电子元器件厚膜技术介绍

电子元器件厚膜技术介绍厚膜技术是通过丝网印刷的方法把导体浆料、电阻浆料或介质浆料等材料淀积在陶瓷基板上，经过高温烧成，在基板上形成粘附牢固的膜。经过连续多次重复，就形成了多层互连结构的电路，该电路中可包含集成的电阻、电容或电感［1］。厚膜技术主要用于高可靠和高性能的场合，如军事、航空、航天和测试设备中。这些技术也成功地应用于大批量生产的低成本设备，这些应用领域包括汽车（发动机控制系统、安全防抱死系统等）、通信工程（程控交换机用户电路、微型功率放大器等）、医疗设备和消费电子（家用视听产品）等。过去，由于材料和工艺技术等各方面的局限，厚膜产品一般用在中低频率。随着电子整机小型、轻量、多功能、高可靠化的要求日趋迫切，厚膜工艺和材料等各方面也朝高密度、大功率、高频化方向发展。人们相继开发了适合于微波和RF电路应用的厚膜浆料、基板材料、介质材料和工艺。这些厚膜技术和材料日益成熟，加上厚膜工艺开发周期短，成本低，适合于大批量生产的特点，应用不断扩大。90年代迅速发展的共烧陶瓷多芯片组件（MCM－C），是厚膜混合技术的延伸与发展，是厚膜陶瓷工艺的体现。MCM－C的基板根据烧成温度的不同，分为高温共烧陶瓷（HTCC）基板和低温共烧陶瓷（LTCC）基板两种。低温共烧陶瓷技术的导体的电阻率较低，介质材料的高频性能好，工艺灵活，能满足各种芯片组装技术的要求，适合于在微波和RF电路应用。本文从厚膜材料、厚膜细线工艺、低温共烧陶瓷（LTCC）等方面介绍了微波和RF电路中厚膜技术的研究成果及广泛应用。2厚膜材料厚膜材料包括厚膜浆料和厚膜基板材料。厚膜浆料有导体浆料、电阻浆料、介质浆料和包封浆料等。通用的厚膜基板是陶瓷材料，如96％氧化铝及99％氧化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷。最常用的是96％氧化铝陶瓷。2．1厚膜浆料厚膜浆料主要由三部分组成：功能相、粘结相和载体。功能相决定了成膜后的电性能和机械性能。在导体浆料中，功能相一般为贵金属或贵金属的混合物。电阻浆料中的功能相一般为导电性金属氧化物。在介质中，功能相一般为玻璃和／或陶瓷。粘结相通常是玻璃、金属氧化物或者是两者的组合，其作用是把烧结膜粘结到基板上。载体是聚合物在有机溶剂中的溶液。载体决定了厚膜的工艺特性，是印刷膜和干燥膜的临时粘结剂。功能相和粘结相一般为粉末状，在载体中进行充分搅拌和分散后形成膏状的厚膜浆料。生带介质是在聚酯膜上流延形成柔软的带或膜。烧结后的厚膜导体是由金属与粘结相组成的。金属与陶瓷基板的粘结机理有两种：机械键合和化学键合。机械键合是通过玻璃软化并扩散进入基板间孔隙形成的。一般认为硼－硅－铝玻璃在氧化铝基板上形成的就是这类键合。化学键合是通过金属氧化物与氧化铝或基板上的其它成分反应形成尖晶石结构。靠化学键结合附着力强，但烧成温度较玻璃粘结相高。氧化铜和氧化钙是用于厚膜导体化学键合的典型氧化物。在标准的厚膜烧结温度850℃下，形成化学键合的反应动力太慢，需要使用玻璃和氧化物的组合，玻璃把氧化物运送到基板上来帮助形成键合，有效地增加了反应动力。有些氧化物也可代替玻璃作助熔剂。在RF和微波电路中，导体比在低频电路中多了作微带传输线的作用，应考虑导体的射频电阻和趋肤深度的影响。工艺上要求导体膜加厚，导体膜厚度为趋肤深度的3～5倍，表面光洁度好。厚膜导体中金属的电阻率本身就比较低，如表1所示。在微波频率下选用不含玻璃的厚膜导体较好，常用的有无玻璃的金、银、铂－银和铜等浆料。例如美国杜邦（DUPONT）公司的氧化物键合导体材料和美国电子科学实验室（ESL）的MICRO－LOK系列导体材料都是这类产品。SadayukiNishiki等人[2]在20MHZ到10GHz的频率范围内测量了9种厚膜导体微带传输线的损耗。这些导体材料是金、银、铜、铂－金、铂－银、金－钯、银－钯及它们与不同键合方式的组合。键合方式包括：化学键合、机械键合、化学键合和机械键合的组合、树酯与氧化铝之间的机械键合。测试结果与相同图形的薄膜性能比较后，得出一个厚膜导体传输损耗的经验公式。在考虑了基板介质损耗和表面粗糙度后，测量值与理论值的比值对厚膜导体来说是1．4，对薄膜来说是1．2。该差别是厚膜微带线边缘较圆滑造成的。厚膜导体的传输损耗与薄膜接近，铜厚膜的传输损耗最低。作者认为厚膜导体完全可以用到10GHz。采用普通的丝网印刷工艺，厚膜导体的分辨率线条／间距为250μm／250μm。通过对导体浆料中的各成分进行优化，制作出很低电阻率的新型细线印刷导体的浆料，以满足提高布线密度的需要。JerrySteinberg等人［3］对在氧化铝和介质基板上的高粘附力厚膜金导体进行了研究。采用化学共沉淀制作出小的、球形的、大小均匀的金粉末，选少量的氧化物作助熔剂，严格控制工艺参数，制作出了能键合2mil金丝的高粘附力厚膜金浆料。该浆料烧结膜表面光滑，线键合性好，粘附力高；电阻率低，烧成膜厚大于7μm时，方阻小于4mΩ／□；印刷分辨率高，批量生产时可印刷0．18mm的线宽和间距，实验室内可制作线宽50μm，间距150μm的图形。为了进一步提高丝网印刷的分辨率，人们开发了可光刻的厚膜浆料和光致成图浆料。例如金属－有机物浆料和薄印浆料等，这些浆料大部分为金浆料，结合先进的工艺，其细线水平几乎达到薄膜的工艺水平，详细情况将在后面介绍。低温共烧陶瓷（LTCC）技术由于导体的电阻率较低，介质材料的高频性能好，最适于做微波MCM的基板材料。在LTCC技术中，厚膜导体除了作高密度互连的导带外，也是多层电路互连通孔的填充材料。在功率电路中，人们利用填充金属的通孔阵列把器件上的热量传到热沉上。在微波LTCC中，从降低成本和可靠性的考虑，利用银作内层导体，金作表层导体。银有极好的导电性和导热性，可在空气中烧成，比金便宜，适合作内层导体。厚膜导体材料必须与LTCC生带系统相匹配，特别是通孔填充材料，要作为良好的导电和导热通路，又不能导致任何物理弯曲或封装的开裂。ToddWilliams等人［4］研究了A6低温共烧陶瓷系统的银通孔金属化问题。A6是一种低介电常数、低损耗的微波和RF用LTCC材料。ToddWilliams等人认为通孔填充浆料应考虑下述关键特性：通孔填充浆料中的玻璃或氧化物与生带中的匹配；通孔填充材料和生带的收缩率随温度变化应紧密配合；热膨胀系数相匹配；电导率要高；流变性与工艺相对应；热导率要高。通过仔细选择无机材料，使LTCC和银通孔填充浆料之间的烧结动力产生良好的匹配，烧结结构的通孔里没有空洞，环通孔的LTCC里没有裂纹，烧结的银注满了LTCC通孔，也没有突出陶瓷外边。该金属化系统使低温共烧陶瓷（LTCC）系统实现了结构上实实在在的互连。用银作LTCC的内层导体，金作表层导体，消除了银的表面迁移问题。金和银直接互连时，会产生扩散。在烧结过程中，由于扩散速度的不同，在界面上会形成孔隙，即Kirk－endall孔隙。该孔隙会导致烧结后开路，使可靠性成为问题。L．Prozdyk等人［5］研究了银－金互连的过渡性通孔填充材料问题。在内层银导体和表层金导体之间加一层过渡性填充材料可解决该问题。2．2厚膜基板材料厚膜材料要制作在一个基板上，该基板对最终成膜作一机械支撑，也有热、电的作用。在RF和微波电路中，厚膜基板还是传输电磁波的介质。常用的厚膜基板材料有96％氧化铝及99％氧化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷。这些陶瓷材料性能稳定，机械强度高，导热性好，介电性能及绝缘性能好，微波损耗低，是优良的微波介质材料，主要性能见表2。96％氧化铝瓷是标准的厚膜基板材料，具有优良的热、机械、电和物理化学性能，其厚膜金属化浆料已非常成熟，产品已经商品化、系列化。96％氧化铝瓷中玻璃相较多，环绕晶粒的玻璃相与厚膜中的玻璃粘结相相互作用，产生比其它基板材料高得多的粘附力。其厚膜浆料有玻璃粘结型、化学键合型和混合型三种。在微波电路中，从微波损耗的角度考虑，常常选用氧化铝含量更高的99．5％氧化铝瓷。氧化铍陶瓷是热导率最高的陶瓷材料，且电绝缘性、介电性和机械强度都很好。相对于其它基板材料，氧化铍陶瓷的介电常数较低，有利于在微波频率中的应用。氧化铍陶瓷的热导率是96％氧化铝瓷的十几倍，尽管随着温度的升高，其热导率逐渐降低，但在25～300℃的温度范围内，其热导率仍比氮化铝瓷高出30％。由于氧化铍陶瓷基板的纯度很高（99．5％），玻璃相含量很少，使用的厚膜浆料多为化学键合型或混合型的专用浆料。氧化铍陶瓷具有优异的导热性能，很多资料介绍了它的毒性，但美国的BrushWellmanInc．等三家公司曾宣布固态氧化铍陶瓷是十分安全的，人们可以接触、抚摸甚至可以吞下它，而不会受到伤害。它的不安全之处在于像可被人们吸入的那样大小的氧化铍粉尘，这些细微粉尘在氧化铍陶瓷的制造过程中已被成功地治理了，使用氧化铍陶瓷是十分安全的。氮化铝陶瓷的导热率很高，几乎可以与氧化铍陶瓷相媲美，且随着温度的升高降低较缓慢。其热膨胀系数与半导体材料硅（4．2×10－6／℃）、砷化镓（5．7×10－6／℃）都非常接近。其它性能，如电气性能、机械性能都很好，无毒，是有前途的高导热基板材料。一般的厚膜浆料系统只适用于氧化物陶瓷基板，其热膨胀系数只能与氧化铝陶瓷匹配，浆料所含的玻璃在烧结时浸润不了氮化铝，粘附力较差。目前已经研制出氧化铍陶瓷基板专用的银、金、铂－银、银－钯等厚膜导体浆料及相应的电阻浆料和包封料。这些浆料采用了新的玻璃料，其热膨胀系数与氮化铝（AlN）陶瓷接近，同时又加入了化学键合的粘附机理，性能稳定可靠。R．Reicher等人［6］认为厚膜导体浆料中的玻璃粘结相是一个热阻挡层，对AlN陶瓷极好的导热性有不利的影响。新开发了无玻璃的活性金属化Ag－Cu－Ti厚膜导体浆料，并研究了该浆料与AlN陶瓷的键合机理和应力分布。与普通的玻璃键合厚膜导体相比，该无玻璃的厚膜金属化系统对AlN陶瓷来说可靠性更高。由于具有优良的导热性和低的高频损耗，氧化铍陶瓷和氮化铝陶瓷在微波和RF电路中，特别是在大功率电路中被当作首选基板材料。人们利用厚膜工艺，用氧化铍陶瓷和氮化铝陶瓷作基板材料，制作出了性能好，成本低的微波无源元件，主要有微波功率衰减器、微波功率负载电阻等，这些产品体积小，功率容量大，响应频带宽，性能稳定可靠。目前，微波功率负载电阻的水平已做到：功率2～800W，频率范围DC～6GHz，电压驻波比＜1．25；微波功率衰减器的水平为功率10～200W，频率范围DC～4GHz。3细线工艺厚膜电路组装密度的不断提高，要求布线密度进一步提高，导体线条更细，线间距更窄。厚膜导体布线密度的提高，可采用厚膜工艺制作微波和RF电路，使产品研制周期缩短，生产成本降低。随着MCM技术的不断发展，在组装技术中越来越多地使用裸芯片组装技术，如芯片－键合线、梁式引线和倒装芯片等，这些技术要求的布线密度极高，尤其是倒装芯片技术。该技术为各芯片间提供最短的连接路径，减少了引线阻抗，这样使高频和数字应用的性能更高。以前导体线宽为0．25mm或更小，被认为是细线的范畴，但现在这些导体宽度被认为是常规工艺。在最近几年，细线的范畴已经取得一致，为0．10mm或更小。目前采用传统的丝网印刷工艺可批量生产0．10～0．125mm线宽的导体。这要求对工艺进行严格控制，改进环境的清洁度，对使用的设备更加小心地操作。为了进一步提高布线密度和线条分辨率，人们已开发了一些新的工艺及相关材料，主要有（1）采用高网孔率丝网；（2）光刻或光致成图技术；（3）微机控制的直接描绘技术。3．1采用高网孔率丝网与普通的尼龙丝网和不锈钢丝网相比，新型的高网孔率丝网的线径更细，目数更高，丝网的开口率更高，这样导体浆料更容易从漏孔通过，制作细线条时不易断线。另外，采用直接金属掩膜时，不受线径和目数的限制，可使丝网开口率进一步提高。采用上述方法，在厚膜基片、多层共烧陶瓷基片上可印刷线宽25～100μm，间距为100μm的线条。3．2光刻或光致成图技术把厚膜技术同光刻技术结合起来，可进一步提高厚膜导体的分辨率。该工艺大致有两种方法：（1）先烧结成膜，再光刻成图；（2）先光刻后成膜。光刻后的导体线条不