第六章电子封装中至关重要的膜材料与膜技术

第六章电子封装中至关重要的膜材料与膜技术6.1电子封装工程的简单介绍6.2薄膜和厚膜6.3膜及膜电路的功能6.4电路图形的形成方法6.5电子封装工程中用到的薄膜材料本章主要内容电子封装的发展过程6.1电子封装工程的简单介绍狭义的封装主要是在后工程中完成，并可定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。广义的电子封装工程应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和。将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类杜士服务的科学与技术，统称为电子封装工程。按特征尺寸的量级，电子封装工程中的四个层次电子封装工程中采用的膜分薄膜和厚膜两大类，前者一般由溅射、真空蒸镀、CVD等方法制作，后者主要采用丝网印刷法制作。此外还有喷涂、电镀、浆料喷射、直接描画、LB法等各种不同的方法。从膜的功能讲，有电阻、导体、绝缘、介电、保护以卫各种特殊的功能膜等；从膜的村料讲，有金属、合金、氧化物、玻璃、陶瓷、聚合物、半导体、非晶态等；此外，对膜层的尺寸、形态、结构等也都有特殊的要求。电子封装中的制膜工程6.2薄膜和厚膜在晶体管普及之前，真空电子管的板极、栅极、灯丝等都由块体村料构成，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，人们开始在纸、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。就电子封装工程所涉及的膜层而论，膜厚一般在1µm到数百微米之间，按膜层的形成方法，将真空法（干式）和溶液法（湿式）沉积得到的膜层称为薄膜，由浆料印刷法形成的膜层称为厚膜，前者膜厚多为数微米，后者膜厚多为20µm上下。无论薄膜还是厚膜，采用不同的方法均可以形成导体膜、电阻膜、介电质膜、保护膜及各种各样的功能膜等。6.3膜及膜电路的功能对于电子封装工程来讲，膜及膜电路主要有以下四大功能:电气连接元件搭载特殊功能表面改性电气连接印制线路板（PWB）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，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。元件搭载芯片装载在封装基板上，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LSI封装体实装在基板上，无论采用DIP、SMT、COX．MCM等哪种方式，都离不开导体端子。BGA、QFP两种封装形式引脚端子数与实装面积的对比特殊功能这里的所谓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，其中电阻膜、绝缘膜、介电质膜在电子封装中屡见不鲜。LCD中TFT玻璃复合基板中特殊功能膜的作用表面改性如同在LSI元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化膜用于绝缘、保护一样，在电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性。例如金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板等。又如，在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。6.4电路图形的形成方法应用于电子工业的膜层，例如电子元器件制造、电子封装、平板显示器等，都需要形成电路图形。电路图形的形成方法很多，主要有:填平法蚀刻法掩模法厚膜印刷（丝网印刷）法喷沙法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“填干”。最后将残留的光刻胶剥离。这种方法缺点是，采用印刷法填干时，导电胶膜中容易混入气泡。填平法填平法的原理与工艺过程光刻胶图形的形成光刻胶基板成膜材料成膜光刻胶剥离蚀刻法化学蚀刻法是在基板的全表面上印刷电路图形材料的浆料，经烧成后，涂布光刻胶，再通过电路图形掩模曝光后，用化学蚀刻的方法去除部分光刻胶，然后通过有机洛剂将电路图形不对应部分的电极材料去除掉。薄膜光刻法是用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板表面形成电路材料的薄膜，再经光刻制取电路图形。用这种方法可以获得精细度很高的图形，而且所形成膜层的质量高，膜厚可精确控制。蚀刻法化学蚀刻法的缺点有两个，一是使用有机洛剂，废液处理比较困难；二是有时线条会出现残差（残留）。薄膜光刻法的缺点是，设备投资大，而且工艺不容易掌握。蚀刻法蚀刻法的原理与工艺过程光刻胶图形的形成光刻胶基板成膜材料蚀刻光刻胶剥离基板全表面成膜蚀刻法化学烛刻法可能出现的线条残留掩模法先用机械或光刻等方法制作“正”的掩模，将掩模按需要的电路图形位置定位，再由真空蒸镀等方法成膜。借助“正”的掩模，基板表面即可形成所需要的电路图形。这种方法的优点是工序少、电路图形精细度高。缺点是需要预先制作掩模，而且有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于掩模沉积。掩模法掩模法的原理与工艺过程成膜材料基板掩模溅射（蒸镀）掩模定位去除掩模厚膜印刷法厚膜印刷法是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。由于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，也可以降低设备总投资。厚膜印刷法的缺点是线条精细度差，图形分辨率低，多次印刷难以保持图形的一致性。厚膜印刷法厚膜印刷法的原理与工艺过程丝网丝网制版乳胶膜印刷浆料浆料基板浆料基板烧成喷沙法先在基板全表面由电路图形材料成膜，再在表面形成光刻胶图形，经喷沙去除掉不需要的村料部分，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。喷沙法采用光刻制版技术，能形成精细的电路图形，但在喷沙过程中会产生灰尘。喷沙法喷沙法的原理与工艺过程基板全表面成膜光刻胶图形的形成光刻胶喷沙光刻胶剥离6.5电子封装工程中用到的薄膜材料导体薄膜材料电阻薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜的主要用途是形成电路图形，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。因此，为保证金属一半导体间的连接为欧姆结合，需要达到下述要求：①金属与半导体的结合部位不形成势垒；②对于n型半导体，金属的功函数要比半导体功函数小；③对于p型半导体，与上述相匠；④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。除了半导体与金属间连接应注意的上述事项之外，对于其他布线及电极用的导体材料，应具有下述特性：①电导率要高；②对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接；③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；④置于高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象；⑤附着力大，成膜及形成图形容易；⑥可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻；⑦可进行Au丝、AI丝引线键合及焊接等加工。导体薄膜材料在相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是使多种导体膜积层化，以达到上述①一⑦的各种要求。导体薄膜材料导体薄膜材料连接与布线的形成应注意以下几点：①SiIC中的Al布线可由Cr-Au代替；②Mo-Au系比Cr-Au系在更高的温度下更为稳定，Mo在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定；③对于Al-Ti系来说，在100～150℃即形成Al与Ti的化合物，使膜层阻值增加；④以Ti为底层的Ti-Au系，对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力，但在250～350℃不太高的温度下即形成化合物，使Ti膜的特性变差，由此造成电阻值增加。通常，往往需在Al与Ti之间加入Pt阻挡层。导体薄膜材料导体薄膜材料成膜后造成膜异常的主要原因有两个：①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Si、SiO2膜表面剥离，造成电路断线；②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。电阻薄膜材料薄膜电阻用原材料的电阻率多分布在100～2000µΩ·cm范围内，通常由此作成方阻值为10Ω/□～1000Ω/□的薄膜方电阻。10Ω/□以下的低方阻值电阻需求不多，而为了获得高方阻值薄膜电阻，或增加电阻膜长度，或减少电阻膜厚度。电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数TCR应在100×10-6／℃以下，而且要求其电气性能稳定。电阻薄膜材料薄膜电阻通常采用真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法制作，在这些薄膜制作方法中，一般会对其电气特性产生如下影响：①薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成TCR减小、电阻率升高。②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TCR变小，长期稳定性变差。③在金属一绝缘体、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。电阻薄膜材料④单相薄膜具有正TCR和较低的电阻，但组成复合系，如NiCr等，由于各成分的TCR相抵消，使TCR变小，阻值升高。⑤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。电阻薄膜材料电阻薄膜材料