集成电路芯片封装技术第三章厚薄膜技术

第三章厚/薄膜技术第一页，共二十五页。前课回顾1.芯片互连技术的分类2.WB技术、TAB技术与FCB技术的概念3.三种芯片互连技术的对比分析第二页，共二十五页。芯片互连技术对比分析第三页，共二十五页。

厚膜技术简介主要内容

厚膜导体材料第四页，共二十五页。膜技术简介厚膜（ThickFilm）技术和薄膜技术（ThinFilm）是电子封装中的重要工艺技术，统称为膜技术。可用以制作电阻、电容或电感等无源器件，也可以在基板上制成布线导体和各类介质膜层以连接各种电路元器件，从而完成混合（Hybrid）集成电路电子封装。第五页，共二十五页。厚膜技术厚膜技术是采用丝网印刷、干燥和烧结等工艺，将传统无源元件及导体形成于散热良好的陶瓷绝缘基板表面,并用激光处理达到线路所需之精密度,再采用SMT技术,将IC或其他元器件进行安装,构成所需要的完整线路,最后采用多样化引脚和封装方式,实现模块化的集成电路——厚膜混合集成电路（HIC，HybridIntegratedCircuit）。厚膜印刷所用材料是一种特殊材料——浆料，而薄膜技术则是采用镀膜、光刻和刻蚀等方法成膜。第六页，共二十五页。

较之普通PCB，厚膜电路在散热性和稳定性方面优势明显；而且，比普通PCB能更适应环境。由于汽车电子产品所处环境通常都比较苛刻（不包括车内影音娱乐系统），比如动力控制系统和发动系统，所处环境高温、高湿、大功率、高振动等。普通PCB无法满足这些环境条件需求时，厚膜电路就会体现出它的价值。基于厚膜电路在高温、高压、大功率的应用中有极大的优势。一般主要应用在汽车电子、通讯系统领域、航空航天及一些军工领域。厚膜电路特点及应用第七页，共二十五页。所有厚膜浆料通常有两个共性：一、适于丝网印刷的具有非牛顿流变能力的黏性流体；

二、有两种不同的多组分相组成，一个是功能相，提供最终膜的电和力学性能，另一个是载体相（粘合剂），提供合适的流变能力。厚膜浆料第八页，共二十五页。牛顿流体指剪切应力与剪切变形速率成线性关系，即在受力后极易变形，且剪切应力与变形速率成正比的低粘性流体。凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。牛顿内摩擦定律表达式：τ=μγ式中：τ--所加剪切应力；

γ--剪切速率（流速梯度）；

μ--度量液体粘滞性大小的物理量—黏度，其物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。牛顿流体和非牛顿流体第九页，共二十五页。厚膜多层制作步骤第十页，共二十五页。厚膜浆料厚膜浆料可分为聚合物厚膜、难熔材料厚膜和金属陶瓷厚膜；其中，难熔材料厚膜是特殊一类金属陶瓷厚膜，需要在较之传统金属陶瓷材料更高的温度下进行烧结。聚合物厚膜材料：包含带有导体、电阻或绝缘颗粒的聚合物材料混合物，通常在85-300摄氏度范围内固化。聚合物导体主要是C和Ag，常用于有机基板材料上。金属陶瓷厚膜：玻璃陶瓷和金属的混合物，通常在850-1000摄氏度的范围内烧结。第十一页，共二十五页。传统厚膜浆料的主要成分传统的金属陶瓷厚膜浆料具有四种主要成分：

有效物质—决定膜功能粘结成分—提供膜与基板间的粘结以及使有效物质保持悬浮状态的基体；有机粘结剂—提供丝网印刷时的合适流动性能；溶剂或稀释剂—决定运载剂的粘度第十二页，共二十五页。传统金属陶瓷厚膜浆料成分—有效物质浆料中的有效物质决定烧结膜的电性能，如果是金属则烧结膜是导体，如果是金属氧化物则是一种电阻；如果有效物质是一种绝缘材料，则烧结后的膜是一种介电体，有效物质一般以粉末形式出现，颗粒尺寸为1-10um，平均粒径约5um。通常情况下介电体是绝缘体，在外加一定强度电场的情况下，会导致电击穿成为导电材料，常用于制作电容器。第十三页，共二十五页。传统金属陶瓷厚膜浆料成分—粘结成分粘接成分：主要有两类物质用于厚膜与基板的粘接：玻璃材料和金属氧化物，可以单独使用或者一起使用。玻璃材料粘接机理：【与基板中的玻璃发生化学反应】和【玻璃态物质熔融流入基板不规则表面】

玻璃粘结的不足？

物理过程因存在热循环和热储存而退化烧结玻璃材料表面存在玻璃相，影响后续组装工艺。第十四页，共二十五页。传统金属陶瓷厚膜浆料成分—粘结成分金属氧化物粘接机理：金属Cu和Cd（镉）与浆料混合，发生基板表面氧化反应生成氧化物，金属与氧化物粘结并通过烧结结合在一起。

金属氧化物粘结的优缺点？玻璃-氧化物粘接机理：氧化物一般为氧化锌或氧化钙，低温下可发生反应，克服了上述两种粘结剂的缺点，称之为混合粘结系统。第十五页，共二十五页。传统金属陶瓷厚膜浆料成分—有机粘结剂有机粘接剂通常是一种触变的流体，作用：可使有效物质和粘接成分保持悬浮态直到膜烧制完成；可为浆料提供良好的流动特性以进行丝网印刷。有机粘结剂不挥发，但在高温下趋于烧尽，粘结剂在烧结过程中必须被完全氧化，不能存在有影响膜的残余物质（C）存在。氮气中烧结的有机载体必须发生分解和热解聚。第十六页，共二十五页。传统金属陶瓷厚膜浆料成分—溶剂或稀释剂自然形态的有机粘结剂太粘稠不能进行丝网印刷，需要使用溶剂或稀释剂，稀释剂比粘结剂较容易挥发，在大约100℃以上就会迅速蒸发，典型材料是萜品醇、丁醇和某些络合的乙醇；溶剂或稀释剂用于烧结前的有机粘结剂的稀释，烘干和烧结时挥发掉。第十七页，共二十五页。配制浆料时，须将各成分按一定比例充分混合。制造过程开始于粉末态的物质，通过从化学溶液中沉淀出来的金形成的金粉末与细筛的玻璃粉混合，加入运载剂（由适当的溶剂、增稠剂或胶混合）后用球磨机使混合物充分混合来减小玻璃料和其他脆性材料的颗粒尺寸，最后由三辊轧膜机将浆料的组分弥散开，保证颗粒尺寸均匀。厚膜浆料的制备第十八页，共二十五页。球磨设备和临界速率第十九页，共二十五页。厚膜浆料的参数：粒度（FOG细度计测量）固体粉末百分比含量（400℃煅烧测量）粘度（锥板或纺锤粘度计测量）。厚膜浆料的参数为适应丝网印刷，浆料需具有下述特性：【流体比须具有一个屈服点】—印刷后静止不流动，流动最小压力远大于重力【流体应具有某种触变性】—剪切速率影响流体流动性【流体应具有某种程度滞后作用】—粘度随压力降低而增加第二十页，共二十五页。厚膜导体在混合电路中实现的功能：【提供电路节点间的导电布线功能】【提供后续元器件焊接安装区域】【提供电互连：元器件、膜布线和更高级组装互连】【提供厚膜电阻的端接区】【提供多层电路导体层间的电气连接】厚膜导体材料第二十一页，共二十五页。厚膜导体材料基本类型：可空气烧结厚膜导体：主要是指不容易形成氧化物的金属材料(Au和Ag等）可氮气烧结厚膜导体：通常是指在部分低含氧量状态下易于氧化的材料（Cu、Ni和Al等）须还原气氛烧结厚膜导体：难熔材料M和W，防止烧结过程中，其他物质热分解后被氧化。厚膜导体材料第二十二页，共二十五页。厚膜导体材料性能【电迁移】与【可靠性】【金属间化合物与欧姆接触】【柯肯达尔效应】【合金化】第二十三页，共二十五页。厚膜导体材料性能对比第二十四页，共二十五页。内容总结第三章厚/薄膜技术。一、适于丝网印刷的具有非牛顿流变能力的黏性流体。μ--度量液体粘滞性大小的物理量—黏度，其物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。金属陶瓷厚膜：玻璃陶瓷和金属的混合物，通常在850-1000摄氏度的范围内烧结。传统金属陶瓷厚膜浆料成