厚膜沉积技术.pptx
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1、n厚膜浆料的组成与特性 厚膜电路是在所需的陶瓷基片上,通过丝网印刷粘性浆料形式的导电的、电阻性的和绝缘的材料。将印刷的厚膜浆料烘干以去除易挥发的成分,并且暴露在高温下激活粘结机理,使厚膜粘附于基板上。利用这种方式,通过逐次沉积各层,可以形成多层之间互连结构,其中还可以包含集成的电阻、电容和电感。所有的厚膜浆料都有两个共同的一般特征:1.它们都是符合非牛顿流变学的粘性流体,适合丝网印刷。牛顿流体的研究对象是水或气体等小分子流体,牛顿流体定律中的比例系数即粘度是一个不变的常数,这类流体称为“牛顿流体”。随着现代科学技术的发展,出现了大量新型流体,若套用牛顿流体公式,会发现它们的粘度不再是一个不变的
2、常数,人们将这类流体称为“非牛顿流体”。例如,当我们在油漆家具或粉刷墙面时,希望涂层越均匀越平整越好。但在垂直面上要做到这一点并不容易。其实,油漆和涂料就是非牛顿流体,它们的粘度是可变的。我们选定油漆、涂料的配方时,可使油漆或涂料在涂刷时粘度很小,而一旦刷子离开,粘度又变得很大,不会自行下流。这样既涂刷省力又质量上乘。涂料的这种特殊性质,用术语就称为“触变性”。也就是说,涂料或油漆这种非牛顿流体当有外力作用时粘度变得很小,没有外力时又变得很大,具有这种流变性能的流体称为“剪切变稀流体”。2.厚膜浆料都由两类不同的多组份相组成,一类相用于实现厚膜的电学和机械特性,一类载体相提供适当的流变性。厚膜
3、浆料即为具有剪切变稀性质的非牛顿流体厚膜浆料即为具有剪切变稀性质的非牛顿流体 常规的厚膜浆料有四个主要成分:a.形成膜功能的有效成分b.提供基板与保持活性粒子悬浮状态的结合料之间粘结的粘结相c.提供合适的流体特性以适用于丝网印刷的有机粘合剂d.调节载体相粘性的溶剂或稀释剂a.有效成分浆料中的有效成分决定了烧结厚膜的电学特性。若有效成分是金属,烧结厚膜将会是导体;若是导电的金属氧化物,烧结膜将会是电阻;若是绝缘体,烧结膜将会是电介质。有效成分一般是颗粒尺寸在110微米之间的粉末,平均直径在5微米左右。颗粒的表面形貌可根据制作金属粒子方法不同有很大差别,球形、薄片状或圆形的颗粒均可由粉末制造工艺得
4、到。必须严格控制粒子形态、尺寸和分布状态以保证烧结膜性能的均匀性。b.粘结成分 有两种主要的成分用于厚膜与基板的粘结:玻璃和金属氧化物,两者可以单独使用,也可以混合使用。采用玻璃或玻璃料作为粘结的成份的厚膜也称为玻璃釉材料。它有两种粘结机理,即化学反应和物理反应。在化学反应中,熔融的玻璃在一定程度上和基板上的玻璃相发生化学反应。在物理反应中,在基板不规则的表面流动,流入孔和气孔中,紧缚在基板表面的细小露头上。总的粘结强度是两种因素的总和。在热循环过程中,物理结合比化学结合更易受影响而退化,在应力作用下先断裂。第二类材料利用金属氧化物提供和基板的粘结。纯金属如铜或镉和浆料混合并且与基片表面氧原子
5、发生反应生成氧化物。烧结使膜层、氧化物和基板发生熔接。但是,金属氧化物的生成需要很高的温度(9501000摄氏度),成为此方法一大缺陷。第三类材料同时利用氧化物和玻璃,典型的氧化物材料是ZnO或CaO,同时加入玻璃来增加粘结强度和降低反应温度。它结合了两种技术的优点,可在低温下烧结。c.有机粘合剂 有机粘合剂一般是触变流体,使用它有两个目的:在膜烧结前,使有效成份和粘结成份保持悬浮状态,同时,在丝网印刷过程中使浆料具有合适的流体特性。有机粘合剂一般都是不挥发的有机物,它不蒸发,但在350摄氏度左右会开始燃烧。在烧结过程中粘结剂必须完全被氧化,才不会产生玷污表面的碳。用作有机粘合剂典型的材料是乙
6、基纤维素和各种丙烯酸酯类。d.溶剂或稀释剂有机粘合剂太稠,不能进行丝网印刷,还需加入溶剂和稀释剂。稀释剂要比粘合剂挥发性强,约100摄氏度以上就很快挥发。溶剂中还要加入增塑剂、表面活化剂和能改变浆料触变特性的触变剂以改善浆料性能和印刷特性。典型的稀释剂主要成分是松油醇、丁基卡必醇等醇类合成物。例.钯银导体浆料的典型配方固体微粒:导电相:Ag 56.4%,Pd 14.1%粘结相:3%,硼硅玻璃 1.5%载体(25%):有机粘合剂:乙基纤维素 溶剂:丁基卡必醇醋酸酯为了完成按配比加工,厚膜浆料的各组分按一定比例混合在一起并用三辊球磨机研磨足够长时间,以保证彻底的混合。目前,国外研究生产电子浆料的公
7、司很多,领袖当属1802年创建的美国杜邦公司(Dupont).n厚膜材料的特性与选择一、厚膜导体材料厚膜导体中的导体材料分为贵金属和贱金属两大类。对于厚膜导体金属的要求主要有以下几点:1)电导率高,TCR小;2)与玻璃不发生反应,不向厚膜介电体及厚膜电阻体中扩散;3)与介电体及电阻体的相容性好;4)不发生迁移现象;5)可以焊接及引线键合;6)不发生焊接浸蚀;7)耐热循环;8)资源丰富,价格便宜。选用导体时,通常要进行下述试验:1)测定电阻值(按需要有时也包括TCR)2)浸润性。测量导体膜上焊料液滴的展宽直径。3)耐焊料浸蚀性。将导体膜反复浸入焊料液体中,测量到明显发生浸蚀的浸入次数。4)迁移性
8、。在导体图形间滴上水滴,并施加一定的电压,测量达到短路经过的时间。5)结合强度。在导体膜上焊接引线,沿垂直于膜面方向拉伸,测量拉断时的强度,确定破断位置,分析断面形貌结构等。6)热老化后的强度。焊接后,在150摄氏度下放置48小时,测量导线的结合强度等。下面介绍几种能较好满足上述要求的常用厚膜导体材料:a)AgAg浆料的最大优点是电导率高。焊接后的Ag厚膜导体,随时间加长及温度上升,其与基板的附着强度下降。这是由于Ag与玻璃层间形成Ag-O键,以及与焊料扩散成分生成 所致。为了防止或减少 的发生,或者使Ag膜加厚,或者在Ag上电镀Ni.Ag的最大缺点是易化学迁移。这是由于Ag与基板表面吸附的水
9、分相互作用,生成 AgOH,它不稳定,容易被氧化而析出Ag,从而引起Ag的迁移。为了抑制,一般要在浆料中添加pd或pt.b)Ag-Pd 在Ag中添加Pd,当Pd/(Pd+Ag)0.1左右时,即可较好的抑制Ag的迁移。但当Pd的添加量较多时,会发生氧化生成PdO,不仅使导体焊接性能变差,而且造成电阻的增加。因此,Ag/Pd比一般控制在(2.5:1)(4:1).最近,通过粒度控制,采用球形Ag颗粒,防止其凝聚等,使膜的导电性提高,由此开发出Ag/Pd为(5:1)(10:1)的制品。n为提高Ag-Pd导体的焊接浸润性,以及导体与基板间的结合强度,需要添加 。在烧成过程中,部分 溶入玻璃中,在使玻璃的
10、相对成分增加的同时,它与 基板发生如下反应:使膜的结合强度得到增大。n焊接时要对膜加热,加热时间增加,金属颗粒与玻璃成分之间分散的 ,会由于焊料的主要成分Sn向导体内部扩散,而发生还原反应:从而使膜的结合强度下降。故最近开发了许多不含Bi而采用其他玻璃粘结剂的Pd-Ag浆料,特别是适用于 AlN陶瓷基片的浆料。c)Cu与贵金属相比,Cu具有很高的电导率,可焊接,耐迁移性,耐焊料浸蚀性都好,而且价格便宜。Cu在大气中烧结会氧化,需要在氮气气氛中烧结。在多层工艺中与介电体共烧时容易出现分层现象和微孔,由于烧结时缺氧,有机粘结剂等不能完全燃烧和排除,与分层一起造成绝缘性能的下降。Cu与 基片的界面处
11、易生成 (偏铝酸铜),影响膜与基片的结合强度和膜的导电性能。d)Au 在金浆料中按膜与基片的结合方式分为玻璃粘结剂型、无玻璃粘结剂型、混合结合型三种。将Au与玻璃粉末分散于有机溶剂中形成玻璃粘结剂型浆料,在烧结时玻璃易浮到膜层表面,对导电性及引线键合等都有影响。代替玻璃而加入 等,与基板反应,生成 (铝酸铜、铝酸镉)等化合物,成为导体膜与基板之间的界面。这种化合物和基板之间形成化学结合的形式,属于不用玻璃粘结剂的浆料,但生成化合物温度高是难点。因此,出现了加入玻璃及 等富于流动性的物质,使烧结温度降低的混合结合型浆料。二、厚膜电阻材料 厚膜电阻器是由电阻浆料经印刷、烘干、烧结、微调等工序制成。
12、到目前为止,已经发表了大量关于各类厚膜电阻体浆料的资料,这些浆料多以 ,添加Ta的SnO,炭黑,等为主导电成分,经大气中烧成各种各样的厚膜电阻体。导电机制 烧成后的厚膜电阻材料的主要成分是导电相和粘结相。导电相起着电流通路的作用;粘结相则把导电相粘结于基片之上。图中可见烧成后的导电相成链状结构。粘结相电阻率很高,可看作是绝缘相。为了得到性能优良成品率高的厚膜电阻器,要求导电相在粘结相中均匀分布。为保证导电相在粘结相中均匀分散开来,在整个电阻材料中,导电相体积比应为30%左右。流过厚膜电阻中的电流,由各种串联和并联的导电链中流过的分路电流组成。以Pd-Ag电阻材料为例,其导电成分主要有:a.Pd
13、-Ag合金固溶体(次要):Pd,Ag材料形成合金固溶体,合金内部的晶格畸变,对电子起散射作用;b.PbO相(主要):烧结过程中,PdO晶格中往往吸收过量的氧,从而形 成 空位,为保持电中性,每一个 空位会引起两个 正电 中心,这是 失去一个电子所致,相当于 空格点上多一个空穴 ,形成P型半导体形式的导电机制。c.接触导电相(次要):在导电链形成过程中,导电相有时不能很好的接触,有的颗粒间存在微小间隙或被很薄的粘结相隔开。粒径对电气特性的影响(以 为例)a.当电阻体的组成比一定时,所用玻璃颗粒的粒径对阻值的影响如左图所示。可见,在高阻值端,粒径对阻值的影响极为显著,粒径越小,阻值越大。b.右图表
14、示 粒径对膜层电气性能的影响,粒径越小,阻值越小。采用小粒径的 及玻璃粉体制成的电阻体具有更小的电流噪声。三、厚膜介质材料 厚膜介电材料通常分为HK(高介电常数)材料和LK(低介电常数)材料两大类。前者介电常数K值在数百以上,主要用于厚膜电容器的介电层,后者的K值在以下,多用于表面钝化、交叉绝缘层、多层布线绝缘层以及低容量的电容器等。LK介电材料 为用于回路的多层化及回路保护,要求LK介电体与导体材料的相容性要好,隔绝外界环境的气密性要高,扩散要少,而且容易实现多层化。同时,布线导体使用Cu时,要适合在氮气气氛中烧成。为适应上述种种要求,开发了非晶玻璃(FG)和晶态玻璃(CG)二类玻璃系列的L
15、K介电材料。a.非晶玻璃系列的介电材料 回路保护用的钝化玻璃要求能在450600摄氏度下容易形成无针孔的膜层,且要求表面绝缘电阻高,与导体及其他元件不起反应,化学性能稳定等。一般采用PbO-ZnO系玻璃及PbO-等。当用于积层数较少的多层电路及交叉绝缘时,一般要在PbO-ZnO系及PbO-系玻璃中混入 ,MgO等填充物用以调整玻璃的热膨胀系数、机械强度、粘度、软化点、介电特性等。非晶玻璃介电体的缺点有:1.稳定性差。若采用厚膜印刷法实现多层化,则必然伴随着多次反复烧成,玻璃成分与填充物之间都会发生反应,从而使介电体与基板之间的热膨胀系数匹配变差,随着积层数增加,可靠性下降;2.介电体的微细结构
16、中易产生空洞(void).b.晶态玻璃系列的介电材料 晶态玻璃是在玻璃中加入Ti,Zr,Fe,V 等元素的氧化物、氟化物等作为形核剂而制取的。将原材料升温加热,达到某一温度,形成无数均匀的晶核,进一步升温,晶粒开始生长,从而形成晶态玻璃。晶态玻璃具有以下优点:1.机械强度高;2.基本上不发生气泡;3.气密性较好;4.热膨胀系数可控制;5.耐热性好;6.化学稳定性好,与导体基本上不发生化学反应。晶态玻璃中有几个基础玻璃系,经常使用的有以MgO-,CaO-为代表的铝硅酸玻璃;还有以PbO-ZnO-,为代表的铅硼酸玻璃。HK介电材料 传统的HK介电材料为 玻璃,但其缺点是:烧成温度低,烧成时间短,不
17、适宜共烧工艺;采用玻璃助烧剂时,又会引起介电常数的下降;烧成体为多孔质,耐湿性差。近年来仍继续以 为基进行开发,多采用使高介电常数 的成分Ba和Ti被Pb,Ca,Fe,W,Cu,Mg等置换构成钙钛矿结构介电体来改善性能。n丝网印刷 一、印刷 所谓印刷是指将文章,图像,图案等通过机械手段大量复制的过程,其要素有原稿、版、油墨、印刷介质、印刷机等。将原稿制成版,版上放置油墨,利用印刷机,使油墨通过版,将原稿逼真且高效率地再现在印刷介质上。印刷的种类根据版的形状有凸版、平版、凹版、孔版等几大类。凸版印刷是可进行活字排版的活版印刷,一般出版物多采用此法。版面上粘附油墨,将纸等印刷介质压于其上直接由版面
18、到印刷介质实现印刷。下图是圆筒辊凸版印刷示意图。除此之外,凸版印刷中还有将印刷介质平压在平版面上的平压式,版面为圆筒状的轮转式等。平版印刷中,通过涂胶、带电、表面处理等,使被印刷的文字、图像、图案等与油墨、炭粉等产生特殊的亲和力,而后将纸等印刷介质压于其上进行印刷。胶版印刷就属于平版印刷的一种,图示的轮转式用的最多,版辊与压辊之间有一胶辊(转印辊),将胶辊上转印的内容印刷在介质上。凹版印刷与凸版印刷一样,要在版面上粘附油墨,不需要的油墨用布或纸擦除,仅在凹部留有油墨,然后将纸等印刷介质压于其上进行印刷。照相凹版印刷就属于此,要将过剩的油墨用刮板刮除。上述印刷方法尽管所用的版有所不同,但印刷时印
19、刷介质要压在版上是共同的。压力大小因版的种类不同而异,凹版压力最大,胶版压力最小。二、丝网印刷法 在电子封装工程中,作为微细图形的印刷法,尽管有时也采用照相凹版印刷及胶版印刷,但实际应用最多的还是属于孔版印刷的丝网印刷法,其在厚膜印刷、印制线路板的蚀刻印刷、电镀阻挡掩模及焊料阻挡掩膜的形成、焊膏的印刷等方面是不可缺少的。l起源 丝网印刷最早起源于中国,距今已有两千多年的历史了。早在秦汉时期就出现了夹颉印花法。隋代大业年间,人们开始用绷有绢网的框子进行印花。到了宋代,改进了原来使用的油性涂料,开始在染料里加入淀粉类的胶粉,使其成为浆料进行印刷。l基本原理:现代丝网印刷技术,是利用感光材料通过照相
20、制版的方法制作丝网印版(使丝网印版上电路部分丝网为通孔,而非电路部分的丝网孔被堵住)。印刷时通过刮板的挤压,使浆料通过电路部分的网孔转移到承印物上,形成与原稿一样的电路。厚膜浆料通过不锈钢丝网印刷到基板上,在设计工艺的时候,先产生1:1的每一层的掩膜图形,这些掩膜图形用来对涂有光敏材料或者乳胶的丝网进行曝光。光敏乳胶膜上没有黑色掩模保护的乳胶被紫外光硬化,受到保护的部分很容易被水洗去,从而形成窗口。丝网印刷的过程如下图所示,其过程如下:a.丝网放置在丝网印刷机上,基板放置在丝网的正下方;b.浆料涂在丝网的上面;c.刮板刮过丝网的表面,在漏印网版的未开口部位由刮板以一定的压下量和速度刮送浆料;d
21、.刮送的浆料在漏印网版的开口部位被压入填充;e.刮板刮过后,与基板紧贴的网版与基板脱离;f.浆料靠自身的粘结性附着在基板上,形成漏印图形,电路被转印到基板上。l丝网 丝网孔版是丝网印刷中主要采用的形式,它主要由绷于框架上的丝网和用于光刻图形的感光乳胶组成。a.丝网材料最早采用蚕丝,故称其为丝网印刷。随着新材料的出现,还采用尼龙、聚酯等树脂纤维以及不锈钢等金属纤维。不锈钢丝网强度高、伸缩小、尺寸精度高,与其他丝网比可选用更细的丝径,丝网开口大,适合于更纤细的图案,浆料透过性最好,耐药品性强。因此,厚膜印刷主要采用不锈钢丝网。b.丝网的网格是由不锈钢丝或聚酯网丝编织成一大张长的薄网板,沿着网板长度
22、的方向称为“经线”方向;沿着网板宽度的方向称为“纬度”方向。c.大多数厚膜印刷的网板都是编织成“平针”图案,每一根丝每次只是简单地上下交叉绕过一根丝。d.丝网上网眼的大小(疏密)用目表示,目代表了每英寸(25.4mm)长度上网眼数目:目数在经纬方向上是一样的。通常它在80线/英寸到400线/英寸之间变化,前者用于粗糙的印刷如焊膏,后者用于精细线条的印刷。开口长度即丝与丝之间的间隔,即使目数相同,它也因丝径不同而异。开口长度大,浆料易透过,印刷性好,且网丝直径越细,图形的印刷精度(例如细线和微孔的分辨率,线条边缘的直线性等)越高,因而应选用目数高的细丝网。网目的测量:网目尺又称经纬密度仪,主要用
23、于测量各种丝网的目数。测量时,首先使丝网处于透亮的状态下或放在看版台上,将网目尺放在丝网上,然后将网目尺慢慢移动,使网目尺上的竖线与丝网的经线或纬线平行,这时由于丝网经纬线和网目尺上的竖线产生重叠的效果,在网目尺上形成菱形花纹,花纹的横向对角所指的网目尺上对应的数字,即是所测的丝网目数。对于通常厚膜印刷用丝网来说,导体用对于通常厚膜印刷用丝网来说,导体用300400目,目,电阻体用电阻体用200300目,介电体用目,介电体用200目左右。目左右。e.丝网开口大小 这个参数强烈地影响在印刷过程中浆料的印刷量,并限制了用于制作浆料的材料最大粒子尺寸。开口尺寸取决于目数和丝径:其中,O为开口尺寸,M
24、为目数,D为丝的直径。在印刷过程中,浆料的转移量取决于丝网开口的体积,一般丝网的厚度等于丝径的两倍,丝网开口的体积可由下式估算:当D=1/M或0时,开口体积为0,开口的体积必然有一个 最大值。将上式展开对D求导,可求得开口尺寸为最大时 l网框 选择网框的标准:1)网框必须具有一定的强度。因为绷网时,丝网对网框产生一定的拉力和压力。这就要求网框耐压,不变形。2)在保证强度的条件下,网框尽量选择轻的,便于操作和使用。3)网框与丝网的粘接面要有一定的粗糙性,以加强丝网和网框的粘结力。4)网框要有一定的牢固性。网框要经常与水、溶剂接触,并受温度的影响,一定的牢固性可保证网框的重复使用。5)使用时根据印
25、刷尺寸的大小确定合适的网框。丝网的网框一般是用铸铝制成,网框的底部平行于顶部,并保持一定的距离。按照这种方式,丝网和印刷机平行并且相对于基板具有相同的基准点。l绷网 绷网是制作丝网印版的第一道工序。首先按照印刷尺寸选好相应的网框,将网框与丝网粘合的一面清洗干净。若是第一次使用的网框,需用细砂纸打磨,使网框粗糙,提高网框与丝网的粘结力,若是使用过的网框也要用砂纸打磨干净,去掉残留的胶及其他物质。清洗后的网框在绷网前,先在与丝网接触的面预涂一遍粘合胶并晾干。绷网时,用手工或机械绷网,丝网拉紧后使丝网与网框贴紧,并在丝网与网框接触部分再涂布粘合胶,然后吹干。待粘合胶干燥后,松开外部张力,剪断网框外边
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