混合微电路技术：第三章 厚膜工艺

1、第三章 厚膜工艺掌握厚膜的制造工艺过程；掌握浆料各组分的作用及特性；了解非贵金属及聚合物厚膜的工艺特性；1. 厚膜工艺古代希腊人和埃及人曾用绢丝来制造符号、图样和艺术品近20年，成为电子工业的主要生产方法生产厚膜电路的三个关键步骤：丝网印刷干燥烧成1.1 丝网印刷基本概念： 将粘性的浆料在漏印丝网上用力推动使其通过网孔将图形沉积到基片上。丝网网线用不锈钢抗拉伸、耐磨用滚筒碾压丝网厚度一致性好，降低厚度丝网的目数：每英寸长的丝网布中的开口孔数决定导线之间的间隔和孔尺寸决定导体和电阻尺寸和公差掩膜感光胶涂敷在丝网上，形成图形金属箔用环氧粘接到丝网上，形成图形金属箔与丝网熔合，镍箔图形化并刻蚀厚膜浆

2、料流体高于重力的屈服点浆料具有触变性：可变的流动性，粘度随着压力降低而增加使用正原图使用负原图产生厚膜丝网图案的选择1.2干燥通过适当地加热从丝印的浆料中去掉有机溶剂新印完浆料在空气中晾干流平通过120150 带式炉完全干燥，使有机溶剂挥发干净510min,1h几小时1020min(1)(2)1.3 烧成干燥之后基片被送入有几个温区的带式炉里烧结烧成曲线烧成曲线各温度区间作用1)、A区(200500 )暂时性有机聚合剂氧化分解，未去掉的形成碳化沉淀 ，陷在浆料中，改变最后产品电性能和物理性能需有效空气流2)、B区(500700 )永久性的结合剂(玻璃)融化，湿润基片和功能材料颗粒的表面，与基片

3、中融化的玻璃成分熔合3)、C区(700850 )功能颗粒被烧结，与玻璃料一起固定在基片上850 峰值保温10分钟，迅速冷却到略高于室温峰值温度比浆料中金属成分融化温度低100 1.4 多层厚膜工艺厚膜多层基片制造步骤工艺流程图1.5多层共烧陶瓷带工艺基片和全部介质层处于未烧状态(生坯带)低温共烧850900 空气中，玻璃含量高高温共烧1600 惰性或还原气氛1）氧化物、玻璃、有机结合剂、溶剂、增塑剂球磨混合2）流延并干燥成橡皮状薄片3）冲成Z方向通孔及切成所要尺寸4）丝网印刷厚膜导体浆料对准叠合，层压，共烧LTCCHTCC1.6高温共烧陶瓷(HTCC)1、烧陶瓷需要高温使用钨、钼、钼-锰或其它

4、难熔金属导体浆料2、使用氢气保护3、面电阻率高4、顶层镀镍接着镀金，增加电性能及装配可靠性多层共烧带工艺流程共烧带工艺特点1、优点：导体层的多层互连固定资产不算，规模生产的封装和基片成本低2、缺点丝网印刷的电阻器和其它无源元件含有氧化物，在还原气氛下反应，使性能变差，不能并入高温共烧HTCC瓷带玻璃含量相对较高，热导率降低难熔金属降低内层导线的导电性外层导体必须镀镍镀金增加表面电导率并提供足够的金属化层厚膜工艺与高温共烧带工艺的比较1.7 低温共烧陶瓷(LTCC)较低温度，空气环境允许使用金和银等高电导率的浆料无源元件如电阻器、电容器和电感器能够与陶瓷带共烧1、而HTCC要求的氢还原气氛是元件

5、中的氧化物还原(方程1)，X=BaTiO3, Fe3O4, RuO23、氮气氛中烧成也会因为粘接剂降解形成的CO (方程3，4)2、未烧的瓷带含有的碳化物有机结合剂加剧还原(方程2)，将互连基片、封装和引线一体化的设计方法，扁薄的封装。产生复杂形状或三维电子电路和封装缺点玻璃含量高(50%或更大)，热导率非常低。设计散热金属孔或者通过插金属销子来改进由于玻璃含量高，导致结构强度低烧成时瓷带收缩（12%，且收缩变），能被精确测量，控制和补偿LTCC超过HTCC的优点LTCC超过厚膜工艺的优点2. 直接描入2.1、程序控制的将浆料加力通过细的喷嘴流出，由计算机控制有选择性的流出图形2.2、优点不用

6、丝网掩膜为制造原型电路和小量到中等量的电路提供快速的周转不需要表面平整，因为直描时浆料顺从性好，且适应表面形貌很快完成设计反复，拿出新样品描出不同阻值电阻，同一步骤干燥烧成2.3、缺点：初始设备成本高，大批量生产速度慢，因此适合早期阶段的样品生产、测试和重复制作2.4、细线厚膜工艺细目不锈钢丝丝网(400目)金属有机分解工艺(MOD)MOD溶液施加到基片上干燥去溶剂580850 下烧成光刻、曝光、显影和刻蚀杜邦开发的扩散图形法工艺杜邦开发的扩散图形法工艺使用有机金属分解和电镀图形制作细线电路3.各种浆料3.1 类型和比较以电性能来分类，分为：导体、电阻和介质浆料包含：功能材料溶剂：暂时性结合剂

7、：永久性结合剂导体：金属电阻：金属氧化物、金属和玻璃组合介质： 一种或多种金属氧化物和玻璃各种沸点有机溶剂，分散固体成分，调节粘度中等分子量有机聚合物，提供流动性，烧成初氧化分解去掉玻璃，熔接功能材料颗粒，并把他们结合到基片上3.2 导体浆料在信号线中导通电流，在导体层之间、在元器件和电路线之间形成电通路高电导率金属，多为金、银、铂、钯或其组合成本低的铜、镍高电导率、低成本、附着力高，细线分辨率高3.2.1、导体浆料的附着机理有玻璃料的浆料玻璃成分与基片中玻璃成分机械连接难得到均匀的膜，妨碍线焊锡焊无玻璃料的浆料纯化学机理，尖晶石结构需高温烧成尖晶石混合型浆料既有玻璃料又有尖晶石形成温度850

8、 Cu+Al2O4=CuO Al2O31000 CuO + Al2O3铝酸铬尖晶石3.2.2、厚膜导体的附着力实验拉力附着力印烧在基片上的小方形或圆形的焊盘，焊上铜塞子，再焊金属线，拉力方向拉金属丝剥皮附着力3.2.3、金属迁移主要发生在银或渗银的合金中发生金属迁移的条件：直流或交流电势，小到1V或2V介质表面或介质内部有某种离子沾污湿气形成薄液层银测定厚膜导体的金属迁移水滴试验迁移测试图3.2.4导体浆料的种类金电阻率低，具有优异的热压键合能力金导体与基片附着力差，还会向钎料中熔解基片多次烧结，金浆料的性能降低，可焊性下降成本价格起伏不定Au-Sn 以及Au-Al形成金属间化合物银焊接性能好

9、，与基片的附着力高，可以与电阻共烧直流电场下，电迁移看溶蚀能力和抗氧化能力不如钯-银导体高频下良导体，应用较为成功二元合金系统铂-金广泛用于厚膜电路，良好的锡焊性能，良好的线键合特性铂存在降低导电性，更昂贵，在氧化铝上的附着力与金浆料类似钯-金基本特性与铂-金一样好，成本低氧化铝和氧化铍基片附着力优秀钯增加缅甸组，但改善了焊接性能和线键合性能钯-银应用最多的浆料，比金更便宜，比银有更高的面电阻率与氧化铝基片表现出色附着力，与氧化铍间的附着力也很好钯能减少阴离子迁移问题银使线键和能力变差铜容易氧化，必须在惰性气氛中烧结密度高，附着力好，可焊性好，易于在氧化铝氧化铍和滑石基片上制造金属化层铜厚膜系

10、统存在的问题氮气氛问题介电材料的针孔问题电阻的稳定性3.3 电阻浆料钌(RuO+4)的氧化物：二氧化钌RuO2， 钌酸钡BaRuO3, 钌酸铋Bi2Ru2O7改变浆料中玻璃料的量，可以控制电阻值，对噪声也有作用，高阻值的噪声大电阻端头效应预端接后端接方阻，方块电阻当样品长度和宽度远大于厚度是，更方便使用的单位是薄层电阻率s，等于体电阻率B 除以厚度T s单位：/单位厚度体性能与尺寸无关，而薄层电阻率是样品尺寸的函数按照薄层电阻率的定义，电阻R 可以给出为均匀厚度的样品，如果长度等于宽度，其电阻值与薄层电阻率相同，而与实际尺寸无关特殊单位/25m烘干后膜厚度，简化成/LWT电流3.3.1厚膜电阻

11、零时间性能电阻率温度系数TCR将电阻随温度变化进行线性化，该值小，通常除以电阻初值，再乘以106浆料商提供的如下两值表示TCR25到125 的平均值（热TCR）25到-55 的平均值（冷TCR）金属的TCR是正值，非金属或半导体的TCR是负值TCR跟踪低的TCR跟踪值比低的绝对TCR更重要厚膜电阻的典型电阻值与温度关系曲线电阻的电压系数（VCR）电阻材料表现出的对高电场的敏感性电阻浆料的VCR总是负值，即随着电场增加，电阻减小VCR与电阻长度有关引起电阻漂移的是伏特/单位长度电阻相同成分和电压压力下，长电阻比短电阻漂移小同样电压梯度下，高阻值电阻漂移大厚膜电阻的典型VCR电阻噪声（热噪声和电流

12、噪声）热噪声或白色噪声热引起的电子在不同能级之间随机跃迁的结果，存在于所有材料电流噪声或粉红噪声（单位dB/十倍频程）材料内电子越过边界（晶界)发生的能级突变引起厚膜的电流噪声因玻璃层引起改善厚膜噪声性能高值电阻比低值电阻具有更高噪声电平大面积电阻具有较低的噪声电平较厚的电阻具有较低的噪声电平电阻噪声测试3.3.2厚膜电阻与时间有关的性能高温漂移由于本体中玻璃应力释放产生电阻变化加速试验湿度稳定性电阻漂移试验功率承载容量由于电阻发热引起的电阻变化功率老练试验要求电阻漂移小于0.5%，额定功率密度是50W/in23.4 介质浆料厚膜介质用作多层电路中的导体层间的电绝缘、交叉电路的导体绝缘及电组和导体的保护覆盖由氧化铝或其它陶瓷粉末、晶化玻璃、触变性的有机结合剂和有机溶剂的混合物组成重要工艺参数：电性能(绝缘电阻、介电常数、损耗因数、击穿电压)，膜的完整性(没有针孔和气孔)和通孔分辨率针孔识别试验、水滴试验和金属迁移实验3.5 厚膜电容器类似厚膜电阻，用丝网印刷和烧成介质浆料的方法制造厚膜电容器高介电常数的铁电材料，常用的钛酸盐填料对于多层电容，则倾向购买片式电容5. 聚合物厚膜（ PTF ）P