烧结温度对电阻的影响

摘要摘要钉系厚膜电阻以其优良的电气性能、良好的工艺重复性、稳定性好、阻值范围宽和可在大气中烧成等一系列优点，在厚膜集成电路中占有重要地位。本文介绍了钉基厚膜电阻的概念，应用，发展状况，工艺流程和四种种导电机理。实验主要用到的是钉基厚膜电阻，主要是由钯银制成的。主要用隧道效应理论，通过实验可以得到不同峰值烧结温度、不同保温时间、不同升温速率时，厚膜电阻的方块电阻阻值及热温度系数也随之变化的结论。当峰值烧结温度较低时，形成的电阻体结构不致密、不均匀，导电颗粒之间和电阻体与电极之间的接触电阻大，厚膜电阻器呈现大的方块电阻阻值，当烧结峰值温度较高时，导电链中导电颗粒直接接触的几率下降，厚膜电阻器的方块电阻阻值也会比典型峰值温度烧成的高。关键字：厚膜电阻器温度方块电阻钉基ABSTRACTRuO2thickfilmResistanceoccupiesanimportantplaceinthethickfilmintegratedcircuitduetoitsseriesadvantagegoodrepeatability,stabilityandwindrangeofresistance,burningintheatmosphere.Thispaperintroducestheconcept,itsapplications,thedevelopmenthistoryofRuO2thickfilmresistance,thetechnologicalprocessanditsfourkindofconductionprinciple.thisexperimentmainlyusesRuO2thickfilmresistancewhichismadeofresistancepastewhichiscomposedofAgandRu.Tunneleffectinsemiconductorscanexplaintheconclusionthatwhenthetemperature,theholdingtimeandtheheatingratesisdifferent.SheetresistancevaluesofthickfilmresistanceandRTCarealsodifferent.Whenthepeaktemperatureislow,thestructureformingoftheresistanceisnotdensityanduniform,contactresistancebetweenconductiveparticlesandbetweenresistanceandelectricpoleislarge,tickfilmresistanceshowbigsheetresistancevalues.Whentheturningtemperatureishigh,theprobabilityofconductionbetweenconductiveparticlesislow,thesheetresistancevalueofthickfilmresistanceishigherthanthetypicalpeaktemperature.Keyword:thickfilmresistanceconducttemperaturesheetresistanceRuO2目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章绪论1\o"CurrentDocument"1.1厚膜集成电路11.1.1厚膜集成电路的特点1HIC的应用21.1.3厚膜工艺原理3\o"CurrentDocument"1.2厚膜电阻的概述4概念4用途6\o"CurrentDocument"1.3厚膜电阻的发展历程6\o"CurrentDocument"第2章厚膜电阻的工艺流程及导电机理7\o"CurrentDocument"2.1工艺流程72.1.1基片的选择72.1.2厚膜导体浆料92.1.3厚膜电阻浆料102.1.4厚膜玻璃介质浆料102.1.5电阻修边（调方）112.1.6丝网印刷工艺12\o"CurrentDocument"2.2导电机理132.2.1钯一银合金导电机理142.2.2氧化钯的半导体导电机理142.2.3金属或合金颗粒的接触电阻导电机理152.2.4隧道效应导电机理16\o"CurrentDocument"2.3隧道势垒模型172.3.1隧道势垒模型的概念172.3.2隧道势垒模型的基本内容18\o"CurrentDocument"第3章烧结温度对厚膜电阻的影响21\o"CurrentDocument"3.1厚膜电阻浆料213.1.1厚膜电阻浆料分类213.1.2电阻浆料的制备21\o"CurrentDocument"3.2烧结温度对厚膜电阻的影响223.2.1工艺工程数据223.2.3实验数据及初步结论22\o"CurrentDocument"第4章影响厚膜电阻性能的因素及展望25\o"CurrentDocument"4.1工艺缺陷的成因及消除方法254.1.1线条变形,边缘呈锯齿状254.1.2烧成中起泡254.1.3激光调阻后，阻值不稳定254.1.4红外再流焊对表面组装元件的损伤264.1.5再流焊中形成的锡珠26\o"CurrentDocument"4.2展望274.2.1避免起泡274.2.2避免激光调阻的影响274.2.3避免红外再流焊的影响274.2.4避免再流焊中形成的锡珠27\o"CurrentDocument"第5章结论29\o"CurrentDocument"致谢31\o"CurrentDocument"参考文献33第1章绪论1.1厚膜集成电路厚膜电阻是厚膜电路中最重要的元件，其发展最早、制造技术也最成熟。目前已广泛应用于厚膜及混合集成电路中。现在有人用BaPbO3制作出了厚膜电阻，其性能与RuO2相似，但价格要便宜很多。钉系厚膜电阻以其优良的电气性能、良好的工艺重复性、稳定性好、阻值范围宽和可在大气中烧成等一系列优点，在厚膜集成电路中占有重要地位。厚膜电阻的浆料组分复杂，可分为导电相，玻璃相，有机粘合剂和改性剂。厚膜电阻主要应用于厚膜集成电路（HIC）中，它是厚膜集成电路的重要组成部分，下面介绍HIC的特点及其应用：1.1.1厚膜集成电路的特点厚膜集成电路的特点有如下几点：电路小型而轻便采用微细电路图技术及多层印刷技术，全部元器件的连接在HIC的内部实现，为此和分离元件的电路相比，其体积和重量减小到1/5-1/30。整体成本下降厚膜混合集成电路组合了很多部件以满足所需功能，从而可大幅度地减少周边线路的部件数量，结果不仅节省组装过程中的劳动力，而且还可以减少购买检测设备的成本从而实现整体成本下降。特别是在产品开发阶段，由于批量原因作单块集成电路的情况下，使用HIC更为方便。保证高度可靠性由于个无件间连接布局合理，可大幅度地减少接点的数目，另外，各元件产生的热量是通过散热性能良好的氧化铝基板散热。因此基板的整体温度均匀性良好，还可以通过理想的密封技术来保证更高的可靠性。能和高稳定度由于整体线路的小型化，使导线长度缩短，线路间的相互干扰下降，整体的温度平衡良好，因此可实现电阻的功能调整，以补偿内部元件的性能偏差，可生产高精度产品。可简化周边线路在HIC中可以贴装IC、变压器、三极管、二极管、半导体整流器、电阻、电感、电容等元件，因此周围电路得到简化，可以实现无调整化，维修合理化。HIC的应用厚膜混合集成电路的应用十分广泛，遍及TDX交换机、调制设备、电话机、信号发生器、衰减器、检测仪器、PAGER、无线电话机、TV、VTR、AUDIO、汽车音响、收音机（AM，FM）、电子玩具、调压器、照相机、医疗仪器、电子控制设备、汽车电子、微机外围设备、雷达系统、导弹系统、激光系统、探测系统等诸多领域。下面具体介绍它在几种电子产品中的应用：1家电用HIC大屏幕彩电用滤波器厚膜芯片；大屏幕彩电专用梳状滤波器厚膜芯片具有体积小，电气性能稳定等特点，并可根据用户的需要设计成各种规格尺寸。监视器用聚焦器2传感器类湿度传感器结露传感器近距离传感器3汽车用HIC汽车音响消噪器电压调节器汽车高能无触点电子点火器仪表用电位器音调控制器波形均衡器4通讯设备用HICa.程控交换机用HICb特基热发射和热活化隧道效应的综合.电话用HICUPS电源用HIC1.1.3厚膜工艺原理厚膜是指在陶瓷基片上用印刷、烧结工艺或喷涂技术所形成的厚度为数微米至数十微米的膜层。采用印刷、烧结法，为适应丝网印刷工艺需将各种厚膜材料与有机载体调制成一种粘稠的均匀悬浮体，这种悬浮液体称为厚膜浆料。浆料配置好后，用丝网印刷机把浆料印在Al2O3基片上，形成一定的几何图形的模式元件，这种印刷膜元件经过一定温度烧成，将有机物烧掉，而使厚膜材料与玻璃粉在高温下通过固相反应形成具有一定结构和性能的厚膜层，其牢固地附着于基片表面。如此膜层材料的厚度约为数十微米，故被称为厚膜材料。厚膜制备过程：1、将Al2O3基片用自来水冲洗后，再经超声清洗，放在稀盐酸的烧杯中浸泡数小时，用镊子取出放入培养皿中，用去离子水反复洗干净，然后烘干备用；2、根据要印刷的图案刻好膜版；3、将烘干的Al2O3基片置于印刷机的平台上，开动抽气机使基片牢牢地被吸附在平台上，然后将其选好的模板使模孔对准基片将它贴于网上；4、搅拌浆料，印刷。1.2厚膜电阻的概述1.2.1概念厚膜电阻是由电阻浆料经印刷和烧结等工序制成的元件，烧结后的电阻器主要由导电相和粘结相组成。粘结相通常为玻璃，它将导电相的颗粒粘结在基板上，是厚膜电阻具有所需的机械性能和电性能。普通的厚膜电阻器是厚度约为20_、m的立方体，如果控制其厚度一定，则可用长宽比来决定该电阻器的电阻值。厚膜电阻的长宽比从最大的10:1至最小的1:10，对电阻值相同的印刷油墨，其面积只能在10到1/10范围内变化。要想获得这一范围外的电阻值，则必须改用不同电阻值的浆料。另外，厚膜电阻器膜厚的准确性与均匀性将直接影响产品的成品率。厚膜电阻值通常用方块阻值表示，他的符号是:R口。电阻表示一个均匀导体的电阻正比于导体的长度L,反比于导体的截面积S。如果此导体是宽为W,厚度为D的薄层，则:R，"二*⑴其中L,d,W分别为电阻长度，厚度，宽度。电阻阻值R是P、L、w、d的函数即：R=f(P,L,w,d)(2)式中的P是浆料本身的特征，它决定了电阻的准确度和可重复性，对于特定的浆料而言，这是一个定值。而L、w、d这三个变量是由浆料和丝网的一些特性决定的，它们界定了电阻的分辨率和可重复性的范围。这就意味着，电阻的厚度和丝网分辨率成为影响电阻公差的决定因素。根据厚膜电阻的一般规则，P、L、w、d的变化范围分别为±10%、±2%、±2%、±10%，所以式LU：就可表征为:R=［（P±10%）X（L±2%）］/［（d±10%）X（w±2%）］（3）从式（3）可以计算出R的范围应为：［（1-10%）X（1-2%）］/［（1+10%）X（1+2%）］.［（1+10%）X（1+2%）］/［（1-10%）X（1-2%）］=0.7861〜1.2721,即R的偏差一般可控制为：-21.39%〜+27.21%,此偏差可以大致折合为±27%。也就是说，按常规的厚膜制版与成膜工艺技术，在不进行激光微调的情况下，埋置电阻的最高控制精度可以达到土27%。由式（3）可以看出，当通过实验测定P的值后再设计电阻时，可以有效地提高埋置电阻的精度。可见，薄层电阻与（-…）成正比，比例系数（：_■），这个比利系数叫方块电阻，用R口表示，（、-）成为方数。即R=R口、。R口的单位为欧姆，用符号〃/口表示。当L=W时，有R=R口，这时R口表示一个正方形薄层电阻，它与正方形边长的大小无关，故称为方块电阻。方块电阻的测量方法，四探针法：用四根间距相等的探针与待测薄层电阻表面接触，外面一对探针间通过电流I,从中间一对探针间测量电压VOR口=CC［），式中C称为修正因子，是一个与探针间距，样品尺寸等因数均有关的数，具体数值可查表得到。电阻浆料是用来制作厚膜电阻的材料，一般包含三部分：功能相、粘结相和有机载体，其中有机载体主要是分散功能相和粘结相，使浆料具有一定的粘度适于丝网印刷。它通常包含溶剂、增塑剂和添加剂（如触变剂、活性剂等）。有机载体应具有以下特点：粘度适中，保证浆料有一定的流动性适合丝网印刷；触变性，印刷后能使浆料保持好的形态；润湿性，均匀的分散粘结相和功能相而不产生团聚沉淀；挥发性，具有层次性而不是集中在某一温度范围以避免出现孔隙或裂痕。1.2.2用途集成电路可以分成两类，一类是半导体集成电路，另一类是混合集成电路。混合IC有两种：一种是薄膜IC，它是应用真空蒸发喷射法的薄膜技术制造的；一种是厚膜IC，它是应用丝网印刷厚膜技术制造的。随着微电子技术的发展，当然包括集成电路的快速发展，厚膜电阻主要应用在厚膜IC中。用丝网印刷方法形成厚膜IC的导体及厚膜电阻、电容与薄膜形成技术制作的电阻、电容器比较，用厚膜制造容易，可靠性好，而且所需生产设备投资少。1.3厚膜电阻的发展历程早在上世纪50年代就有美国杜邦公司（DuPond）首先开发出了Pd/Ag—PdO为主的厚膜电阻浆料，应用于IBM公司的360计算机上。60年代开发出了Ru2O电阻浆料,70年代出现了钉酸盐系列的电阻。厚膜电阻浆料的组分复杂，可分为导电相（Pb2Ru2O6,Bi2Ru2O7，BaPbO3,Ru2O,Pd/Ag—PdO等）；玻璃相（如硼硅酸盐玻璃，铅、硼、铝硅酸盐玻璃等）；有机粘合剂（有机树脂与溶剂等）和改性剂。国内对厚膜电阻（尤其是钉系厚膜电阻）的研究起步不晚，昆明贵金属所等多家单位早在70年代初期就开始研究，并有了一定的成果和应用。中科院合肥智能所上世纪80年代中期研究厚膜力敏传感器，对钉酸盐电阻进行了一定的研究。近几年，华中科技大学东南大学昆明贵金属所等在导电机理研究方面取得一定进展，如提出用肖效应来解释应变系数与表面电阻率的变化关系，台湾国立成功大学用有效介质理论来建立BaPbO3基厚膜电阻的传导模型，解释了温度特性和电场特性等。

第2章厚膜电阻的工艺流程及导电机理2.1工艺流程厚膜电阻的结构如图1所示，其制作工艺过程如下：陶瓷基板准备一导体浆料（导电油墨）准备一制作丝网印版一导体浆料丝网印刷一干燥一电阻浆料（电阻油料墨）准备一电阻浆料丝网印刷一干燥一电阻烧结一电阻调整（激光调整）一检验一成品。1一厚膜电阻2—玻璃涂层3一导体4一引线孔及孔的连接端子4一引线孔及孔的连接端子5一基板2.1.1基片的选择在混合集成电路中，基片起着承载薄厚膜元件、互连、外贴元件和器件以及包封等作用。在大功率电路中基片还有散热的作用。在通常的混合电路中薄厚膜阻容元件、互连导电带等是直接淀积在基片上的，而一些外贴的阻容元件、晶体管、半导体集成电路等，则按照电路设计被“贴”在基片上的一定部位从而成为混合集成电路，然后再封装。在混合集成电路中，基片是直接与薄厚膜元件相接触的，因此，基片本身的性质对混合集成电路的性能，生产中特别是可靠性和可重复性等关系非常密切。在混合集成电路生产中，基片通常是外购的，对于混合集成电路的设计者和制造者来说，关键在于怎样选择、正确应用和充分发挥基片材料的特性，使得制造出的电路既稳定可靠，又成本便宜。混合集成电路对基片的要求：基片平整度、光洁度高。目前的薄厚膜集成电路大部分直接做在基片上，为了保证能得到和好的工艺重复性和便于自动化生产，几篇表面一定要非常平整。例如，对膜厚为10—25微米的厚膜，基片的光洁度应小于3微米。良好的电气性能。基片应该具有良好的绝缘性能，即要有高的电阻率。基片还应有小的介电常数S和低的介质损耗。否则会产生过大的寄生电容。高的导热性。随着集成度的提高和运用功率的增加，在一些功耗元器件特别是大功率晶体管和电阻器附近，会发生大量的焦耳热，如果这些热量不及时散发出去，将使电路过热而损坏。因此高的导热系数有时成为大功率电路选择基片的重要条件。与其他材料相匹配的热膨胀系数。这种膨胀系数的匹配，可以减少温度循环、温度冲击、焊接和电路功耗变化等引起的热应力。在实践中发现，如果基片与膜装材料的热膨胀系数相差较大（不匹配），热应力足以把膜从基片上剥落下来，或使电路不稳定。基片的热膨胀系数对膜状电阻器阻值的一致性相电阻温度系数（TCR）比有直接关系。良好的机械性能。基片应具有高的机械强度，除搭载元器件外，也能作为支持构件使用，加工性好，尺度精确性高，容易实现多层化，能承受冲击、离心试验时的强应力和焊接、封装、温度循环等的热冲击。高稳定性。基片应对清洗、光刻、阳极氧化等工艺过程中使用的各种化学试剂稳定，不被腐蚀。在中温和高温下，基片应不向外挥发物质，再结晶温度高，基本上保证表面结构不随温度而变，并且与淀积材料不发生明显的化学反应和互扩散等作用。良好的加工性能。随着淀积技术的提高，有时为了降低成本而采用大片工艺，即在在一片较大的基片上制作出许多块相同的无源膜网络，然后再将它切割划片成一个个的小片。这种情况所选用的基片应当便于切割；或者从工艺上考虑，在基片上做出纵横交叉的沟槽。另外，在多基片重叠组装结构和微波集成电路的场合，由于装配工艺的需要，常常要求基片适于打孔。价格便宜。为了降低电路成本，在保证电路性能情况下，尽可能选用价格便宜的基片。其他性质。化学稳定性好；容易金属化，电路图形与之附着力强；无吸湿性，耐油，耐化学药品，土射线放出量小，所采用的物质无公害、无毒性，在使用温度范围内，晶体结构不变化，原材料资源丰富，技术成熟，容易制造。常用的基片材料有玻璃，陶瓷。玻璃的还成本低。容易获得表面光洁度高而平整度好的基片。玻璃的性能可通过改变其化学成分加以调节和控制。玻璃基片成本随低，但有以下缺点：（1）抗碱离子迁移力差。玻璃中碱离子迁移是造成薄膜电阻器长期不稳定的原因之一。（2）导热系数小。因为电路集成密度受到限制。（3）化学稳定性差。易被清洗液、电解液等腐蚀，是电路可靠性和成品率降低。（4）机械强度差。例如采用热焊压并由于玻璃热导系数低，易发生热冲击损坏。特别在溅射时，热冲击往往是导致玻璃基片破碎的主要原因。陶瓷基片特别是氧化铝陶瓷基片的价格较低，从机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性等方面考虑，综合性能最好，所以在混合集成电路中一直被广泛采用。目前用于薄膜电路的主要是96%和99%的氧化铝陶瓷基片。而在厚膜电路中，除用96%氧化铝陶瓷基片外，还用氧化钹、钛酸钡陶瓷基片，在少数场合也用块化石、氧化错、氧化镁陶瓷等做基片的。2.1.2厚膜导体浆料厚膜导体是混合集成电路中的一个重要组成部分，它在电路中做有源器件与无源元件的互连线、多层布线、电容器电极、外贴元器件的焊区、电阻器端头材料、低阻值电阻器、厚膜微带以及包封等作用。因此厚膜导体性能的优劣，对混合集成电路的性能、可靠性等均有重要的关系。厚膜导体中导体材料分贵金属和贱金属两类。厚膜与基板的附着力或由导体金属自身的化学结合来实现。对厚膜导体金属的要求主要有以下几点：1、电导率高，且与温度的相关性小；2、与玻璃布发生反应，不向厚膜介电体及厚膜电阻体扩散；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、温度变化不产生局部电池，不发生电蚀现象；9、资源丰富，价格便宜。基于上述要求，Ag、Ag—Pd、Cu、Au等能够较好的满足要求，实现采用较多。2.1.3厚膜电阻浆料厚膜电阻主要是指采用厚膜工艺印刷而成的电阻。这种电阻有长方形，带型，曲线型或者其它的形状。常用在精密电阻，功率电阻的制造中。常用的厚膜电阻采用金属钉系列电阻浆料印刷烧结而成。电阻浆料包含氧化钉，有机溶剂和玻璃珠，烧结后的电阻有两方面组成：氧化钉本身的电阻和势垒电阻。2.1.4厚膜玻璃介质浆料常用的厚膜浆料型号：I—4337、I—4347、I—4350、I—4385、I—4389I-4337应用于厚膜电阻、电阻网络、聚焦电位器高压电阻、玻璃釉电阻、敏感元件。特点：浅绿色、500摄氏度烧结、印刷性好、与电阻匹配性好。I—4347应用于厚膜电阻、电阻网络、聚焦电位器高压电阻、玻璃有电阻、敏感元件。特性：浅绿色、500摄氏度烧结、印刷性好、与电阻匹配好。I—4350应用于厚膜电路、电阻网络、聚焦电位器高压电阻、玻璃有电阻、敏感元件。特性：天蓝色、520-530摄氏度烧结。I—4385应用于厚膜电路。特性：蓝色、850摄氏度烧结、绝缘电阻高、耐压强度大、介电常数小。2.1.5电阻修边（调方）混合IC中使用的无源器件有电阻、电容、电感等，这些无源器件都是以片式或膜元件的形式构成混合IC，其中膜元件以电阻为主。一般来说，电容元件、电感元件的电容量、电感量有严格的要求，多使用片式元件，特别是厚膜电阻体。厚膜电阻体一般是在陶瓷基片上，利用厚膜浆料，经丝网印刷、干燥、烧结而成的。在实际制作中，即使对浆料成分、印刷工艺、膜厚、烧成，与电极的匹配等严格控制，其阻值与目标值的误差也只能达到二20%。为了在已经制成的厚膜电阻体的基础上，获得所需要的电阻值，一个重要的手段就是修边。从提高成品率和阻值的精度来讲，修边是必不可少的重要技术。单个元件的各种修边方法：1、喷粉研磨法（喷砂法）用高压气体将粒径5--50微米的氧化铝粉末从喷嘴高速喷出，磨削电阻体。优点:a、不象激光及放电加工法那样要对电阻体进行高温切割，基本上不发热，不存在热变形区，电阻体不会发生微裂纹，研磨后组织稳定。b、与激光法比较，喷砂法不会影响电阻体的颜色和种类。c、通过选择喷嘴形状可以在相当大的范围内调节研削宽度。缺点:a、喷嘴口径的大小，氧化铝粉末的粒径，喷嘴粉末的扩散状态等相互制约，加工宽度宽，微细加工比较困难，不属于高精度修边工艺。b、由喷嘴喷射出的微粉末射向基板附近时，会发生扩散现象，从而会对其它靠近的元件产生影响。c、修边结束时，套筒节流阀动作相对于控制器有一滞后时间，致使该段内将有多余的微粉末喷射出，控制不当会发生过研磨现象。2、激光修边法采用高能量密度，小脉冲宽度的激光使电阻体部分蒸发，对其进行切削，用以调整其阻止，目前已成为修边工艺的主流。激光法普及的原因：a、激光能量可以集中于微小尺寸范围内，加工宽度窄，可以对更微小的电阻体进行修边加工。b、与被加工物间无机械的、电气的接触，可以在回路运行状态下进行功能性修边加工。c、激光的开关控制极快，可以进行高精度、高速修边加工。d、装置所有关联的部件都可以由计算机控制，容易实现制动化，修边加工的可靠性及重复性都有保证。3、阳极氧化法4、电加工修边法5、脉冲电压法由于实验室条件的限制，只能用易用的砂轮对膜电阻进行调方。在正反面电阻烘干后，烧结前，电阻的阻值均为无穷大。2.1.6丝网印刷工艺在漏印网版与基板之间保持一定间隙（又称为丝网间隙、离版间隙、脱离高度），用刮板以一定的速度和压力使浆料从漏印网版的上方按图形转写在基板上，股又称为丝网漏印。在电子封装工程中多采用脱离式丝网印刷技术，即印刷后，丝网靠自身的张力，自动使丝网与基板脱离，而不用机械的方法脱离。丝网印刷的过程：1、在漏印网版未开口部位有刮板以一定的压下量和速度刮送浆料；2、刮送的浆料在漏印网版的开口部分被压入填充；3、刮板传过后，与基板贴紧的网版与基板脱离；4、浆料靠自身的粘结性附着在基板上，形成漏印图形，完成转写过程。丝网印刷是制作厚膜电路的主要方法。我们制作简单混合电路，整个工程要反复多次进行丝网印刷、干燥、烧成过程。设备投资较低，具备印刷机、干燥炉、烧成炉即可成膜。丝网印刷厚膜IC要注意的问题1、正确选用丝网和网宽选择丝网要注意材料、张力、弹性、丝网数目、线径、开度、形状等。印刷厚膜IC电路的丝网多采用不锈钢丝网。丝网目数一般电路印刷选用200目到300目，选用网框要注意框架构造、平坦度等。印刷厚膜IC电路的丝网网框多采用硬铝或铝合金，网框大小原则是漏印图形的两倍，以保证漏印图形的精度。2、网版制作首先要选用合适的感光胶。要质疑感光胶乳剂的种类、厚度、均横性。要选用高分辨率的感光胶，由于以手工刮胶的方法进行涂布很难达到胶膜厚度的精确和胶膜厚度的均匀性，为保证感光胶膜厚度的一致性和精确性，应采用感光胶自动涂布装置，涂布后的感光胶层可用自动侧膜厚度仪进行监控；采用直接晒版模片，具有极精确的膜片厚度和极佳的膜厚一致性，以及极容易的工艺操作特性；3、印墨使用通过丝网印版印在陶瓷基板上的浆料，经高温烧制，有机树脂连接料被燃烧掉，剩下的几乎是金属导体或电阻材料。厚膜IC一般用银墨做导电材料，或银钯，银钯钹等印墨做导电材料。电阻印墨主要是银、金、钯等金属粉末，要注意印墨的溶剂、连接剂的种类，印墨的粘度、触变性，保证流变性均一分散。4、印刷技术要点厚膜IC以陶瓷为承印体，其表面坚硬、不吸收印墨，只有丝网印刷可以顺应承印体的形状，印迹较厚，适宜厚膜IC无源元件印刷°IC的丝网印刷图是微型的，要求印刷精度很高，所以对印刷机，印刷、基板、油墨等都需要高精度的要求，印刷场所也应保持恒温、恒湿，并保持无尘洁净。印刷重要注意刮刀的压印速度、方向、刮印角度、压力大小，要保证速度与精度的一致性。要质疑基板的表面状态、弯曲度、平行度、洁净度、尺寸精度等。2.2导电机理厚膜电阻是由电阻浆料经印刷和烧结等工序制成的元件，烧成后的电阻器主要由导电相和粘结相组成。粘结相通常为玻璃，它将导电相的颗粒粘结在基板上，使厚膜电阻具有所需的机械性能和电性能;尽管厚膜电阻的组成材料不太多，但其结构和导电机理到目前为止还未完全弄清楚，因此有必要对其结构和导电机理进行分析和探讨。通过对厚膜电阻微观结构的分析，我们把厚膜电阻的导电结构看成由许多导电链的串并联构成；由于厚膜电阻器的导电材料不同，结构和导电机理也有所不同，因此，以厚膜电阻中常用的把一银电阻（Pd—Ag玻璃系）材料为研究对象，来分析其导电机理。2.2.1钯一银合金导电机理通过在Pd一Ag电阻材料中适量加人金属Ag改变Pd一Ag合金的结构，从而改变其导电性能。厚膜电阻中的Pd一掩玻璃釉电阻在烧结过程中，Pd和Ag发生合金化反应，生成Pd—Ag固熔体，其性能与Pd—Ag块状合金类似，但由于仅是部分合金化，其中含有一定量的PdO,所以Pd-Ag合金的电导小，电阻温度特性差;如果在电阻材料中适量加人金属Ag，使其与Pd合金化，则钯银合金的生成将使氧化把颗粒状接触变成部分固熔体的结合，促使了导电网络的形成。这种用附加金属来强化和稳定粒子之间的结合的结果，将使电导增加、噪音降低、温度特性得到改善。难熔化合物的玻璃釉电阻多数是化合物与相应的金属粉末混合来制取的，例如，碳化钨中加人金属钨。2.2.2氧化钯的半导体导电机理经过焙烧后的把银电阻膜中的主要导电成分是氧化把和把银合金，其微观结构简图如图1所示。测量表明，Pd一掩玻璃釉电阻本身是一种P型半导体;对PdO的分析也表明氧化把也是P型半导体，因此，可以认为Pd-Ag玻璃釉电阻的导电过程主要受PdO的控制；在氧化把以及类似的金属氧化物半导体中，空穴的形成主要是由于金属离子的空位或氧的过量所造成的，每一个Pd2+空位可设想为形成两个Pd3+的中心以保持电中性，Pd3+迁移到Pd2+位置伴随着空穴的运动，这样，如果掺杂，便可对电阻率产生很大的影响。当引人一价离子Li+时，可以增加Pd3+子十中心的浓度，从而提高空穴载流子浓度，也就提高了电导率;当引人3价或更高价离子，则减少Pd3+中心的浓度，即减少空穴的浓度而使电导率降低，在PdO中掺杂的影响是明显的。对Pd一Ag玻璃釉电阻也引人Li+和Sb+扩十进行试检，结果电阻R变化达几个数量级，如图2所示为加人Sb对R的影响。图1Pd-Ag厚膜电阻的微观结构024<i810SUOt含盆（强）图2Sb2O3的百分含量对R的影响2.2.3金属或合金颗粒的接触电阻导电机理厚膜电阻的电阻体内导电粒子接触电阻的变化对其导电性能有很大影响，接触电阻增大，导电性下降；接触电阻减小，导电性增加。厚膜电阻的电阻体内导电粒子的受力状况对接触电阻有一定的影响，进而对厚膜电阻的阻值、稳定性都产生一定影响。厚膜电阻的导电相、玻璃釉、基片三者的热膨胀系数应尽可能匹配，否则，在膜层中会造成极大的应力，这种应力的存在将严重影响厚膜电阻的阻值及温度系数大小。电阻体内颗粒状导电物质接触，将使接触电阻升高，因而使厚膜电阻的导电性、温度系数和噪音特性变差。我们假想让颗粒之间发生扩散或生成固溶体，使之变成所谓颗粒状接触或近乎均一相的导电链结构，方法是在厚膜电阻材料中添加某种金属进行合金化，熔融重结晶，在烧结过程中通过反应生成第3种中间相组成导电链等。例如，在厚膜电阻体中Pd一Ag合金包围了PdO颗粒，就象用“焊剂”将颗粒“焊合”似的，改善了颗粒的接触状况，从而提高了厚膜电阻的性能，使厚膜电阻的电阻温度系数得到大大改善，降低了噪音。在介绍的多种导电机理中，隧道势垒模型较为成功，它认为电子在电阻中的传导由隧道过程决定，有关的电特性都可由隧道过程给出，较合理的解释了多种实验现象，如厚膜电阻的温度特性，电场特性，热电效应等。同早期导电模型相比,隧道势垒模型和钉基厚膜电阻的微结构较为接近。那么下面着重介绍随道势垒模型。2.2.4隧道效应导电机理隧道效应导电机理的微观结构模型认为，导电颗粒（PdO等）及其凝聚体在玻璃中形成许多互连的导电链而构成复杂的三维导电网络，而导电链又是由许多互相接触的或被玻璃层隔开的导电颗粒组成，这些颗粒之间的隧道效应导电机理在很大程度上决定了厚膜电阻器的阻值和导电性能。图3为厚膜电阻导电链的局部结构示意图，由图可知，沿导电链的单结电阻可以看成是由导电颗粒的电阻R二和颗粒之间的势垒电阻R、构成，在一般情况下，整个厚膜电阻器的特性主要取决于单结电阻的特性。1玻璃2金属氧化物3玻璃薄层图3厚膜电阻导电链结构示意图由以上可知厚膜电阻的微观结构和导电过程是很复杂的，他受到多种因素和制造技术（特别是烧成条件）的影响。因此，本节讨论的几种机理只是从不同角度出发进行定性的分析，尽管这几种理论对于实际生产和试验中出现的某些现象还不能完全进行解释，但不外乎是以上一种或几种理论的组合；从而为我们进一步理解厚膜电阻的导电过程提供了很大的帮助。2.3隧道势垒模型2.3.1隧道势垒模型的概念隧道势垒模型由pink等人于1977年提出。通过对杜邦公司dupondbirox1200(d—1200),dupondDuPontBirox1400(D-1400),Cermally500(C-500),以及D-Prototype(D-Proto)系列厚膜电阻的微结构进行分析研究，Pike认为厚膜电阻的导电颗粒互相连结成链，链与链交织成网。这些导电粒子并不直接接触而被玻璃隔开，形成很薄的势垒层。电子通过隧道效应在势垒层传导。厚膜电阻的总阻值：代二盅.十弁仆二、>七十蹈TOC\o"1-5"\h\z—I—⑴式中：Rm为导电颗粒的阻值,Rb为势垒层的阻值,Rm<Rb。对式(1)中的Rb，Pike通过对夹在金属中间(含自由电子)的简单势垒层的理想模型(M-I-M)作进一步推导近似得出:对于理想M-I-M模型,其电阻Rb可用下式计算：/、/./「「,、,]Rb(V,T)=V/j=v/LJD(Ex,V)N(Ex,V,T)dEx」⑵其中:V是跨越势垒层的电压，；j是势垒层中的电流密度;Ex是与势垒运动相关的电荷能;T是绝对温度;D(Ex,V)为势垒传输系数，用来描述势能为Ex的入射电荷隧穿势垒层的概率；N(Ex,V,T)是供给函数，表示金属电极提供的可穿越势垒层的电子数量,对应着电子转移过程。因此Rb与穿越势垒层的载流子数目成反比例,而载流子数目又和费米函数fEc成比例「20]。在实际的厚膜电阻中，势垒层和理想M-I-M模型有两点不同：电极是小的金属性粒子，而不再是半无限的金属片。转移一个电荷所需的能量是很小的离散能级，对应着金属性粒子的不同电荷状态，电荷得失遵循经典静电效应。因此，厚膜电阻转移一个电荷所需的能量Ec可用下式计算Ec=：Q2\C=e2\4互(3)式中：E为势垒层的相对介电常数，约为7；r是导电粒子的半径，约为0.2um；

s是粒子间距；K是r和s的函数，约为3。由式⑶计算出的Ec=340ueV，激活能是转移电荷能的一半，也就是--Ec=170uev。和理想模型相比,实际的厚膜电阻势垒层中存在杂质。这些杂质来自不纯的有机溶剂、玻璃中的钙杂质或者溶解在玻璃中的金属氧化物。一般认为杂质作为谐振中心降低势垒高度，使式(2)中的势垒传输系数D(Ex,V)增加。2.3.2隧道势垒模型的基本内容一、温度特性Pike对D-Proto系列的电阻进行温度特性试验，结果绘于图1。IJp|n-iiiiniii!HAlliifkI'ilm(_Li如，曲丘专IIJp|n-iiiiniii!HAlliifkI'ilm(_Li如，曲丘专Iu一lg_l--1时el-一］【膈二I-1«：顾忻3W皿Q|IJ，日■■3==1伊，IL】代”由图1可见,低温区方阻值越高电导越小。对曲线进行解释，温度主要影响模型中三个方面。①随温度升高金属粒子的电导减少(500.750X10-/K)，隧道导电为非金属性的，有正的温度系数，对于简单的M-I-M模型可用下式计算[22]当满足:aT<1,有Gb(T)=Gb(0)[aT/sin(aT)](4)a是势垒层的势势垒高度，与金属的费米能级有关。温度对势垒层中的谐振中心的影响，尤其是当谐振中心不是均匀分布时。转移电荷能Ec也受温度影响。有限电极的电导Gb.finite与理想的无限电极情况下的电导Gb.infinite以及费米因子f(:Ec)之间有如下关系[23]Gb.finite(T)=2Gb.infinite(T)f(二Ec)(5)对于图1所示低温区表现出的方阻值越高电导越小的现象，该模型解释为：在低温区，式(4)描述的金属粒子起的作用较小，起主导的是势垒层，因此只考虑式(5)。通过实验计算得到的各系列电阻激活能见表1。从表1可知，激活能随方阻减小而减小，因此方阻增加而电导减小。对于激活能随方阻减少而减少,Pike认为可以从三个角度解释。表1各系列电阻激活能PC1(：-500•VvXD—1J呻D-1"J"D-J心3015———itf128101222洞——1052HO97IM2i(y第521()—首先，金属氧化物的比例增加方阻减少，并导致金属粒子极化加强和介电常数的增加，通过式(3)很容易理解激活能随8(势垒层的相对介电常数)增加而减少。其次，金属氧化物的比例增加，使得烧结后充当导电相的金属氧化物粒子直接接触的概率增加，金属性粒子在电阻中占的比重增大。再次，对于低方阻的厚膜电阻，链与链之间的交联较多，使得电子可通过交联传导，而不经过电阻较高的链段，因此低方阻材料的温度特性更多的体现低阻低激活能路径的温度特性。二、电场特性Pike认为电场特性与谐振中心的场激运动有关谐振中心很小的移动,就可以产生很大的电导变化，例如对于典型的壁垒，谐振中心向壁垒中心移动1A,电导就会变化6倍。三、热电效应Pike测得厚膜电阻的塞贝克系数很小，约为10UV/K,接近从电阻中提取的金属氧化物粒子粉末的塞贝克系数。Pike认为这是由于粒子尺寸比壁垒厚度大1000倍，因此即使入射声子可能反射穿过壁垒层，但是由于壁垒层很薄，约为20〜40A,小于大多数声子的波长，声子会越过壁垒层，轻易的从一个粒子到达另一个粒子，因此壁垒层的作用很小。另外从塞贝克系数的计算式也可得出相似结论。厚膜电阻的塞贝克系数是玻璃与导电沟道的塞贝克系数的平均值S=eff在上式中Sg1、Sch、6g1和5ch分别为玻璃和导电沟道的塞贝克系数和电导率。6g1比6ch小若干量级，因此SeffSch,玻璃的影响可近似忽略。第3章烧结温度对厚膜电阻的影响3.1厚膜电阻浆料3.1.1厚膜电阻浆料分类从用途和电性能来分，这些电阻浆料有的用于陶瓷基片，如氧化铝、氧化铍和氮化铝等；以贵金属钉及它的化合物为导电相配制的钉系电阻浆料系列，烧成温度850°C，主要用于精密厚膜电路，分立元件；以难熔金属化合物和某些溅金属化合物半导体为导电相制作的电阻浆料系列，烧成温度为760C左右。有的用于柔性类基片，如薄膜、树脂板，以碳粉一有机树脂配制的电阻浆料系列，属烘干型电阻浆料，干燥温度为120〜250C。在这几类电阻浆料中，贵金属系制得的电阻浆料在其烧成温度下能获得最好性能，适于制作高可靠集成电路和精密分立元器件。尽管贵金属电阻浆料的价格较昂贵，在厚膜混合电路的制造中，基片材料的成本占较大比例，特别是制造分立元件。从导电性来分，厚膜电阻浆料可分为导电浆料、电阻浆料和绝缘浆料。3.1.2电阻浆料的制备常用的厚膜电阻采用金属钉系列电阻浆料印刷烧结而成。电阻浆料包含氧化钉，有机溶剂和玻璃珠，烧结后的电阻有两方面组成：氧化钉本身的电阻和势垒电阻。浆料一般由金、银、铂、钯等贵金属和低熔点玻璃组成，将这些贵金属粉末分散在有机树脂粘合剂中调成糊状，然后通过丝网印版印在陶瓷基板上。经高温烧制，有机树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯粹的贵金属，由于玻璃质的作用而密合在基板上。这层膜可作为厚膜线路、厚膜电阻、厚膜电容末。而电阻浆料主要由银、金、钯、钉等金属电阻，树脂类电阻，碳素皮膜电阻等在基板上形成电阻膜。厚膜IC印墨一般用银墨做厚膜IC的导电材料，它具有极低的电阻率。有时也使用银/钯，银/钯/铂银混合印墨作导电材料。为了在基板上形成电阻膜，所用的电阻印墨主要是银、金、钯、铑等金属粉末。本实验用到的浆料主要由钉基浆料组成。3.2烧结温度对厚膜电阻的影响3.2.1工艺工程数据一、基片、制版和浆料准备（基片超声清洗。时间：6分钟；频率：53KHz;温度：17〜28°C；功率：25W；基片烘干。温度：122°C；时间：2分钟）；二、正导体印刷，在125C烘干10分钟，在800C、825C、850C、875C、900C不同温度下烧结（保温30分钟，室温至烧结温度时间在120分钟）；三、反导体印刷（反面），同上；四、正面电阻印刷、烘干，反面电阻印刷、烘干，试方（强度不高，好加工，一般800欧姆的方阻，试方为560〜720欧姆），烧结，烘干和烧结的时间与温度与导体相同；五、正面玻璃印刷、烘干，反面玻璃印刷、烘干，烧结（520C，室温至烧结温度时间在80分钟，保温30分钟）；六、贴片。电容引线利用烙铁焊接（若用焊锡膏，需要特制印刷版。）3.2.3实验数据及初步结论表1样品不同温度下的电阻与热温度系数温度（C）800825850875900R()2.31.5761.4361.1941.824HTCR53.663.569.6167215.4下面表1的数据是保温10分钟时，而且温度间隔在25C的情况下测量的各自温度下的电阻值和热温度系数（HTCR）值，从局部可以粗略看到随温度的增大，电阻值下降，而热温度系数随温度的增大逐渐增大。图1为相关文献中的关于曲线图。

T31g—900925950'图1厚膜电阻器组织与峰值烧结温度的关系表2样品不同保温时间下的电阻与热温度系数保温时间（分钟）89101112R()1.2061.0981.0701.2371.265HTCR182.412878.4121173.9表2实在温度为875°C时测定的。从表2可以看出：保温时间不同的时候，电阻值随保温时间的增大而增大，那么热温度系数随保温时间的增大也增大。与表1结论比较，增加保温时间与提高烧结温度效果一致。表3样品不同升温速率下的电阻和热温度系数升温速率34579R836.5849.71.0321.2711.289HTCR141178197240370表3是在不同升温速率下测定的电阻值与热温度系数值。随着升温速率的增大，电阻值迅速下降。而热温度系数随升温速率的增大而增大。但在试验中发现，升温速率太快，会导致烧结后的厚膜电阻表面不光滑。第4章影响厚膜电阻性能的因素及展望高密度组装、细线工艺等技术的发展对厚膜混合集成电路的研制和生产提出了更高的要求，探索厚膜混合集成电路存在的问题及应采取的措施，对提高电路的成品率和可靠性有重要的意义。厚膜混合集成电路的质量问题有些是设计和材料方面的，也有很多是工艺方面的。本章从生产角度讨论了因生产工艺或操作不当而引起的常见质量问题，并提出相应的解决方法。4.1工艺缺陷的成因及消除方法4.1.1线条变形,边缘呈锯齿状丝网印刷是一个复杂的过程，它与很多因素有关。绷制丝网是保证高质量细线图形的重要工序之一。网线与框边及印刷图形主要线条（大部分线条与框边平行）成45°角，橡皮刮板顺着图形线条方向移动才能保证每个图形漏印浆料量均匀。在绷制丝网过程中，如因操作不当,未使网线与框边形成45°角，或刮板运动时施力不匀，都会导致图形线条变形,边缘呈锯齿状，从而导致电阻精度下降。4.1.2烧成中起泡起泡的主要原因有：（1）在多层结构中，导体与介质的相容性差或烧结参数控制不当，致使导带表面状态发生变化或部分导带与介质分离；（2）在氮气中烧成，因缺氧，有机物分解不完全而发生还原反应,生成的CO或CO2气体裹夹在介质中,或形成针孔或重烧时起泡；（3）烧成后的导带表面机械损伤使导带表面状态发生变化，导致再烧时起（4）过烧或重烧次数过多，导致起泡。4.1.3激光调阻后，阻值不稳定激光调阻是当前最精密的调阻方法，但如使用不当，会影响厚膜电阻的稳定性。除探头稳定性、环境温度等，激光器也是影响电阻稳定性的主要因素之一。如果激光器聚焦不准，光点发散，会造成电阻膜切口不透，边缘粗糙，底部会残留电阻材料，从而产生不规则漏电流，致使阻值漂移。若激光器的透镜被汗渍、油渍等污染，也会导致阻值漂移。如激光器功率过大，有可能损伤厚膜电阻下的陶瓷基片，还可能使切口边缘的玻璃熔融后又迅速冷却，结果在切口边缘形成许多细微的裂纹。这些裂纹在温度、电流等的作用下会发生变化，导致阻值不稳定。4.1.4红外再流焊对表面组装元件的损伤红外再流焊是厚膜混合集成电路批量生产中的主要组装工艺。片式元件、SO封装有源器件、芯片载体器件、LID器件等，均需采用再流焊工艺。再流焊的峰值温度至少应比焊料熔点或液态线高20°C，才能保证焊料全部熔化,助熔剂活化。红外加热是一种热辐射加热的方式，红外炉各温区温度均由微机控制，控制精度高，温度分布均匀，操作方便。但如果红外再流焊操作过程中稍有大意，就可能损伤表面组装元件，特别是黑色封装的元器件。再流焊中，因利用红外加热，被加热物体温度上升的速度取决于红外线的波长和被加热物体对红外线的吸收特性。同一基片上的元器件的升温速度不同。它受其颜色、材料和位置、对红外线的吸收特性及红外线的波长等因素的影响。芯片上的元器件，特别是半导体器件主体部位是不该加热的。但由于表面组装元器件体积较小，为改善其散热条件，封装或外表涂层通常都是黑色的，近红外线吸收率高，用近红外线加热时温升较快,有过热的危险。元器件的银灰色引线和焊锡的红外线吸收率较低，温升较慢。这使得不该加热的元器件的温升速度比该加热的引线和锡浆的更快，可能造成封装表面龟裂，冷却后形成较大的焊接内应力。4.1.5再流焊中形成的锡珠再流焊后，基片或引线上有时会出现锡珠。锡珠可能会导致短路。表面组装的引线间距愈来愈小，锡珠的危险性越来越大。锡珠的形成主要与焊膏本身及其使用条件有关。焊膏对热非常敏感，存储期限很大程度上取决于存储条件。焊膏通常装在封闭的广口瓶内，在低温下保存。开封前应使焊膏恢复到室温，否则焊膏极易吸湿。在焊接过程中，温度急剧上升，吸湿后的焊膏受热后使熔融的焊料从焊接区向四周溅射形成锡珠。焊料表面氧化是产生锡珠的另一个原因。微粉原料表面更易氧化。焊料氧化后质量退化，形成分散的颗粒，焊接时不能与其他粒子形成一体，因此不应使用氧化的焊料。4.2展望4.2.1避免起泡避免起泡的措施是:尽可能选用同种金属及合金作上下层导体材料；在烧结气氛中保持微量氧，定期清避免理烧结炉，清除炉内沉积的有机物及其他污杂物；严格控制烧成工艺参数、烧结温度和环境湿度；印刷完成后，应留下足够的流平时间，让膜表面上的网线痕迹在表面张力和重力的作用下自动流平，形成表面光滑，厚度均匀，边缘整齐的膜；控制烘干速度和温度，让膜层充分干燥；叠放和拾取基片时应当心，勿使导带受机械损伤。4.2.2避免激光调阻的影响避免激光调阻后阻值不稳定，不能单靠增大功率，使聚焦更准确的办法来解决,还应仔细调整激光器的焦点、功率等参数。调整调阻功率，使切割基板的深度为5~7^m,此时的功率最合适。用保护介质玻璃将电阻包封后再切割或采用可吸收激光能量的有色玻璃都可以改善调阻性能。激光调阻的切口离厚膜电阻的端头不宜太近，否则会使端头导电带材料熔入切口壁，导致阻值变小。4.2.3避免红外