电子元器件厚膜技术介绍
厚膜电路(HIC)技术基础知识

厚膜电路(HIC)技术基础知识随着半导体技术、小型电子元器件及印制板组装技术的进步,电子技术在近年来取得了飞速发展。
然而,过多的连线、焊点和接插件严重地阻碍了生产率和可靠性的进一步提高。
此外,工作频率和工作速度的提高进一步缩短信号在系统内部的传输延迟时间。
所以这些都要求从根本上改革电子系统的结构和组装工艺。
从上世纪六十年代开始,厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广、精度和稳定度高、电路设计灵活性大、研制生产周期短、适合于多种小批量生产等特点,与半导体集成电路相互补充、相互渗透,业已成为集成电路的一个重要组成部分,广泛应用于电控设备系统中,对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。
虽然在数字电路方面,半导体集成电路充分发挥了小型化、高可靠性、适合大批量低成本生产的特点,但是厚膜混合集成电路在许多方面,都保持着优于半导体集成电路的地位和特点:·低噪声电路·高稳定性无源网络·高频线性电路·高精度线性电路·微波电路·高压电路·大功率电路·模数电路混合随着半导体集成电路芯片规模的不断增大,为大规模与厚膜混合集成电路提供了高密度与多功能的外贴元器件。
利用厚膜多层布线技术和先进的组装技术进行混合集成,所制成的多功能大规模混合集成电路即为现在和将来的发展方向。
一块大规模厚膜混合集成电路可以是一个子系统,甚至是一个全系统。
厚膜混合集成电路的工艺过程厚膜混合集成电路通常是运用印刷技术在陶瓷基片上印制图形并经高温烧结形成无源网络。
制造工艺的工序包括:·电路图形的平面化设计:逻辑设计、电路转换、电路分割、布图设计、平面元件设计、分立元件选择、高频下寄生效应的考虑、大功率下热性能的考虑、小信号下噪声的考虑。
·印刷网板的制作:将平面化设计的图形用显影的方法制作在不锈钢或尼龙丝网上。
·电路基片及浆料的选择:制作厚膜混合集成电路通常选择 96% 的氧化铝陶瓷基片(特殊电路可以选择其它基片),浆料一般选择美国杜邦公司、美国电子实验室、日本田中等公司的导带、介质、电阻等浆料。
厚薄膜技术

厚膜薄膜技术的区别
相对于三维块体材料,从一般意义上讲,所谓膜,由 于其厚度尺寸小,可以看着是物质的二维形态。在膜 中又有薄膜和厚膜之分。
按膜厚的经典分类认为,小于1μm的为薄膜,大于1μm 的为厚膜。
另一种认为,厚膜与薄膜的概念并不单指膜的厚度, 而主要是还是指制造工艺技术的不同。厚膜是通过丝 网印刷(或喷涂)和烧结(聚合)的方法,而薄膜是 通过真空蒸发、溅散、气相化学淀积、电镀等方法而 形成。
印刷多层法
它是在生的氧化铝陶瓷基板上 印刷和干燥Mo、W等导体层,然 后再其上印刷和干燥与基板成分 相同的Al2O3介质浆料,反复进行 这种工序到所需层数,再将这种 基板在1500-1700的还原气氛中烧 成,基板烧成后,在导体部分镀 镍、金以形成焊区,焊接外接元 件。
பைடு நூலகம்
生板(片)叠层法
它是在冲好通孔的氧化铝生片上印刷Mo、W等导体 ,然后将这种印好导体图形的生片合叠到所需层数, 在一定的压力和温度下压紧,再放到1500-1700℃的还 原气氛中烧结成一个坚固的整体。
(3) 厚膜浆料的烧结
在干燥以后,零件被放在带式炉的传送带上,与干燥 的工作曲线一样,每一种浆料的制造商都为他们的产 品设计了精确的曲线,应该向他们咨询最新的信息。
厚膜的烧结炉必须能够具备以下几点: (1)清洁的烧结炉环境; (2)一个均匀可控的温度工作曲线; (3)均匀可控的气氛。
厚膜材料
多层陶瓷基板
所谓多层陶瓷基板,就是呈多层结构,它是用来作多层 布线用的。目前用的最多的主要是氧化铝多层陶瓷基 板。多层化的方法有三种:
厚膜多层法—用烧成的Al2O3板 印刷多层法—用未烧成(生)的基板 生板(片)叠层法—用生板(带有通孔)
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。
第3章 厚薄膜电路

溅射蚀刻优点
(1)膜下的材料不存在任何钻蚀问题,气体离 子以基板的法线方向撞击基板。这就意味着没有 任何离子从切线方向撞击膜,因而侧面平直,与 其相反,化学蚀刻的速率在切线方向与法线方向 是相同的。因此,造成与薄膜厚度相等的钻蚀。
(2)由于不再需要用来蚀刻薄膜的烈性化学物 质,所以对人员的危害较小,而且没有污水处理 的问题。
电阻丝蒸发与电子束蒸发(2)
电子束蒸发法具有很多的优点。通过电场 加速的电子流在进入磁场后倾向与呈弧线运动, 利用这种现象,把高能电子流直接作用在蒸发 物质上。当它们轰击到蒸发剂时,电子的动能 转变成热。因为舟的电阻并不是一个影响因素, 而控制电子能量的参数是容易测量和控制的, 所以电子束蒸发是更容易控制的。此外,热将 更集中和强烈,使得在高于10-2torr温度下蒸发 成为可能,也减轻了蒸发剂与舟之间的反应。
图 电子束蒸发装置示意图
2、溅射法—可制备各类金属、合金、化合物薄 膜。
直流溅射—制备各类金属膜
磁控溅射–-是一种淀积速度高、工作气压低的溅射 技术,提高了淀积速度及膜质量,
反应溅射—采用纯金属作为靶材,在气体中混入适 量的活性气体,获得不同的化合物薄膜。
溅射淀积薄膜
如图所示,在一个大约10Pa压力的局部真空里形 成一个导电的等离子体,用于建立等离子体所用的气 体通常是与靶材不发生反应的某种惰性气体,例如氩 气。基板和靶材置于等离子体中,基板接地,而靶材 具有很高的AC或DC负电位,高电位把等离子体中的 气体离子吸引到靶材上,具有足够动能的这些离子与 靶材碰撞,撞击出具有足够残余动能的微粒,使其运 动到达基板并黏附其上。
第3章
厚/薄膜技术
概述
厚膜技术使用丝网印、干燥与烧结三种工艺方法。 薄膜技术是一种减法技术,使用镀膜、光刻与刻蚀方法。 均用于制作电阻、电容、基板上的布线导体等。
薄厚膜技术

➢薄膜技术
薄膜技术是一种减法技术,在整个基板上覆几层金属
膜,一些不需要的部分被光刻掉。用光刻工艺形成的 图形比厚膜工艺能够形成的线条更窄、边缘更清晰。 这个特性促进了薄膜技术在高密度和高频领域的应用 薄膜技术利用热蒸镀、电子束蒸镀、溅镀、化学气相 沉积等薄膜镀着技术配合微影成像与蚀刻等技术在基 板上制成导线电路与各种电阻、电容等元件。
➢厚膜技术
厚膜技术是采用丝网印刷和烧结等工艺,将传统无
源元件(电阻、电容)及导线电路形成于散热良好 的陶瓷绝缘基板表面。 厚膜技术的基本内容是印刷和烧结。 网印是使用刮刀将导体浆料、电阻浆料和介质浆料 等刷过镂刻有电路图形的网板或金属板,以在陶瓷 基板表面形成所需的电路、电阻、电容图形,再经 过烧结或聚合完成膜与基板的粘接。 烧结技术也包括陶瓷基板的制作。
✓ 电容材料 氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(Si3N4)
✓ 绝缘层材料 氧化硅、聚亚醯胺
光刻
在光刻工艺中,基板上涂一层光敏材料,紫外线透过在玻璃 上形成的图案对光敏材料进行曝光。不需要的材料,即没有 被光刻胶保护的部分,可以通过“湿法”(化学)刻蚀来去 除,也可以通过“干法”(溅散)刻蚀去除。
化学刻蚀仍然是薄膜刻蚀的最常用的方法,但许多制造商 用采用溅射刻蚀。在这项技术中,基板覆盖上光刻胶,与化 学刻蚀完全一样的方法露出图形。接着将基板放置于等离子 体内,加上电位。实际上,在溅散刻蚀过程中基板起靶的作 用,气体离子轰击薄膜的暴露部分除去不需要的材料。光刻 胶膜比溅散的薄膜厚很多,故它是不受影响的。
先用丝绸、尼龙或不锈钢丝编织成的网绷紧在框架上 ,再将刻有导体或电阻图形的有机膜或金属箔(称掩模 )贴到丝网上。
印刷时,将基板放在丝网下面,而将浆料放在丝网上 面,然后用橡胶或塑料制成的刮板以一定的速度和压力 在丝网上移动,使它通过掩模上的开孔图形而漏印到基 板上,于是在基板上便得到该浆料印出的所需图形。
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。
厚膜热敏电阻技术

厚膜热敏电阻技术
厚膜热敏电阻技术是一种利用丝网印刷或其他涂覆工艺将含有热敏材料的浆料沉积在绝缘基板上,经过干燥和高温烧结形成具有一定厚度(通常为几微米到几十微米)的电阻层的技术。
这种电阻层对温度变化具有高度敏感性,可以用来测量、控制或补偿电路中的温度变化。
具体制造过程包括:
1.制备浆料:选择合适的负温度系数(NTC)或正温度系数(PTC)热敏电阻材料作为功能相,并将其与有机载体、溶剂和其他添加剂混合制成浆料。
2.丝网印刷:使用精密的丝网模板将浆料均匀地印刷在陶瓷、玻璃或金属等基板表面。
3.干燥:将印刷好的浆料在一定条件下进行预干燥,去除有机载体和溶剂,留下固体颗粒紧密排列的膜层。
4.烧结:在较高的温度下进行烧结处理,使得功能相材料颗粒之间相互结合并形成连续的导电网络结构,从而获得具有稳定热敏性能的厚膜。
5.切割与引线:将烧结后的厚膜按照需要尺寸切割,并通过焊接等方式连接外部引线,使其能够接入电路系统中工作。
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(MCI\4 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。
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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。
Sadayuki Nishiki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。
Jerry Steinberg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。
Todd Williams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。
Todd Williams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Brush WellmanInc.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。