电子封装PPT课件

1、1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 薄膜和厚膜 电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展，源于 与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及信息处理能力的急速提高 系统的大规模、大容量及大型化 要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化 晶体管普及之前 真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料，电子管插在管座上由导管连接，当时并无膜可言 20世纪60年代，出现薄膜制备技术 在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜，用以形成小型元器件及电路等 进入晶体管时代 从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路，膜技术便成为整套工艺中的核心与关键。第1页/共85页1、电子封装工

2、程中至关重要的膜材料及膜技术 薄膜和厚膜 与三维块体材料比较：一般地，膜厚度很小，可看作二维 膜又有薄膜和厚膜之分 经典分类： 厚膜 制作方法分类： 块体材料制作的（如经轧制、锤打、碾压等）厚膜 膜的构成物一层层堆积而成薄膜。 膜的存在形态分类： 只能成形于基体之上的薄膜（包覆膜） 沉积膜基体表面由膜物质沉积析出形成 化合形成膜通过对基体表面进行化学处理形成，在物理沉积过程中伴随有表面参与的化学反应第2页/共85页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 薄膜、厚膜区分通常无实际意义 针对具体膜层形成方法 膜层材料 界面结构 结晶状态 晶体学取向 微观组织 各种性能和功能 进行研究更有用 电

3、子封装工程涉及膜层：膜厚数百微米 按膜层的形成方法： 真空法(干式)和溶液法(湿式)沉积得到的膜层薄膜，为数微米 浆料印刷法形成的膜层厚膜，前者膜厚多，厚200微米第3页/共85页薄膜的真空沉积法优点 可以得到各种材料的膜层 镀料气化方式很多（如电子束蒸发、溅射、气体源等），控制气氛还可以进行反应沉积 通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择，可以对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制，还可制取多层膜、复合膜及特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁，故便于通过光刻制取电路图形 可以较方便地采用光、等离子体等激发手段，在一般的工艺条件下，即可获得在高温、高压、高能量密度下才能获得的物质 真空薄

4、膜沉积涉及从气态到固态的超急冷（过程，因此可以获得特异成分、组织及晶体结构的物质 由于在工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验，很便于在电子封装工程中推广第4页/共85页厚膜的丝网印刷法有优点 通过丝网印刷，可直接形成电路图形 膜层较厚，经烧结收缩变得致密，电阻率低，容易实现很低的电路电阻 导体层、电阻层、绝缘层、介电质层及其他功能层都可以印刷成膜 容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基板 设备简单，投资少第5页/共85页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜及膜电路的功能 电气连接 印制线路板（）的发明，使电路以膜的形式与基板作成一体，元器件搭载在基板上并与导体端子相连接，

5、这对于整个系统的小型化、高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都有重大贡献 三维立体布线方式的多层板、陶瓷多层共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现，对于提高封装密度起着十分关键的作用第6页/共85页元件搭载 芯片装载在封装基板 无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘 元器件搭载在基板上 特别是封装体实装在基板上，无论采用、等哪种方式，都离不开导体端子 焊盘，端子都是膜电路的一部分。 在许多情况下，引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式是决定封装类型及封装密度的关键因素 批量生产来说，最小端子节距的界限为.，若低于此，则操作难度太大，成品率太低第7页/共85页元件搭载 想提高封装密度

6、，需要由四侧引出端子的方式转变为平面阵列布置端子的方式 这样，端子节距提高（.，.）的同时，反而降低了实装密度 对来说，端子节距由.降为.，实装面积可减小到（.）.第8页/共85页特殊功能 泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能 涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等以LCD（液晶显示器）中所采用的（薄膜三极管）玻璃复合基板为例玻璃基板分前基板和后基板两块前基板：形成偏光膜、滤色膜、ITO膜，后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等液晶夹于二者之间受TFT控制的非晶硅（aSi）图像传感器按阵列布置在后基板上，并由CraSi/ITO构成Cr肖特基二极管布置在ITO膜上与驱动器相连接

7、的布线导体要通过Cr/Al实现多层化，以降低布线电阻第9页/共85页表面改性 与在LSI元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化膜用于绝缘、保护类似 电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性 金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板 塑料表面电镀金属以增加耐磨性、降低接触电阻等，常用的方法有镀铑、镀金等第10页/共85页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术成膜方法 按干式和湿式对分类 干式： PVD（物理气相沉积）真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀 （化学气相沉积） 湿式： 电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法第11页/共85页第12页/共85页第13页/共85页第14页/共85页第15

8、页/共85页第16页/共85页第17页/共85页第18页/共85页第19页/共85页典型的成膜方法真空蒸镀及溅射法 真空蒸镀：是将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸气的原子或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法 主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成膜 不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。 溅射镀膜：是将放电气体导入真空，在辉光放电等离子体中产生的正离子加速轰击处于阴极的靶材，使溅射出的原子沉积在基板上的方法 从道理上讲，这种方法可以在任何基板上沉积任何物质的薄膜，但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及合金材料的成膜第20页/共85页典型的成膜方法法 泛指由气态原料通

9、过化学反应生成固体薄膜的沉积过程 该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散，气态化合物与基板表面的反应，气态化合物的分解，或者是气态化合物之间的反应等 这些反应的共同特点是，至少要有一种固态产物生成，并且以薄膜的形态沉积在基板表面上 化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体，多采用碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等 法成膜材料范围广泛，除碱金属、碱土金属之外，几乎所有材料均可以成膜，特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积第21页/共85页典型的成膜方法厚膜印刷法 是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂等均匀混合，调制成符合丝网

10、印刷要求的浆料，利用丝网印刷等工艺，在基板上印刷图形，经烧成，有机粘结剂挥发而成膜的方法 特点：工艺简单、设备投资少，在低价格的优势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜 特别是可直接印刷电路图形。第22页/共85页典型的成膜方法电镀和化学镀成膜 是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法 电镀 促进电场析出的还原能量由外部电源提供 化学镀 需添加还原剂，利用自分解而成膜 电镀或化学镀成膜的特点 可对大尺寸基板大批量成膜，与其他成膜方法相比，设备投资低 需要考虑环境保护问题第23页/共85页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术电路图形的形成方法 各种成膜方法形成的膜层，应用于电子

11、工业（如电子元器件制造、电子封装、平板显示器），都需要形成电路图形 形成方法包括： 有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷（丝网印刷）法、喷沙法第24页/共85页填平法 先将光刻胶涂敷（甩胶）或将光刻胶干膜贴附（贴膜）于基板表面，经光刻形成 “负”的电路图形，即没有电路的部分保留光刻胶 以此负图形为“模型”，在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层，即所谓“填平” 最后将残留的光刻胶剥离 缺点：采用印刷法填平时，导电胶膜中容易混入气泡第25页/共85页蚀刻法 化学蚀刻法： 印刷电路图形材料的浆料、烧成 涂布光刻胶、电路图形掩模曝光 化学蚀刻去除部分光刻胶 有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料 问题

12、 使用有机溶剂，废液处理比较困难 有时线条会出现残差（残留） 通常，不需要部位的电路图形材料应完全去除 实际上，电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成图形后，应该去除的部分往往不能完全去除掉，而是有一部分残留下来第26页/共85页第27页/共85页蚀刻法 薄膜光刻法： 用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板表面形成电路材料的薄膜 光刻制取电路图形 可以获得精细度很高的图形 所形成膜层的质量高 膜厚可精确控制 缺点： 设备投资大 工艺不容易掌握第28页/共85页掩模法 工艺过程 机械或光刻制作“正” 掩模 将掩模按需要电路图形位置定位 真空蒸镀等方法成膜 借助“正”的掩模，基板表面形成所需要的电路图形 优

13、点 工序少、电路图形精细度高 缺点 需要预先制作掩模 有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于掩模沉积第29页/共85页厚膜印刷法 工艺过程 通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料，形成与网版对应的图形 经烧成法形成电路图形 特点 浆料仅印刷在需要的部位，因此材料的利用率高 印刷机的价格较低，可降低设备总投资 缺点 线条精细度差 图形分辨率低 多次印刷难以保持图形的一致性第30页/共85页喷沙法 工艺过程： 在基板全表面由电路图形材料成膜 在表面形成光刻胶图形 经喷沙去除掉不需要的材料部分，保留光刻胶图形覆盖的部分 剥离光刻胶后得到所需要的电路图形 优点 采用光刻制版技术，能形成精细的电路图

14、形 缺点 喷沙过程中会产生灰尘第31页/共85页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜材料 下表列出与电子封装工程相关的各类膜材料，同时给出用途、性质及成膜方法等第32页/共85页第33页/共85页第34页/共85页第35页/共85页第36页/共85页第37页/共85页第38页/共85页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

15、 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第39页/共85页2、薄膜材料 导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料第40页/共85页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第41页/共85页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

16、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第42页/共85页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第43页/共85页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第44页/共85页2、薄膜材料导

17、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。第45页/共85页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

18、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，进而发生接触不良第46页/共85页 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

19、设置Pd、Pt等中间层，可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构第47页/共85页 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。第48页/共85页连接与布线的形成及注意点 Si IC中的Al布线可由CrAu代替。 CrAu与玻璃间具有良好的附着

20、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第49页/共85页第50页/共85页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第51页/共85页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，

21、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，膜层阻值急剧增加第52页/共85页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，使膜层阻值增加第53页/共85页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

22、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，效果更明显第54页/共85页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，急速造成破坏第55页/共85页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

23、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，从而引起导体劣化第56页/共85页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

24、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第57页/共85页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

25、 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。第58页/共85页薄膜电感 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第59页/共8

26、5页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、电镀等方法第60页/共85页第61页/共85页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

27、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，并影响稳定性等第62页/共85页电阻薄膜材料 代表性的薄膜电阻材料，分为 单一成分金属 合金 金属陶瓷三大类第63页/共85页第64页/共85页陶瓷薄膜电阻第65页/共85页第66页/共85页陶瓷电阻薄膜 金属陶瓷

28、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的电阻膜第67页/共85页陶瓷电阻薄膜 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，其寿命在循环以上第68页/共85页分压增加， 次序变化第69页/共85页陶瓷电阻薄膜 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第70页/共85页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