微电子封装中的薄膜技术
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微细加工中的薄膜技术
• 许多薄膜以及薄膜的组合，可以用来形成欧姆 接触以及集成电路器件之间的互连。有些膜还 可以完成器件的功能，如在肖特基二极管及肖 特基栅场效应晶体管中。
第一节 物理气相沉积
• 在集成电路制造中，沉积金属薄膜最常用的方法是物理气相 沉积技术。它包括真空蒸发、直流溅射和RF(射频)溅射。新 近发展起来的磁控溅射和离子束沉积，是RF溅射方法的进一 步改进。
2．RF(射频)溅射
• 直流溅射只能溅射金属而无法溅射绝缘材料，因为在 绝缘材料上加上直流负高压后，带正电荷的离子撞击 到绝缘材料的靶上时，正电荷会堆积在靶表面，从而 排斥后续正离子继续向靶轰击，阻止了溅射的进行。 而RF溅射是在绝缘材料的背面加上一个金属电极，并 在此电极上加上高频电压，从而在绝缘材料中感应产 生位移电流。这样，在负半周内绝缘材料表面积聚的 正电荷就可以在正半周内被中和，使溅射可以继续进 行，从而实现了绝缘材料薄膜的溅射沉积。
三、溅射沉积
溅射是与气体辉光放电相联系的一种薄膜 沉积技术。若在真空室内充入放电所需要 的惰性气体(如氩气)，则在高压电场作用 下气体分子因电离而产生大量正离子。带 电离子被强电场加速，便形成高能量的离 子流轰击蒸发源材料(称为靶)。在离子轰 击下，蒸发源材料的原子将离开固体表面， 以高速度溅射到阳极(基片)上并沉积成薄 膜。这种薄膜沉积技术称为溅射。图5—2 为溅射示意图。
溅射的方法很多，有直流溅射、RF溅 射和反应溅射等，而用得较多的是直流二 极溅射、RF溅射和离子束溅射。
1．直流二极溅射(阴极溅射)
直流二极溅射是最早采用的溅射方法。图5— 3为直流二极溅射示意图。溅射室中有一个阴极和 一个阳极。溅射源材料接负高压，作为阴极，基 片放在阳极上，单，能在大面积基片 上沉积均匀的薄膜。其缺点是放电电流容易随电 压和气体的压强而变化，沉积速率不易控制。由 于直流二极溅射是冷阴极气体放电，需要使用较 高的电压和气压，而较高的气压会使沉积速率降 低，沉积膜中的杂质含量增加。另外，直流二极 溅射只适用于溅射导电材料，而不能用来溅射介 质。
第一节 物理气相沉积
• 在集成电路制造中，沉积金属薄膜最常用的方法是物理气相 沉积技术。它包括真空蒸发、直流溅射和RF(射频)溅射。新 近发展起来的磁控溅射和离子束沉积，是RF溅射方法的进一 步改进。
2．RF(射频)溅射
• 直流溅射只能溅射金属而无法溅射绝缘材料，因为在 绝缘材料上加上直流负高压后，带正电荷的离子撞击 到绝缘材料的靶上时，正电荷会堆积在靶表面，从而 排斥后续正离子继续向靶轰击，阻止了溅射的进行。 而RF溅射是在绝缘材料的背面加上一个金属电极，并 在此电极上加上高频电压，从而在绝缘材料中感应产 生位移电流。这样，在负半周内绝缘材料表面积聚的 正电荷就可以在正半周内被中和，使溅射可以继续进 行，从而实现了绝缘材料薄膜的溅射沉积。
三、溅射沉积
溅射是与气体辉光放电相联系的一种薄膜 沉积技术。若在真空室内充入放电所需要 的惰性气体(如氩气)，则在高压电场作用 下气体分子因电离而产生大量正离子。带 电离子被强电场加速，便形成高能量的离 子流轰击蒸发源材料(称为靶)。在离子轰 击下，蒸发源材料的原子将离开固体表面， 以高速度溅射到阳极(基片)上并沉积成薄 膜。这种薄膜沉积技术称为溅射。图5—2 为溅射示意图。
溅射的方法很多，有直流溅射、RF溅 射和反应溅射等，而用得较多的是直流二 极溅射、RF溅射和离子束溅射。
1．直流二极溅射(阴极溅射)
直流二极溅射是最早采用的溅射方法。图5— 3为直流二极溅射示意图。溅射室中有一个阴极和 一个阳极。溅射源材料接负高压，作为阴极，基 片放在阳极上，单，能在大面积基片 上沉积均匀的薄膜。其缺点是放电电流容易随电 压和气体的压强而变化，沉积速率不易控制。由 于直流二极溅射是冷阴极气体放电，需要使用较 高的电压和气压，而较高的气压会使沉积速率降 低，沉积膜中的杂质含量增加。另外，直流二极 溅射只适用于溅射导电材料，而不能用来溅射介 质。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
生长速率的增加而下降；低温下， Nf∝ HPf0，且H 随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率 成正比；。
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
微电子封装中的薄膜技术..
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
微电子封装技术第4章 厚薄膜技术
4.1 厚膜技术
传统的金属陶瓷厚膜浆料主要有4种成分：（确定 膜的功能）、粘贴成分（提供与基板的粘贴及使有效物 质颗粒保持悬浮状态的基体）、有机黏着剂（提供丝网 印刷的合适流动性）和溶剂或稀释剂（决定黏度）。
4.1 厚膜技术
工艺流程
生产厚膜电路的基本工艺流程是丝网印刷、厚膜材 料的干燥和烧结。
丝网印刷工艺是将浆料涂布在基板上，干燥工艺的 作用是在烧结前从浆料中去除挥发性的溶剂，烧结工艺 是使粘贴剂发挥作用将印刷图形粘贴在基板上。
厚膜材料主要包括：厚膜导体材料、厚膜电阻材料 、厚膜介质材料、釉面材料和厚膜基板等。
4.1 厚膜技术
厚膜材料：厚膜导体材料
厚膜导体材料实现以下各种功能：①在电路节点之 间提供导电布线；②提供元器件与膜布线及与更高一级 组装的互连；③必须提供连接区域以连接厚膜电阻；④ 必须提供多层电路导体层之间的连接。
厚膜 2400~24000nm 直接工艺：丝网印刷、干燥和烧结 无须使用化学刻蚀或镀液 无需回收贵金属 低成本的多层工艺 使用几种不同方块电阻率的材料 能承受苛刻环境和高温的稳定电阻 高TCR电阻 线条分辨率为125~250μm 初始设备投资低 线条清晰度不好，不适于RF应用 引线键合受杂质影响，材质不均匀
4.1 厚膜技术
厚膜材料：釉面材料
对电路提供机械保护，免于污染和水在导体之间的 桥连，阻挡焊料散布，改善厚膜电阻调阻后的稳定性。 是可以在较低温度（通常在550℃附近）下烧结的非晶 玻璃。
4.1 厚膜技术
厚膜材料：厚膜基板
厚膜基板主要有陶瓷基板、金属基板和树脂基板。 其中比较常用的是陶瓷基板。陶瓷基板主要包括以下几 种：氧化铝陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板、特种陶瓷基板 、氮化铝基板和碳化硅陶瓷基板。
微电子封装中的薄膜技术
一些主要的厚膜导体：
Ag-Pd； Ag-Pd； Ag中添加Pd，当Pd/(Pd＋Ag)>0.1左右时即产生效果。 Ag中添加Pd，当Pd/(Pd＋Ag)>0.1左右时即产生效果。 Ag/Pd比一般控制在（2.5:1） Ag/Pd比一般控制在（2.5:1）~（4.0:1）。 4.0:1）。 Ag/Pd比与厚膜的电阻值及耐焊料浸蚀关系如下图1 Ag/Pd比与厚膜的电阻值及耐焊料浸蚀关系如下图1：
备注：目数＝25.4[mm]/(丝径[mm]+开口长度[mm])
丝网印刷工艺
刮板
刮板的形状有下三种：菱形刮板、平行刮板、剑 形刮板。刮板的材料硬度按橡胶常用的HS（肖氏 形刮板。刮板的材料硬度按橡胶常用的HS（肖氏 硬度）来标定，厚膜印刷使用的刮板硬度一般在 60～80HS范围内。材料一般为聚氨酯类、氯丁橡 60～80HS范围内。材料一般为聚氨酯类、氯丁橡 胶、炭氟化合物等，选材聊特别要注意不能受浆 料中溶剂等浸蚀。
3. 厚膜介质材料
通常分为HK（高介电常数）介电体和LK 通常分为HK（高介电常数）介电体和LK （低介 电常数）介电体。 前者介电常数在数百以上，主要用于厚膜电容器 的介电质，后者的K值在10以下，多用于表面钝 的介电质，后者的K值在10以下，多用于表面钝 化、交叉层绝缘层、多层布线绝缘层以及低容量 电容器等。 LK介电质：非晶玻璃（filled glass: FG）和晶态玻 LK介电质：非晶玻璃（filled FG）和晶态玻 璃（crystallizable 璃（crystallizable glass: CG）二类玻璃系列。 CG）二类玻璃系列。 HK介电质：以BaTiO3为主要成分的介电质。 HK介电质：以BaTiO
蚀刻法基板表面成膜成膜材料基板光刻胶蚀刻光刻胶剥离基板薄膜光刻胶光致优点是选择性好重复性好生产效率高设备简单成本低基片薄膜光刻胶光致光刻胶金属薄膜ar干法蚀刻法对图形的控制精度较好但速度较慢rie刻蚀装置光刻胶sio或硅原子腐蚀性气化学腐蚀物理轰击用机械或光刻等方法制作正掩膜将掩膜按需要的电路图位置定位再由真空蒸镀等方法成膜
微电子技术中的半导体薄膜材料
微电子技术中的半导体薄膜材料摘要：本文着重介绍了用于微电于技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构以及多孔硅等半导体薄膜材料并指出，原子组态的无序化，材料禁带的宽带隙化，能带剪裁的任意化以及人工结钩的低维化和量子化，集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。
关键词：薄膜材料，结构性质，发展特点1引言薄膜材料是发展微电子技术的先导条件和制造微电子器件的物质基础，近半个世纪以来，随着各种成膜方法的长足进步，半导体薄膜材料从体单晶到非晶态，从非晶态到纳米相，从窄禁带到宽带隙，从常规制备到人工设计，涌现出了一大批高质量和有重要实用价值的新材料。
目前，关于半导体薄膜材料物理与工艺的研究，已成为真空、微电子和材料科学中一个极其活跃的领域[1]。
半导体薄膜材料研究的核心为新材料的研究和传统材料性能的提高。
前者是按照人为的意志构想新的结构形式和设计新的化学组分，并通过现代超薄层外延技术加以实现；后者则是利用适宜的工艺方法改变材料的微观结构，使其呈现出常规材料所不具有的全新原子组态。
2不同结构类型的半导体薄膜材料2.1非晶态材料非晶态半导体是一门在凝聚态物理领域中占据着重要地位且发展十分迅速的新兴学科，研究非晶态材料的意义不仅是在科学技术上获得大量的新材料和新器件，而且可以开拓和加深人们对固体物理领域中许多基本问题的认识与理解。
以促进固体物理学的发展，同时对其许多周边物质，如非晶态合金及多层异质结、超微粒子、多孔硅以及硅系高分子等的研究也将产生积极而深远的影响。
原子结构的无序性和化学组分的多样化，使非晶态半导体具有许多显著不同于晶态半导体的物理特性[2]。
对于大多数非晶态材料而言，其组成原子都是由共价键结合在一起，形成了一种连续的共价键无规网络结构；在非晶态半导体中可以实现连续的物性控制，当连续改变其化学组成时，其禁带宽度、电导率和相变温度等都随之连续变化；在热力学上，非晶态处于一种亚稳状态，仅在一定条件下才可以转变成晶态；此外，非晶态材料的结构特性、电学及光学性质都灵敏地依赖制备方法与工艺条件。
SIPOS薄膜工艺及其稳定性
化学气相沉积(CVD)
• 适用于沉积非晶态和多晶态薄膜。 • 可以在较低温度下制备薄膜，降低能耗。
物理气相沉积(aporation Deposition)
2
• 通过加热蒸发材料，使其在基板上凝结成膜。
3
• 适用于制备金属、半导体和绝缘体薄膜。
物理气相沉积(PVD)
此外，sipos薄膜还具有优秀的机械强度和 耐疲劳性，可以在各种恶劣环境下保持可靠
的封接性能。
燃料电池隔膜
sipos薄膜在燃料电池中用作隔膜，具有优良的离子导 电性和化学稳定性。它能够有效地将燃料电池的阴阳 极隔离开，同时又能让离子自由通过。
这种稳定的隔膜材料对于提高燃料电池的性能和稳定 性至关重要，尤其是在长时间使用过程中，它可以有 效防止电池内部的短路和腐蚀。
它主要由聚酰胺树脂和无机纳米颗粒组成，通过流延或挤出 工艺制备而成。
sipos薄膜应用领域
包装领域
用于食品、药品、化妆品等产品的包装，可提高 产品的保质期和安全性。
建筑领域
用于建筑玻璃、幕墙等，可提高建筑的隔热、保 温、隔音效果。
光学领域
用于制造光学器件，如光波导、光学滤波器等， 可提高光学性能。
要点二
生产效率
sipos薄膜工艺的生产效率相对较低，这可能会限制其 在工业规模上的应用。提高生产效率将是未来研究的 一个重要方向。
市场发展与挑战
市场需求
目前，sipos薄膜工艺的市场需求相对较小，这可能会限 制其进一步的发展和应用。为了推动该技术的发展，需 要增加其市场需求，并促进其在更多领域的应用。
氢化物化学气相沉积(MOCVD) • 利用金属有机化合物和氢化物作为前驱体，通过气体混合反应沉积薄膜。
• 可以在常压或低压下进行，适合大规模生产。
微电子封装中的薄膜技术
浆料
浆料应具有良好的 离版性能、适度的 粘度特性。
与厚膜相比,薄膜的特点:
1、厚膜是由金属粉末烧结而成,厚度在1微米以上,薄膜 是由原子或原子团簇一层一层堆积而成,厚度在1微
米以下;
2、互连线可以做得更精细，具有更高的集成度 3、成膜更致密，互连线电导率更高，损耗更小
4、容易刻蚀，形成图形容易
5、节约材料,降低成本 薄膜的问题: 1、要形成原子级的有序堆积，成膜设备昂贵 2、薄膜更容易被腐蚀，更容易受到机械损伤 3、与基板的附着力比用烧结法形成的厚膜差 4、成膜过程中的原子原子团簇比粉末更容易被氧化， 因此对成膜材料的抗氧化性和成膜环境要求更 5、更容易发生迁移现象。
一些主要的厚膜导体：
Ag-Pd； Ag中添加Pd，当Pd/(Pd＋Ag)>0.1左右时即产生效果。 Ag/Pd比一般控制在（2.5:1）~（4.0:1）。 Ag/Pd比与厚膜的电阻值及耐焊料浸蚀关系如下图1：
为提高Ag-Pd导体的焊接浸润性，以及导体与基板的结合 强度，需要添加Bi2O3。烧制时，部分Bi2O3溶入玻璃与Al2O3 发生化学反应，随Bi离子含量的增加，膜的结合强度增大。
③ ④
金属与半导体的集合部位不形成势垒; 对于n型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小; 对于p型半导体，与上述相反； 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。
材料的种类和性质
除了半导体和料，应具有以下特性：
2. 厚膜电阻材料
到目前为止，以发表各类电阻体浆料多以PdAg、Ti2O3，添加Ta的SnO，碳黑，RuO2， MoO3等为主导电成分，经大气中燃烧成各 种各样的厚膜电阻体。目前使用最多的是 RuO2系，它的组成单纯而稳定。 伴随着高热导基板的开发，在N2中烧成用的 LaB6，SnO2系还有各类硅化物系等电阻体也 先后发表。
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第四章：微电子封装中 的膜技术
外围元件 互联线
Die attach
一.电子封装工程中至关重要的 膜材料及膜技术
薄膜与厚膜 膜及膜电路的功能 薄膜材料 薄膜成膜方法 厚膜材料 厚成膜方法 电路图形的成型方法
1.薄膜与厚膜
相对于三维块体材料，从一般意义上讲，所谓膜， 由于其厚度尺寸很小，可以看做是物质的二维形 态。
劣化模式是上述各种机制的组合，平均故障时间 MTF（mean time to failure）与微观的结构因子数 相关，特别是导体的长度和宽度、平均粒径与粒径 的分布、晶体学取向、晶界特性等影响很大。
导体膜劣化及可靠性
为了增加MTF，在条件允许的情况下应尽量采取
如下措施：
① 减少导体长度； ② 增加导体膜的宽度和厚度； ③ 增加膜层的平均粒度等。扩散系数 大很多。膜层中大量存在有晶界，晶界中离子的活动性与各 个晶粒的晶体的晶体学取向有关，特别是当许多晶粒的晶体 学取向不一致时，易于离子迁移。
其二，晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而 异。
其三，当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时， 由于界面处也发生离子的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的 积蓄等。
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。往往在Au与Ti之间加入Pt阻挡层。
导体膜劣化及可靠性
成膜后造成膜异常的主要原因有两个：
① 由于严重的热适配，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；
按膜厚对膜的经典分类认为，小于1μm的为薄膜 大于1μm的为厚膜。
按制作方法分类，由块体材料制作的，例如经轧 制、锤打、碾压等，为厚膜；而由膜的构成物
（species）一层层堆积而成的为薄膜。 按存在的形态分类，只能形成于基体之上的为薄
膜（包覆膜），不需要基体而独立成立的为厚 膜（自立膜）。
2.膜及膜电路的功能
浆料
浆料应具有良好的
离版性能、适度的
粘度特性。
与厚膜相比,薄膜的特点:
1、厚膜是由金属粉末烧结而成,厚度在1微米以上,薄膜
是由原子或原子团簇一层一层堆积而成,厚度在1微
米以下;
2、互连线可以做得更精细，具有更高的集成度
3、成膜更致密，互连线电导率更高，损耗更小
4、容易刻蚀，形成图形容易
5、节约材料,降低成本
烧制时，Cu表面生成的氧化膜可以使导体电阻 升高，也可使基板的附着力增强。可在无氧化Cu粉 中，按一定比例混入表面多少发生一些氧化的Cu粉， 在不增加导体电阻的同时，可使附着力增加。
2. 厚膜电阻材料
到目前为止，以发表各类电阻体浆料多以PdAg、Ti2O3，添加Ta的SnO，碳黑，RuO2， MoO3等为主导电成分，经大气中燃烧成各 种各样的厚膜电阻体。目前使用最多的是 RuO2系，它的组成单纯而稳定。
表 Si3面N4改等性钝化膜如用同于在绝L缘SI、元保件护表一面样沉，积在SiO电2、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。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。
特殊功能 是泛指除电气连接、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。
实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，钝 化层和封装的缺陷也常常是造成劣化的原因。此外 还要注意异常状态和环境变化等。
清洗
下部导体印刷
干燥
烧成
绝缘层印刷
电阻体印刷
烧成
干燥
上部导体印刷
烧成
干燥
干燥
烧成
玻璃覆层印刷
干燥
烧成
电阻修边调整
完成
检查
丝网印刷工艺
丝网印刷
丝网 对于通常厚膜印刷的丝网来说，导体用
300～400目，电阻体用200～300目，介电体用200目 左右。感光乳胶层的厚度一般为10～20μm。丝网尺 寸特别对于脱离式印刷而言，由于刮板的压力实现 丝网与基板的接触，即利用了丝网的弹性进行印刷， 故为了防止弹性较小的不锈钢发生不可恢复的永久 性形变，希望应变量小些。对于精度要求较高的厚 膜印刷来说，丝网尺寸一般取印刷图形尺寸的3倍 左右。
二. 厚膜材料
厚膜导体材料 厚膜电阻材料 厚膜介质材料 厚膜功能材料
1. 厚膜导体材料
厚膜导体中的导体材料分为贵金属和贱金属两大 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，或由导体中添加百分之几的玻璃 来实现。
对厚膜导体金属的要求有：
① 电导率高，且与温度的相关性小； ② 与玻璃不发生反应，不向厚膜介电体及厚膜电阻体中扩散； ③ 与介电体及电阻体的相容性良好； 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。
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。
造成物质扩散迁移的外因有高电流密度、高温 度、大的温度梯度、接触电阻等。从内因讲，有构 成物质的体系、晶体度、内部缺陷等。内因、外因 之间随时都在发生作用。
一般，物质的迁移容易沿晶界进行，即物质的迁 移与其微观结构关系很密切。可解释为：
上表所示，往往最底层采用NiCr，Cr，Ti等附着性 好的膜层，最上层采用容易热压附着或容易焊接的 Au及Pb·Sn等。但是，当两种金属薄膜结合时，往往 比块体材料更低的温度下就产生明显扩散，生成化 合物。
连接与布线的形成及注意点
SiIC中Al布线可由Cr-Au代替。
Cr-Au与玻璃之间有良好的附着性，无论对p型还时 n型Si均能形成欧姆结合。Cr-Au成膜有两种方法， 其一是将基板加热到250℃，依次真空蒸镀Cr和Au； 其二是采用溅射法沉积。 但Cr-Au系中可能引起劣 化的机制之一是Cr向Au中扩散,由此会引起电阻增 加。
薄膜的问题: 1、要形成原子级的有序堆积，成膜设备昂贵 2、薄膜更容易被腐蚀，更容易受到机械损伤 3、与基板的附着力比用烧结法形成的厚膜差 4、成膜过程中的原子原子团簇比粉末更容易被氧化，
因此对成膜材料的抗氧化性和成膜环境要求更 5、更容易发生迁移现象。
四. 薄膜材料
导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料
最大的缺点是易迁移。是由于Ag与基表面吸 附的水份相互作用，形成不稳定的AgOH，易氧 化析出Ag。添加Pd或Pt抑制。
一些主要的厚膜导体：
Ag-Pd； Ag中添加Pd，当Pd/(Pd＋Ag)>0.1左右时即产生效果。
Ag/Pd比一般控制在（2.5:1）~（4.0:1）。 Ag/Pd比与厚膜的电阻值及耐焊料浸蚀关系如下图1：
一定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，故有成为丝网漏印。
刮板
浆料
漏印网版
被印刷物
３. 丝网印刷工艺
丝网印刷是制作厚膜电路的主要方法。这种厚膜基 板的制作工艺为下流程所示。整个过程要经过反复 多次进行丝网印刷、干燥、烧成过程。设备投资低， 具备印刷机、干燥炉、烧成炉即可成膜。
基板
备注：目数＝25.4[mm]/(丝径[mm]+开口长度[mm])
丝网印刷工艺
刮板
刮板的形状有下三种：菱形刮板、平行刮板、剑 形刮板。刮板的材料硬度按橡胶常用的HS（肖氏 硬度）来标定，厚膜印刷使用的刮板硬度一般在 60～80HS范围内。材料一般为聚氨酯类、氯丁橡 胶、炭氟化合物等，选材聊特别要注意不能受浆 料中溶剂等浸蚀。
厚膜图形形成方法
厚膜成膜技术
厚膜图形印刷方法
２.厚膜印刷（丝网印刷）法
是 通过网版在基板表面印
刷厚膜导体浆料，形成于
网版对应的图形。由于浆
料仅印刷在需要的部位， 因此材料的利用率高。
缺点：线条精细度差，分
辨率低，多次印刷难保图
形一致。
丝网
丝网制板
丝网
乳胶膜
印刷 浆料
浆料
烧成
基板
感光乳胶膜
在漏印网版与基板之间保持一定间隙，用刮板以
1. 导体薄膜材料
材料的种类和性质
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。 为保证金属－半导体之间的连接为欧姆结合，需 要达到：
① 金属与半导体的集合部位不形成势垒; ② 对于n型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小; ③ 对于p型半导体，与上述相反； ④ 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，
LK介电质：非晶玻璃（filled glass: FG）和晶态玻 璃（crystallizable glass: CG）二类玻璃系列。
HK介电质：以BaTiO3为主要成分的介电质。
4. 厚膜功能材料
可分为传感功能元器件和电子回路功能元器件两 大类。
厚膜温度传感器具有体薄量轻、易实现微型化、 热容量小、响音速度快、可直接做在回路基板上 等优点。所以，在汽车等应用中的前景看好。
伴随着高热导基板的开发，在N2中烧成用的 LaB6，SnO2系还有各类硅化物系等电阻体也 先后发表。
3. 厚膜介质材料
通常分为HK（高介电常数）介电体和LK （低介 电常数）介电体。
前者介电常数在数百以上，主要用于厚膜电容器 的介电质，后者的K值在10以下，多用于表面钝 化、交叉层绝缘层、多层布线绝缘层以及低容量 电容器等。
其主要功能有：
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 及膜的形式与基板作为一体，元器件搭载在基板上 并与导体端子相连接，使整个系统的小型化、高性 能、低功耗、高可靠性及经济性能方面有重大提高。
外围元件 互联线
Die attach
一.电子封装工程中至关重要的 膜材料及膜技术
薄膜与厚膜 膜及膜电路的功能 薄膜材料 薄膜成膜方法 厚膜材料 厚成膜方法 电路图形的成型方法
1.薄膜与厚膜
相对于三维块体材料，从一般意义上讲，所谓膜， 由于其厚度尺寸很小，可以看做是物质的二维形 态。
劣化模式是上述各种机制的组合，平均故障时间 MTF（mean time to failure）与微观的结构因子数 相关，特别是导体的长度和宽度、平均粒径与粒径 的分布、晶体学取向、晶界特性等影响很大。
导体膜劣化及可靠性
为了增加MTF，在条件允许的情况下应尽量采取
如下措施：
① 减少导体长度； ② 增加导体膜的宽度和厚度； ③ 增加膜层的平均粒度等。扩散系数 大很多。膜层中大量存在有晶界，晶界中离子的活动性与各 个晶粒的晶体的晶体学取向有关，特别是当许多晶粒的晶体 学取向不一致时，易于离子迁移。
其二，晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而 异。
其三，当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时， 由于界面处也发生离子的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的 积蓄等。
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。往往在Au与Ti之间加入Pt阻挡层。
导体膜劣化及可靠性
成膜后造成膜异常的主要原因有两个：
① 由于严重的热适配，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；
按膜厚对膜的经典分类认为，小于1μm的为薄膜 大于1μm的为厚膜。
按制作方法分类，由块体材料制作的，例如经轧 制、锤打、碾压等，为厚膜；而由膜的构成物
（species）一层层堆积而成的为薄膜。 按存在的形态分类，只能形成于基体之上的为薄
膜（包覆膜），不需要基体而独立成立的为厚 膜（自立膜）。
2.膜及膜电路的功能
浆料
浆料应具有良好的
离版性能、适度的
粘度特性。
与厚膜相比,薄膜的特点:
1、厚膜是由金属粉末烧结而成,厚度在1微米以上,薄膜
是由原子或原子团簇一层一层堆积而成,厚度在1微
米以下;
2、互连线可以做得更精细，具有更高的集成度
3、成膜更致密，互连线电导率更高，损耗更小
4、容易刻蚀，形成图形容易
5、节约材料,降低成本
烧制时，Cu表面生成的氧化膜可以使导体电阻 升高，也可使基板的附着力增强。可在无氧化Cu粉 中，按一定比例混入表面多少发生一些氧化的Cu粉， 在不增加导体电阻的同时，可使附着力增加。
2. 厚膜电阻材料
到目前为止，以发表各类电阻体浆料多以PdAg、Ti2O3，添加Ta的SnO，碳黑，RuO2， MoO3等为主导电成分，经大气中燃烧成各 种各样的厚膜电阻体。目前使用最多的是 RuO2系，它的组成单纯而稳定。
表 Si3面N4改等性钝化膜如用同于在绝L缘SI、元保件护表一面样沉，积在SiO电2、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。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。
特殊功能 是泛指除电气连接、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。
实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，钝 化层和封装的缺陷也常常是造成劣化的原因。此外 还要注意异常状态和环境变化等。
清洗
下部导体印刷
干燥
烧成
绝缘层印刷
电阻体印刷
烧成
干燥
上部导体印刷
烧成
干燥
干燥
烧成
玻璃覆层印刷
干燥
烧成
电阻修边调整
完成
检查
丝网印刷工艺
丝网印刷
丝网 对于通常厚膜印刷的丝网来说，导体用
300～400目，电阻体用200～300目，介电体用200目 左右。感光乳胶层的厚度一般为10～20μm。丝网尺 寸特别对于脱离式印刷而言，由于刮板的压力实现 丝网与基板的接触，即利用了丝网的弹性进行印刷， 故为了防止弹性较小的不锈钢发生不可恢复的永久 性形变，希望应变量小些。对于精度要求较高的厚 膜印刷来说，丝网尺寸一般取印刷图形尺寸的3倍 左右。
二. 厚膜材料
厚膜导体材料 厚膜电阻材料 厚膜介质材料 厚膜功能材料
1. 厚膜导体材料
厚膜导体中的导体材料分为贵金属和贱金属两大 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，或由导体中添加百分之几的玻璃 来实现。
对厚膜导体金属的要求有：
① 电导率高，且与温度的相关性小； ② 与玻璃不发生反应，不向厚膜介电体及厚膜电阻体中扩散； ③ 与介电体及电阻体的相容性良好； 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。
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。
造成物质扩散迁移的外因有高电流密度、高温 度、大的温度梯度、接触电阻等。从内因讲，有构 成物质的体系、晶体度、内部缺陷等。内因、外因 之间随时都在发生作用。
一般，物质的迁移容易沿晶界进行，即物质的迁 移与其微观结构关系很密切。可解释为：
上表所示，往往最底层采用NiCr，Cr，Ti等附着性 好的膜层，最上层采用容易热压附着或容易焊接的 Au及Pb·Sn等。但是，当两种金属薄膜结合时，往往 比块体材料更低的温度下就产生明显扩散，生成化 合物。
连接与布线的形成及注意点
SiIC中Al布线可由Cr-Au代替。
Cr-Au与玻璃之间有良好的附着性，无论对p型还时 n型Si均能形成欧姆结合。Cr-Au成膜有两种方法， 其一是将基板加热到250℃，依次真空蒸镀Cr和Au； 其二是采用溅射法沉积。 但Cr-Au系中可能引起劣 化的机制之一是Cr向Au中扩散,由此会引起电阻增 加。
薄膜的问题: 1、要形成原子级的有序堆积，成膜设备昂贵 2、薄膜更容易被腐蚀，更容易受到机械损伤 3、与基板的附着力比用烧结法形成的厚膜差 4、成膜过程中的原子原子团簇比粉末更容易被氧化，
因此对成膜材料的抗氧化性和成膜环境要求更 5、更容易发生迁移现象。
四. 薄膜材料
导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料
最大的缺点是易迁移。是由于Ag与基表面吸 附的水份相互作用，形成不稳定的AgOH，易氧 化析出Ag。添加Pd或Pt抑制。
一些主要的厚膜导体：
Ag-Pd； Ag中添加Pd，当Pd/(Pd＋Ag)>0.1左右时即产生效果。
Ag/Pd比一般控制在（2.5:1）~（4.0:1）。 Ag/Pd比与厚膜的电阻值及耐焊料浸蚀关系如下图1：
一定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，故有成为丝网漏印。
刮板
浆料
漏印网版
被印刷物
３. 丝网印刷工艺
丝网印刷是制作厚膜电路的主要方法。这种厚膜基 板的制作工艺为下流程所示。整个过程要经过反复 多次进行丝网印刷、干燥、烧成过程。设备投资低， 具备印刷机、干燥炉、烧成炉即可成膜。
基板
备注：目数＝25.4[mm]/(丝径[mm]+开口长度[mm])
丝网印刷工艺
刮板
刮板的形状有下三种：菱形刮板、平行刮板、剑 形刮板。刮板的材料硬度按橡胶常用的HS（肖氏 硬度）来标定，厚膜印刷使用的刮板硬度一般在 60～80HS范围内。材料一般为聚氨酯类、氯丁橡 胶、炭氟化合物等，选材聊特别要注意不能受浆 料中溶剂等浸蚀。
厚膜图形形成方法
厚膜成膜技术
厚膜图形印刷方法
２.厚膜印刷（丝网印刷）法
是 通过网版在基板表面印
刷厚膜导体浆料，形成于
网版对应的图形。由于浆
料仅印刷在需要的部位， 因此材料的利用率高。
缺点：线条精细度差，分
辨率低，多次印刷难保图
形一致。
丝网
丝网制板
丝网
乳胶膜
印刷 浆料
浆料
烧成
基板
感光乳胶膜
在漏印网版与基板之间保持一定间隙，用刮板以
1. 导体薄膜材料
材料的种类和性质
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。 为保证金属－半导体之间的连接为欧姆结合，需 要达到：
① 金属与半导体的集合部位不形成势垒; ② 对于n型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小; ③ 对于p型半导体，与上述相反； ④ 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，
LK介电质：非晶玻璃（filled glass: FG）和晶态玻 璃（crystallizable glass: CG）二类玻璃系列。
HK介电质：以BaTiO3为主要成分的介电质。
4. 厚膜功能材料
可分为传感功能元器件和电子回路功能元器件两 大类。
厚膜温度传感器具有体薄量轻、易实现微型化、 热容量小、响音速度快、可直接做在回路基板上 等优点。所以，在汽车等应用中的前景看好。
伴随着高热导基板的开发，在N2中烧成用的 LaB6，SnO2系还有各类硅化物系等电阻体也 先后发表。
3. 厚膜介质材料
通常分为HK（高介电常数）介电体和LK （低介 电常数）介电体。
前者介电常数在数百以上，主要用于厚膜电容器 的介电质，后者的K值在10以下，多用于表面钝 化、交叉层绝缘层、多层布线绝缘层以及低容量 电容器等。
其主要功能有：
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 及膜的形式与基板作为一体，元器件搭载在基板上 并与导体端子相连接，使整个系统的小型化、高性 能、低功耗、高可靠性及经济性能方面有重大提高。