电子信息材料PPT学习教案

1、会计学1电子信息材料电子信息材料结构上：硅单片半导体和膜式混合微电路两种类型。 硅单片半导体集成电路的制造过程： 高温下把某些气体扩散入单晶硅片，形成电阻、二极管和晶体管的互连网络。 原理上大规模和超大规模集成电路也都属于单片制造工艺，其区别仅在于同一芯片上门电路的数目不同，随着微电路数目的增加，对制造工艺、精度及辅助加工的要求越来越高。 混合微电路：电阻、电容和电感之类的无源元件以表面膜形式淀积在平整的绝缘基体上，并在表面组装各种集成电路、晶体管或其它分立元件和片状元件，形成功能更强的集成电路。 根据膜的厚度，通常分为薄膜(100l000)和厚膜(0.0050.125mm)混合电路，它们的制

2、造工艺分别示于图31和32中。abcde 图31 薄膜混合电路的制造工艺a陶瓷基片；b溅射蒸镀各种金属成薄膜；c成膜后的基片电路；d组装集成电路、晶体管和片状分立元件；e封装后的混合电路 图32 厚膜混合电路的制造工艺 a陶瓷基片；b浆料经丝网印刷成图样；c烧结； d烧结后的基片电路；e组装集成块、晶体管和片状分立元件；f封装后的厚 膜混合电路32 厚膜电子浆料 厚膜混合电路：集成块和分立元件组装于有厚膜元件的绝缘基片上。 厚膜元件由浆料组成，它以确定的图样印刷于基片上，经过烧结，形成一系列无源元件，烧结膜厚度通常为10一50m。 导体浆料 厚膜电子浆料 电阻浆料 电介质浆料 由结合剂、载体和

3、功能元素所组成， 结合剂：玻璃釉料 形成厚膜浆料中的绝缘体，并利用玻璃粘度随温度上升会稳定降低控制浆料的高温流动特性和充分润湿功能组分颗粒载体：有机溶体和增塑剂 调节浆料的粘度特性及丝网印刷特性，不仅保证浆料顺利、均匀、准确地印刷在基片上，而且使印刷花样在烧结过程中有足够的强度，不产生变形功能元素：由金属、合金、氧化物或其它陶瓷化合物组成。 厚膜浆料中结合剂与功能元素的类型和相对比例将决定它为导体、电阻还是电介质。玻璃釉结合剂与金属等功能元素为球形颗粒，在确定的粒度范围内(如10 m)，颗粒尺寸应按一定的比例分布，为使浆料混合均匀，顺利通过丝网，这些极细的粉末为均匀的圆球形，且表面光滑。另外要

4、严格控制浆料各组分中杂质含量。表31 导体浆料及其烧结特性 2. 导体浆料的性能要求 (1)良好的导电性，方阻0.002一0.15S。 (2)紧密的结合性。 (3)良好的连接性能。 (4)优良的共晶垫基组装性。 (5)良好的锡焊性。 (6)工艺性能稳定，可长时间贮存。 (7)成线性、分辨性良好。 (8)良好的丝网印刷、涂覆性能、无滞流、拖尾或摆动。3. 导体浆料的组成 结合剂 结合剂由低熔点玻璃组成，导体浆料中，结合剂通常占10 20(wt)。 载体 它有助于控制浆料的印刷特性，在浆料中占12 15(w t)。典型的溶剂载体包括一些醇类松树油和a萜品醇。 导体材料 由小于5 m的金属微颗粒组成

5、、含量为50 70(wt)。为防止高温氧化，导体材料通常是金、银、铂、钯等贵金属，它们的化学性能极其稳定。钯银 在厚膜导体中应用最广，约占导体浆料的8090。 有良好的基体结合性、锡焊性、锡浸蚀阻力等，其成本远低 于金基浆料。但合金中的银也导致轻微聚集现象，且方阻大 于0.03 s。另外钯银很难用于线结合。钯金和铂金 在金中加入钯或铂形成合金导体。它们有好的锡 焊性、结合性，但合金的方阻为0.04 0.08 s， 超过金 或钯银，成本与金相当。铜和镍 铜基或镍基浆料是为替代昂贵的贵金属浆料，综合性 能低于贵金属浆料，但成本极低。为防止这类浆料烧结时 高温氧化，浆料的烧结必须在氮气等保护气氛下进

6、行。表32 电阻浆料及其特性2 电阻浆料的组成 结合剂： 玻璃的选择很关键，玻璃的粒子尺寸和烧结条件等都会影响最终膜的电阻值及温度系数。常用的玻璃类型PbBiBSi02、PbBi0及用于连接各种氧化物的PbZrO2，玻璃釉占浆料组成的40(wt)。 载体：控制浆料的印刷特性，占3035(wt)，常用载体材料为乙基纤维素和萜品醇等树脂。 导体材料：金属、金属氧化物和它们的混合物，占25wt)。第一类商用的有效厚膜电阻浆料： 建立在钯、氧化钯和银的基础上，这类浆料对烧结条件非常敏感，很难控制其性能。为此开发了以钌、铱、铼为基的浆料，其电阻温度系数对工艺敏感性极小，典型的烧结温度为700 900。第

7、二类厚膜电阻浆料：氧化钌 应用非常广泛。 该材料性能稳定，能在大气中被加热到1000，而无任何变化。 用氧化钌和铅玻璃配制的电阻浆料，除阻值变化范围很大外，还有良好的稳定性、极低的电阻温度系数和低的电噪值。 该电阻浆料高温下极稳定，不发生任何化学反应，故烧结过程中只产生微小的公差变化，另外氧化钌厚膜还呈现高的热负荷稳定性。 323 厚膜电介质浆料 电介质浆料用于多层导体间的相互绝缘，厚膜电容中的介电材料及涂覆包封釉等。相间电路间不希望有电容性，因此相间电介质通常选择低介电常数材料，而电容性电介质中则加入一定量的钛酸钡来提高介电常数。C 电介质材料 电介质材料依高、低电容率分为两种类型，高介电常

8、数材料又称高K型材料，主要是铁电陶瓷钛酸钡。室温下该材料介电常数为1200。 以钛酸镁、钛酸锌和钛酸钙为基的几种低容性非铁电性电容材料，介电常数为12一100，温度系数为 200ppm，改变氧化镁、氧化钙对氧化钛的比例，从成分上有可能得到负正零(NP0)特性，通常高容性材料稳定性低于低容性材料，高K材料容性随时间会缓慢改变，最高可达几个百分点的程度。33 引线框架及引线材料 331 引线框架 封装：保护集成电路或混合电路的正常工作。 为使封装电路具有高的强度，引出线要求有一定的强度，成为集成封装电路的支承骨架-引线框架。 高速大批量生产时，引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲压而成

9、，如图35所示。 图35 连线冲压的引线框架及其封装根据引线框架的作用及其加工过程，引线框架材料要求以下特性： (1) 高强度和一定的塑性，保证材料有足够的刚性和成形性。一般要求抗拉强度大于450MPa，延伸率大于4。 (2) 低的热膨胀系数，良好的匹配性，钎焊性和耐蚀性。 (3) 良好的导电导热性。 (4) 高的加工性能和加工精度。 (5) 低廉的成本。框架材料占集成电路总成本的1/3一l/4，且用量极大，因此必须有低的成本。 按照导电性及强度，框架材料可分为高导电型、高强中导型。框架金属带材对成分要求严格，在轧制过程中，对轧机及轧制工艺(退火、厚度、板形辊面控制等)要求也很高。 高导电型：

10、无氧铜(99.96 (wt)Cu，10ppmO2)、Cu-Zr、CuAg、 CuFe、CuSn、CuCrZr、CuCrSn、CuFeMg 高强中导型：CuFe, CuFeCo, CuFeSn, CuZn, CuNiSi, CuNiSn 常用的引线框架材料有FeNiCo可伐合金、FeNi42及铜合金。FeNiCo可伐合金的热膨胀系数与陶瓷、玻璃极匹配，并有良好的成形加工性、钎焊性、硬度、弯曲强度和耐蚀性，但因含有Co(18(wt)而成本极高，逐渐被FeNi42及铜合金所替代。FeNi42有与可伐相当的热胀系数和强度，但其导热率、导电性明显不足。FeNi42目前被大量用做CMOS集成电路框架材料。

11、 铜合金：价格低廉，高的强度、导电性和导热性，通过合金化，能在很大范围内控制其性能。 目前常用的铜合金有CDAl94，CDAl95(Cu-2.3%Fe )。新型铜合金如高导型铜合金CuBe，CuCo， 高强中导型铜合金C19750，CuNiSn，CuNiMn， 以及弥散强化铜合金等。 集成电路的要求：集约化，微型化，精细化 引线框架新材料：纤维增强铝合金，FeN i42复铝条、可伐复银铜、可伐复铜、不锈钢复铜等复合材料 特点：基体材料强度高、热胀系数低，导电、导热等综合性能 良好。 3 32 引线和连接 集成电路与引线框架的连接金属引线接合法：利用极细的金属丝将框架引线端与半导体集成电路的端点

12、进行焊接连接，如图36所示。(所用丝材品种易于改变、生产率高且易于精确控制) 常用引线材料为金丝和铝合金丝。树脂封装时用金丝，陶瓷封装时用铝丝，如图37。 金丝：常用热压球焊进行连接，其焊接过程如图38所示。对热压球焊金丝的性能要求如下： (1)尺寸精度高。 (2)表面光滑，有金属光泽，无波纹。 (3)一定的抗拉强度和延伸率。 (4)熔化为金球时要求一定的正圆球状。 图3-6 集成电路与框架引线连接图37 金属引线的作用及集成电路的封装 a树脂密封 b陶瓷密封图38 金丝热压球焊工艺 半导体器件用金丝纯度大于9999。但该纯度金丝再结晶温度低、加工和保存过程中易时效变化。常加入极微量(0009

13、)的合金元素如铜、银、钙、铁、铍等来提高性能，添加元素、添加量以及均匀的添加方法是控制金丝质量的关键。 金丝的规格一般为1850m，根据材料的特性，卷丝长度和卷丝方式，种类极多，通常在集成电路和大规模集成电路的高速焊接中用高强度金丝，一般情况下使用消除了加工应力、延伸率为26的金丝。铝和铝合金丝 铝丝难于成形，常用超声波振动焊进行连接，该方法比热压球焊对元件的影响小。为避免生成铝金属间化合物而降低焊接强度，通常加入1的硅形成铝硅丝，对铝硅丝的性能要求有： (1)焊接后，引线仍保持适当的强度。 (2)添加元素对半导体器件无害。 (3)易于加工成细丝。 常用铝硅丝的直径为25一l00m，抗拉强度约

14、为329MPa，延伸率13.5。34 封装及封装材料 任何集成电路或混合电路，必须经过封装外壳才能使用： (1)将微电路内部元件与外界环境隔离。 (2)保护内部元件免遭外部危险触及。 (3)为内外电路提供电气连接。 封装要抵御的外部侵扰有：极端温度、压力、振动、冲击、腐蚀、摩擦、污染、辐射、光及不希望的电压或信号等，封装还应防止微电路局部高电压、射频或发热对邻近器件或人产生的伤害。 3 41 塑料封装 塑料封装主要有三种类型： (1)保角包封或浸封 装配好的电路基片浸入塑料中，干燥，固化 (2)灌封 将基片插入薄壁塑料壳(或使用可剥下的铸模)，倒入塑料流 体，最后固化 (3)模铸 将装配好的电

15、路基片牢牢固定在金属模内，在压力下注入熔融的热塑料，接着固化 abcd图3-9 集成电路的几种标准封装形式a-单列直插式(SIL)；b-双列直插式(DIL)； c-晶体管式；d-扁平式 342，金属封装 如图310，先把微电路基片安装在可伐管座上，然后用金属丝把基片焊点与可伐管座的引出线连接起来，可伐金属的热胀系数接近玻璃，热胀冷缩时，玻璃封接不会发生破坏。最后利用冷焊、电阻焊或铜焊把镍壳焊在管座四周形成全密封结构，金属封装的成本高于塑料封装，但它有良好的密封性，还能起电磁屏蔽的作用。图310 全密闭金属封装 343 陶瓷封装 陶瓷封装由氧化铝瓷座、瓷壁和瓷盖所组成(见图37b)，外引线穿过两

16、个瓷体间的玻璃封接层。与金属封装相反，绝缘陶瓷可进行电绝缘，非常坚固，且成本较低。 344 玻璃封装 玻璃封装类似于陶瓷封装，玻璃比陶瓷更脆，一般不用于大型电路，多用于小型电路的扁平封装，其封装的微电路往往是单片集成电路。混合电路中，玻璃元件的使用也很普遍，通常在膜、电阻、电容或半导体芯片表面涂覆一层玻璃。这层全密封玻璃保护有时单独使用，有时与外部塑料封装配合使用。35 集成电路基片材料351 概述 各种厚膜和薄膜集成电路都是在绝缘基片上制作电路的。半导体集成电路则除去用硅片作衬底外，也要用到绝缘的封装基片。 集成电路基片材料有许多要求，其中主要为： (1)电绝缘性能好； (2)机械强度大；

17、(3)高频特性好； (4)热膨胀系数与晶体管材料相近； (5)化学稳定性好； (6)热传导性好，易于散热； (7)价格低。 适合于作集成电路基片的材料有陶瓷材料、有机材料和涂层金属材料。使用陶瓷材料做基片在满足上述各项要求的综合性指标方面比较优越。 氧化铝是最常用的。氧化铍的热传导率很大，约为氧化铝的10倍，但价格高，而且有毒，所以不宜广泛使用。镁橄榄石价格低廉，但性能比氧化铝差。 3 52工艺和应用1、氧化铝基片 价格低，耐热性、热传导率、机械强度、耐热冲击性、电绝缘性、化学稳定性等都比较好，其制作和加工技术比较成熟，因而使用最广泛。 目前氧化铝基片大多用多层基片提高立体集成度。基片多层化技

18、术有以下三种： 厚膜印刷多层基片 在烧结的氧化铝基片上使金、铜等导体浆料和介电常数低的电介质浆料交互印刷积层，在850950烧成多层基片。 生片积层多层基片 在末烧结的氧化铝生片上形成通孔，将以钨、铂等高熔点金属为主体的导体浆料印刷成电路。印刷结束后，使末烧结片成多片积层，在还原气氛中一体烧结为多层基片。 生片印刷多层基片 在生片上交互地印刷钨或钼系浆料的导体和氧化铝浆料的电介质，而后一体烧结，制成的基片具有上述两法中间的性质，适于作数层的多层基片。其特点为改变设计容易，品种多样化，生产周期短。适用于存储器、中央处理机、传感器等多功能芯片组件。2 高热导性陶瓷基片 在陶瓷材料中，金刚石和氮化硼

19、的热导率比金属大，碳化硅、磷化硼、氧化铍、氮化铝的热导率不比金属差。目前认为氮化铝是最有发展前途的高热导性陶瓷基片。 氮化铝具有与金刚石结晶构造类似的钎锌矿型构造，为共价性氧化物，满足绝缘体具有高热导率的结构条件。氮化铝陶瓷具有与硅接近的热膨胀系数，强度高，可以常压烧结，可以采用与氧化铝相似的基片制造工艺流程。 氮化铝：约2790分解，难烧结，为了完全致密化，常压烧结时必须使用烧结助剂。 助剂种类：稀土氧化物或碱土氧化物，如氧化钇或氧化钙。烧结后与粉末中的杂质氧反应，生成助剂铝氧系复合氧化物，可以熔解，使氮化铝致密化。添加助剂抑制了氧向氮化铝粉末中的固溶，也使铁、硅等其它杂质进入液相，从而提高

20、了氮化铝的热导率。 与氧化铝相比，氮化铝具有同样的优异性能，而电阻率较高，介电常数较低，热导率较高(为氧化铝的3一10倍)，热膨胀系数较低(接近晶体管材料硅)。因此，氮化铝是用作集成电路基片的较优越材料。 碳化硅陶瓷基片：以SiC为主，掺以0.13.5的BeO，然后热压而成。其中SiC粉的粒径约2m，BeO粉粒径10m 。这种陶瓷的热导率比BeO高，电阻率比BeO低，介电常数比BeO高得多，热膨胀系数与硅单晶相近。这种新型碳化硅陶瓷可用于制造厚膜集成电路的安装基片、集成电路的封装外壳和大功率晶体管的散热片等。3 低温烧成基片 氧化铝基片可以与导体同时烧成。但只有钨、铂等高熔点金属能耐1500，它们的电阻率高，制成的集成电路基片由于配线中电压降大而使动作的动力范围变小，不能使导体线幅进一步变窄以实现高密度配线。 低温烧成基片：陶瓷烧结温度低于1000的基片。由于烧结温度低，可以使用金、银、铜等低电阻率的金属做配线材料。目前低温烧成基