊接 但它溶解于锡铅焊料 所以金导体被列为不可焊导体 但是纯银导体对锡铅焊料的抗焊熔性能不好 而纯铂导体抗焊熔性能很好 2 厚膜导电材料可以用热压 超声等焊接工艺与外引线连接 其中热压焊是将引线焊接于导体的可靠技术之一 3 厚膜导电材料的另一重要性能是导体膜与基片的结合强度 键合强度 导体膜与基片的键合主要有三种类型 玻璃键合 氧化物键合 玻璃 氧化物的混合型键合 第6章Internet应用基础 2 3 1厚膜导电材料的特性 从图中看出 玻璃键合结构包括金属密集的上层和玻璃密集的下层 玻璃占总体积的20 30 玻璃突起峰可穿透金属层而在表面露出 因而玻璃键合导体膜表面有疵点 氧化物键合结构图表明 键合物质集中而且含量很少 一般在5 以下 金属层密集有利于导电 第6章Internet应用基础 2 3 1厚膜导电材料的特性 由该表看出 自上而下合金中银含量增高 但其性能却可以与很多含昂贵金属的配方相比 因此含银导体被大量用在各种微电子电路中 厚膜导电材料作为厚膜电阻端接和厚膜电容电极 需要与电阻膜和介质膜相互重叠 若重叠部分的机械和化学性质使得电阻或电容性能变劣 则说明导体与电阻膜或介质膜不相容 第6章Internet应用基础 2 3 2厚膜导电材料用贵金属原材料 1 银 用于厚膜导电材料的银是粉末状银 其制法大致有 以甲醛 甲酸 杭坏血酸 葡萄糖 对苯二酚等作还原剂 以硝酸银 AgNO3 为原料制备银粉 上述银液的浓度控制在l0g L 用硝酸调整其酸度 PH为l 然后加比理论值多 10 20 的浓度为10 的还原性溶液进行还原 分散剂可用乙二酸或聚乙烯酸 还原的银粉经洗涤 烘干 即可使用 2 钯 厚膜导电材料用粉末状的钯 其制法大致有 1 甲酸制备钯粉 2 抗坏血酸 氯亚钯酸制备钯粉 3 甲醛 氯亚钯酸制备钯粉 第6章Internet应用基础 2 3 2厚膜导电材料用贵金属原材料 3 金 厚膜导电材料所用的是超细微粒金粉 市场有售 可用氯化金 氯金酸 溶液加碱溶液成黄棕色的沉淀物Au OH 然后还原 即可得到这种金粉 4 铂 厚膜导电材料所用铂是粉末状的 铂黑 或经低温灼烧的海绵铂 铂黑 能与沸硫酸作用 海绵铂易溶解在王水中 形成小H2PtCl6 以抗坏血酸 新生态的氢 锌 镁 铁与硫酸作用 肼 羟胺 甲酸或中酸钠 甘汞 氯化亚铬 三氯化钛等作还原剂 可将H2PtCl6还原成铂粉 经过滤 洗涤 烘干即可使用 第6章Internet应用基础 2 3 3厚膜导电材料用的有机载体 应是化学惰性物质 能形成悬浮体 有适度的流变性 有适度的挥发性 粘结性能好 其他特性 有机载体 有时称为有机粘合剂 的功能是把金属粉和作粘合用的玻璃粉及其他固体粉末混合分散成膏状浆料 以便用丝网印刷方法将其印刷在陶瓷基片上 根据使用情况 对有机载体有以下要求 第6章Internet应用基础 2 3 3厚膜导电材料用的有机载体 载体 溶剂 挥发成分 用量占载体质量80 以上 是比较稠的有机液体 能够提供极性基团 其特点是能能溶解纤维素之类的增稠剂 增稠剂 非挥发成分又叫凝聚剂 作用是提高浆料的粘稠性 流动性控制剂浆料在烧结前膜层呈凝结状态 烧结初期膜层中载体受热软化 熔融 产生二次流动 造成烧结后膜层出现裂缝 为此 在浆料中加人流动性控制剂以控制二次流动 即加入一些添加剂使载体在熔融前不断升华而增加粘稠性 表面活性剂表面活性剂用来降低载体与固体粉粒界面的表面张力 使有机载体能充分润湿固体粉粒的表面 有机载体的制备将增塑剂 溶剂混合并在水浴锅中加热 使增塑剂完全溶解 然后将预先溶解好的流动性控制剂 稀释剂等加热搅拌均匀即得有机载体 第6章Internet应用基础 2 3 4贵金属厚膜导电材料 贵金属厚膜导电材料包括金 钯 金 铂 钯 金 钯 银 铂 金等 应用较为广泛的是钯 银 金 铂 金等 贵金属厚膜导电材料的特点是有很好的导电性 工艺简单 可在空气中烧成 工艺敏感性差 重复性好 导电膜性能稳定 第6章Internet应用基础 2 3 4贵金属厚膜导电材料 贵金属厚膜导电材料 1 钯一银导体特点是印刷覆盖率和老化后的粘结性能好 钯 金导体特点是无银迁移 抗焊溶性能好 引线的可焊性好 可压焊金丝 老化后的粘结性能较好 并与多种电阻材料相容 3 铂 金导体特点是膜层致密 附着力强 可采用非活性焊剂进行焊接 抗焊溶性能好 丝网印刷性能好并与多数电阻 介质材料相容 第6章Internet应用基础 2 3 5溅金属厚膜导电材料 贱金属厚膜导电材料是一种新型导体 常见的有厚膜铜导体 镍导体和铝导体等 这些贱金属导体浆料有的可以在空气中烧成 有些则必须在中性 N2 Ar 或还原性 N2 H2 气氛中烧成 贱金属导体有许多优点 如电阻低 可焊性和抗焊溶性好 无离子迁移等 其缺点是对工艺要求很高 老化性能不如贵金属好 第6章Internet应用基础 2 3 5溅金属厚膜导电材料 1 铜导体 厚膜铜导体的特性如下 1 导电性 厚膜铜导体的方阻值 般为2mn左右 2 粘结强度 3 焊接性能厚膜铜导体可采用锡铅焊料 但铜表面氧化物会影响焊接 第6章Internet应用基础 2 3 5溅金属厚膜导电材料 2 其他贱金属导体其他贱金属厚膜导电材料有铝 硼导体 镍 硼导体和镍 硼 硅导体等 在这些贱金属导体浆料中 都有硼或硅 在空气中烧结时 硼 硅先被氧化 它们包封了金属粉 保护金属不被氧化 所以这些导体浆料可在空气中烧成 第6章Internet应用基础 2 4薄膜导电材料 在集成电路中 薄膜导体在电路内部元器件的互连线 薄膜电阻的端头电极 薄膜电容的电极 薄膜电感线圈 微带线 外贴元器件的焊区 外引线焊区等起着重要作用 对薄膜导电材料的主要要求是 导电性好 附着性好 化学稳定性高 可焊性和耐焊接性好 成本低 薄膜导电材料的电阻率高于同种的块状材料 这是由于薄膜的厚度较薄所产生的表面散射效应 以及薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所成的结果 连续金属薄膜的电阻率为声子 杂质 缺陷 晶界和表面对电子散射所产生的电阻率之和 第6章Internet应用基础 2 4薄膜导电材料 薄膜导电材料分为两类单元素薄膜和多层薄膜 前者系指用单一金属形成的薄膜导电材料 其主要材料是铝膜 后者系指不同的金属膜构成的薄膜导电材料 有二元系统 如铬金 三元系统 如钛 钯一金 四元系统 如钛铜 镍一金 等 薄膜混合集成电路中 应用最为广泛的薄膜导电材料是多层薄膜 这是因为多层薄膜能较好地满足对薄膜导电材料的要求 多层薄膜导电材料的结构一般包括底层和顶层两部分 底层也称为粘附层 主要起粘附作用 使顶层导体膜能牢固地附着在基片上 顶层主要起导电和焊接作用 第6章Internet应用基础 2 4 1铝薄膜 铝在l220 的蒸气压为1 333Pa 铝的导电性良好 是一种较活泼的金属 其表面易形成一层氧化物 通常 采用真空蒸发制作铝膜 铝膜的性能和结构与真空蒸发工艺密切相关 提高基片温度 增加膜层厚度 均会使铝膜晶粒增大 增大晶粒可减小晶界面积 减少电迁移短路通道数 这有利于增强铝膜的抗电迁移能力 延长薄膜的平均寿命 但晶粒尺寸不可太大 否则影响铝膜细线条图形的光刻质量 第6章Internet应用基础 2 4 1铝薄膜 铝薄膜用作电容器的电极 电阻器的端头 电感器螺旋导电带 多层布线 其主要优点是导电性好 IOOnm厚度时 方阻为0 33 成膜工艺简单 无需用别的金属 打底 与硅铝丝 金丝的可焊性好 成本低 由于它表面易氧化 有利于提高多层布线的层间绝缘性 所以 目前在薄膜多层布线中 应用较多的薄膜导电材料还是铝膜 铝膜的缺点是 抗电迁移能力较弱 与金形成脆性的金属间化合物 造成焊点脱开 影响元件和电路的可靠性 铝膜表面的氧化层给锡焊带来困难 第6章Internet应用基础 2 4 2铬 金薄膜和镍铬 金薄膜 这是目前用得最多的多层薄膜 主要用作电阻的端头 互连线 微带线 单层薄膜电感器 薄膜电容上电极和焊区 铬是一种过渡金属 密度为7 2g cm3 熔点为1857 沸点为2672 气化温度为I267 电阻率为19 0 cm 电阻温度系数5880 10 6 1400 下的蒸气压为1 333Pa 晶体结构为体心立方体 晶格常数为0 2879nm 金是贵金属 密度为19 32g cm3 熔点为1064 沸点为2807 气化温度为1252 线胀系数为14 10 6 电阻率为2 4 cm 电阻温度系数为39OO 10 6 1400 下的蒸气压为1 333Pa 晶体结构为六方体 晶格常数为0 4070nm 金的导电性好 化学稳定性高 不易氧化 抗电迁移能力比铝强 第6章Internet应用基础 2 4 2铬 金薄膜和镍铬 金薄膜 在Cr Au和NiCr Au多层膜中 Cr和NiCr膜主要起粘附作用 Au膜主要起导电和焊接作用 在高温下 Cr Au两层薄膜间的互扩散现象严重 Cr通过Au的晶界扩散 在Au晶界下面的Cr膜中出现 空洞 而且空洞会逐渐扩展成沟道 使Cr膜呈现 岛 状 Cr的扩散一直会延伸到Au表面 形成Cr2O3 使薄膜电阻率增大 影响Au膜的可焊性 电镀性以及薄膜图形的刻蚀质量 甚至影响膜层的附着性 可靠性和稳定性 当温度超过350 时 薄膜电阻率的增长速度很快 甚至可达到初始值10倍 Au膜越薄 其阻值增长率越大 第6章Internet应用基础 2 4 2铬 金薄膜和镍铬 金薄膜 NiCr Au膜与Cr Au膜相比 其优点是膜层间的互扩散小些 第6章Internet应用基础 2 4 3钛 金薄膜 钛的密度为4 5g cm3 熔点为1660 沸点为3287 气化温度为1577 线胀系数为8 6 10 6 电阻率为55 cm 电阻温度系数为3500 10 6 1750 下的蒸气压为1 333Pa 常温时 钛为六方晶体 在885 时 转变为体心立方晶体 晶格常数a 0 295nm c 0 46838nm 钛易与其他金属生成置换型合金 通常采用真空蒸发或溅射制备钛膜 原材料为高纯 99 99 以上 钛丝或钛板 钛层主要起粘附层的作用 对于玻璃和陶瓷基片的附着力与铬大致相同 钛层的典型厚度为50nm 金层厚度为1000nm 第6章Internet应用基础 2 4 3钛 金薄膜 Ti Au膜的抗蚀性好 其耐潮性优于NiCr Au膜 这可能是由于钛形成一层更好的氧化物保护膜 使电化学效应对膜层性能的影响程度比NiCr小 Ti Au膜在高湿环境下 阻值的变化示于右图 在Ti Au多层膜中 Ti和Au之间会产生互扩散 当温度在350 以上时 这种现象较严重 阻值大幅增加 而在350 以下 膜层的性能比较稳定 在250 350 的温度范围内 膜的阻值略有增大 Ti Au膜在15O 和250 老化1000h 阻值增加到初始值的5 以内 老化还使附着力下降 电阻噪声增大 第6章Internet应用基础 2 4 4钛 钯 金薄膜和钛 铂 金薄膜 钯的密度为12 02g cm3 熔点为1552 沸点为3140 气化温度为1317 电阻率为10 8 cm 电阻温度系数为3770 10 6 1460 下的蒸气压为1 333Pa 铂的熔点为1772 沸点为3827 密度为21 46g cm3 热膨胀系数为8 88 10 6 电阻率为10 5 cm 电阻温度系数为3920 10 6 铂的晶体结构为面心立方体 晶格常数0 3924nm 第6章Internet应用基础 2 4 4钛 钯 金薄膜和钛 铂 金薄膜 这种薄膜导电材料在150 250 下老化1OOOh 其附着性都无明显变化 由于Ti Pd Au膜的性能好 所以钽膜电路多用这种薄膜导电材料 但在高频电路中 Ti Pd Au的损耗比Cr Au膜大 如18GHz时 前者比后者大20 左右 故不宜用于高频 第6章Internet应用基础 2 4 5镍铬 钯 铂 金薄膜 NiCr Pd Pt Au薄膜的性能与Ti Pd 或Pt 金薄膜大体类似 在NiCr和Au膜之间引入Pd 或Pt 层的目的也与上述相同 有利于减小接触电阻 改善薄膜的热老化性能 第6章Internet应用基础 2 4 6镍铬 铜 钯 铂 金薄膜 在NiCr Pd Pt Au多层膜中加入铜膜的目的是为减少Pd Pt 和Au的用量 以降低复合膜的成本 铜膜主要起导电作用 NiCr Cu Pd Au膜主要用于锡焊 其导电性能 起始噪声与NiCr Pd Pt Au膜相近 约为 20dB 右图示出了不同温度下 NiCr Cu Pd Au膜的阻值变化 它表示了这种薄膜导电材料的热老化特性 在150 进行老化 薄膜性能变化不大 但25O 下的老化特性却比Ti Pd Au差 第6章Internet应用基础 2 4 7钛 铜 镍 金薄膜和铬 铜 镍 金薄膜 采用这种系统 可降低元件和电路成本 提高锡焊性 其中镍的作用与Pd Pt相同 除作为Cu与Au膜间的扩散阻挡层外 还起防腐蚀的作用 Ti Cu Ni Au薄膜可采用真空蒸发和电镀法制备 也可采用溅射法 其各种原材料的纯度均为99 99 以上 Ti Cu Ni Au薄膜简称TCNA薄膜 第6章Internet应用基础 2 4 7钛 铜 镍 金薄膜和铬 铜 镍 金薄膜 在相等厚度下 TCNA薄膜的阻值低于TiPd Au膜阻值 而且成本低 此外 TCNA薄膜的高频损耗也比TiPd Au膜小 Ni层在TCNA薄膜中经150 老化1OOOh后 Cu向Au中的扩散仅占Au厚度的l 5 在250 老化5h后 仅有很微量的Cu扩散 当Ni层厚度增加到1um时 Cu的扩散极少 这说明它能有效的阻止Cu向Au膜中扩散 第6章Internet应用基础 2 4 8铁铬铝 铜 金薄膜 铁铬铝 FeCrAl 是一种电阻温度系数小 稳定性好的电阻合金 真空蒸发所用的FeCrAl合金丝的化学成分u Fe 69 5 u Cr 25 u Al 5 5 直径为0 52nm 采用真空蒸发制作FcCrAl Cu膜 然后镀Au FeCrAl Cu Au薄膜具有附着性和耐焊性好 稳定性高 成本较低等特点 适宜作微带线 薄膊电阻器端头 内互连线硬焊区 第6章Internet应用基础 2 4 9透明导电薄膜 根据导电膜的情况透明导电薄膜可分成金属型 半导体型和多层膜复合型三种 在像聚酯那样的耐热性高分子材料上蒸镀金 钯 网状铝等金属膜 其表面导电性好 而透明度差 而涂覆氧化铟 碘化铜等化合物半导体膜的透明度好 表面导电性差 采用金属制成的多层膜则有透明度和导电性较好的优点 但价格较贵 所以在实际使用中要根据具体要求选择合适的材料 透明导电膜主要用于透明电极 仪器仪表的防静电及电磁屏蔽窗口 防霜玻璃以及电子记录材料等领域 目前多数固体显示器件的透明电极已采用这种导电膜 仪器仪表的透明防静电窗也已实用 作为电子照相记录的材料 薄膜液晶显示器及防霜玻璃等 有的在研究 有的进入实用 将来的发展方向是作光存储器 光电变换器等有关器件的介质 第6章Internet应用基础 2 4 10薄膜导电材科在半导体集成电路中的应用 2l世圮的集成电路将冲破来自工艺技术和物理因素等方面的限制继续以高速度向着高频 高速 高集成度 低功耗和低成本等方面迈进 对集成电路的薄膜电极系统 互联技术及硅化物等进行了广泛的研究 1 电极系统 器件电极系统由三个部分组成 金属化层 引线键合 芯片与座底的欧姆接触 第6章Internet应用基础 2 4 10薄膜导电材科在半导体集成电路中的应用 理想的金属化系统应该具备下列特点 电导率高 电阻率小于10 cm 与SiO2或其他淀积介质薄膜粘附性好 能够与半导体材料形成低阻的欧姆接触 便于淀积和光刻 化学性能稳定 在淀积过程中不会引起半导体表面的不稳定性 金属与金属 金属与半导体之间产生使器件性能退化的金属间化合物 抗电迁移能力强 抗电化学腐蚀能力强 适合集成电路中多层布线技术的要求 有良好的可焊性 第6章Internet应用基础 2 4 10薄膜导电材科在半导体集成电路中的应用 2 多层化电极的组成 以金属为基础的多层化系统 抗电迁移能力和化学腐蚀能力较强 是目前研究和应用较多的电极系统 按其作用和功能大体可分为四层 欧姆接触层 粘附层 过渡层 导电层 第6章Internet应用基础 2 4 10薄膜导电材科在半导体集成电路中的应用 3 铜互连技术 器件和互连线的尺寸和间距不断缩小 互连线的电阻和电容急剧增加 引起电信号传输的延迟 研究导电性能好 抗电迁移能力强的金属一直是一个重要的课题 Cu互连的优点为电阻率较Al低40 在保持同样的RC时间延迟下 可以减少金属布线的层散 面且芯片面积可缩小20 30 其性能和可靠性均获得提高 Cu互连的缺点是 Cu原于在Si和SiO2中扩散快将引入深能级受主引起Vt漂移和结漏电 需要引入适当的阻挡层 由于Cu不能产生易挥发的物质 所以用一般的等离子腐蚀不容易制备图形 在空气中容易氧化 而且不能形成自保护层来阻止进一步氧化和腐蚀 这些都需要在工艺制作中加以解决 当前多数公司准备将多层互连的最上面一层采用铜布线 以处理较大的电流通路 而其余仍延用铝布线 另外光互连技术的研究开发工作也一直没有停止 预计不久的将来会出现全新的互连技术 第6章Internet应用基础 2 4 10薄膜导电材科在半导体集成电路中的应用 4 集成电路栅极薄膜用硅化物 随着集成电路集成度的提高 对其栅极和可连线材料的耐热性要求也在不断提高 传统的多晶硅及铝材料己不能满足要求 难熔金属W Mo虽具有良好的导电性和高熔点 但它们不抗氧化 致使集成电路的制备温度受到限制 于是 难熔金属硅化物因具有低的电阻率和高的稳定性而受到重视 另外 值得一提的是 V3Si等A15型硅化物是重要的超导材料 其超导临界转变温度Tc约为17K 因而备受人们关注 第6章Internet应用基础 2 4 11薄膜导电材科的发展 两个方面发展 1 高温薄膜导电材料 高温薄膜导电材料主要有钛钨金 TiW Au 复合薄膜 2 贱金属薄膜导电材料贱金属薄膜导电材料主要有Ni膜 NiCr Ni膜和Cu膜 第6章Internet应用基础 2 5复合导电材科 复合导电材料是由不导电的聚合物与导电体 半导体 有机络合物和有机电解质等复合制成的 其导电填料 母料及制备工艺对材料的性能影响都很大 导电填料有金属和非金属两类 非金属类主要有碳黑 碳纤 高分子导体 金属类有金属粒子 覆银玻璃珠以及铝箔等使用铝粒子作导电填料除价格较贵外 尚有比重大 分散性不好的缺点 为此研究了涂银的玻璃串珠或空心玻璃小球作为导电填料 这样虽填料的导电性不如银粒子 但可以降低成本 减小比重 增加分散性 所以会有广泛的应用前景 第6章Internet应用基础 2 5复合导电材科 为了改进塑料的导电和导热性能 就要增加导电填料 但如果过分增加球形填料 又会使材料的其他性能变坏 因此希望使用具有高纵横比的填料 目前已经研制生产了高强度石墨纤维和快速固化的铝片状粉末 这种材料加入塑料后 如果取向性好 不仅能增加它的导电性和导热性 而且能够改善材料的弯曲强度和抗拉强度等物理性能 制成新型的复合导电材料 复合材料的应用相当广泛 可以用来代替金属 制作防静电 能屏蔽电磁场的机壳 可作为电阻发热体 用于各种加热 保温装置 甚至用作保温墙壁 或房顶 跑道融雪器 作为电阻器 电位器的阻体 作为导电粘合剂用于集成电路 发光二极管以及大规模集成电路芯片粘连 第6章Internet应用基础 2 5 1加压导电薄片 加压导电薄片属于复合材料的一种 只是在选择母料时使用了橡胶一类弹性较大的物质 加压导电薄片可用于感压 力 变电 信号 传感器和有感压力功能开关 实际用途有 报警用脚踏检知传感器 用触感改变音量的电子乐器传感器 机电用触觉传感器 机械手用传感器 自动门用踏板开关 游泳池触板和室内衬板用计数器开关 键盘开关 微型开关 按钮开关 防爆和报警用开关 第6章Internet应用基础 2 5 1加压导电薄片 各向异性导电片有将金属粒子分散 或埋置碳纤 金属细线于硅系橡胶中后切片制成的 这些材料各有优点 而金属细线埋置型具有阻值最低而流过的电流大的优点 还有一种采用导电硅橡胶和绝缘的硅橡胶相互交替重叠的各向异性导电材料 各向异性导电片主要用于电于元器件与印制电路基板或电路基板间的中间电极 第6章Internet应用基础 2 5 2有机导电纤维 导电纤维有碳纤 金属细线 或碳分散型纤维 或在塑料纤维表面蒸发金属 电镀处理的导电纤维 以前的有机导电纤维不能染色外观上限制了它的应用 新近发展了 些能够染色的新型导电纤堆 它是在制线过程中使聚酯纤维白线金属化 这样金属集中在它外侧 到中心部分愈来愈少 导电物质就不易剥落 有半永久性的效果 若采取长短纤维结合 可以充分保持聚酯纤维出色的特性 因此 它是种很有发展前途的导电纤维材料 导电纤维主要用来作防静电 防尘 防静电火花的混纺织物 用来制作集成电路或其他要求很高的精密设备生产人员的衣帽 第6章Internet应用基础 2 6导电聚合物 2 6 1导电高分子材料概述 1 导电聚合物的发现与发展 人们日常见到的人工合成有机聚合物都是不导电的绝缘体 自1977年 黑格 AlanJ Hegger 麦克迪尔米德 AlanG MacDiarmid 和白川英树等人发现了具有高电导率 103S cm以上 的掺杂聚乙炔这一高分子材料以来 导电有机高分子材料的研究便成了国际交叉边缘学科十分活跃的领域之一 2000年诺贝尔化学奖授予了因对导电聚合物的发现和发展而做出贡献的黑格 AlanJ Hegger 麦克迪尔米德 AlanG MacDiarmid 和白川英树 HidekiShirakawa 三位科学家 这足以印证导电聚合物研究领域的巨大魅力 第6章Internet应用基础 2 6导电聚合物 2 导电聚合物的定义和分类 导电高分子材料也称导电聚合物 具有明显聚合物特征 如果在材料两端加上一定电压 则在材抖中应有电流流过 即具有导体的性质 同时具备上述两个性质的