电子封装材料之功能陶瓷_下篇

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薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质导体薄膜的主要用途形成电路图形，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—半导体间连接为欧姆接触，要求：金属与半导体的结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2、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2、薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质实际情形随半导体的表面处理，在导体和半导体表面往往会存在薄的氧化膜，但电子通过隧道效应可穿过此膜层，因此并不存在很大的问题依表面处理条件不同，半导体的表面状态会发生变化，相应金属及半导体的功函数也会发生变化功函数还与表面能级、晶体取向等相关，必须注意其值的变化2、薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质其他布线及电极用的导体材料，还应具有下述特性：电导率要高对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接热导率高、机械强度高，对于碱金属离子及湿度等的电化学反应要尽量小高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象附着力大，成膜及形成图形容易可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻可进行Ａｕ丝、Ａｌ丝引线键合及焊接等加工2、薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质实际情形单一种导体不可能满足上述所有要求构成电子电路往往需要多种导体膜的组合2、薄膜材料导体薄膜材料而且相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是多种导体膜积层化，以达到上述各种要求多层金属组合的实例2、薄膜材料导体薄膜材料多层组合薄膜说明导体的表面方阻均在５０ｍΩ／□以下进一步降低电阻，需要在Ａｕ膜上再电镀Ａｕ所列的材料组合之外，在半导体ＩＣ的电极凸点及梁式引线部分，还采用Ａｕ－Ｐｄ－Ｔｉ，ＳｎＳｂ－Ｃｕ－Ｃｒ，Ａｕ－ＷＴｉ等组合，以及ＰｔＳｉ，Ｐｄ２Ｓｉ，ＣｒＳｉ等金属硅化物作导体。

Ａｕ可满足上述条件中的大部分单独使用时与基板及ＳｉＯ２等膜层的附着力太低往往在最底层采用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ＰｂＳｎ等但两种金属薄膜相互结合时，往往在比块体材料更低的温度下就产生明显扩散，生成化合物。

2、薄膜材料导体薄膜材料Ａｌ特点Ｓｉ基ＩＣ常用导体材料与作为ＩＣ保护膜的ＳｉＯ２间的附着力大对于ｐ型及ｎ型Ｓｉ都可以形成欧姆接触可进行引线键合电气特性及物理特性等也比较合适价格便宜作为ＩＣ用的导体普遍采用但随环境、气氛温度上升，Ａｌ与Ａｕ发生相互作用，生成金属间化合物，致使接触电阻增加，进而发生接触不良Ａｌ当Ａｌ中通过高密度电流时，向正极方向会发生Ａｌ的迁移，即所谓电迁移在５００℃以上，Ａｌ会浸入下部的介电体中在ＭＯＳ元件中难以使用尽管Ａｌ的电阻率低，与Ａｕ不相上下，但由于与水蒸气及氧等发生反应，其电阻值会慢慢升高。

Al与Au会形成化合物 Al端子与Au线系统在300℃下放置2～3ｈ，或者使气氛温度升高到大约４５０℃，其间的相互作用会迅速发生，致使键合部位的电阻升高此时，上、下层直接接触，Au、Al之间形成脆、弱AuAl2、AuxAl 等反应扩散层。

造成键合不良采用Au－Au组合或Al－Al组合。

在Au、Al层间设置Pd、Pt等中间层，可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构Ａｌ存在电迁移 Al导体中流过电流密度超过106A/cm2 或多或少地发生电迁移现象气氛温度上升，电迁移加速，短时间内即可引起断线 Al导体膜在大约300℃长时间放置，会发生“竹节化”，即出现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分进一步在500℃以上放置，Al会浸入到下层的SiO2中，引起 Si基板上的IC短路因此，使用Al布线的ＭＯＳ器件，必须兼顾到附着力、临界电压、氧化膜的稳定性、价格等各种因素，对材料进行选择。

连接与布线的形成及注意点Si IC中的Al布线可由Cr－Au代替。

Cr－ Au与玻璃间具有良好的附着性，ｐ型、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 Cr－Au系中Cr膜的膜厚及电阻率如表３－６所列连接与布线的形成及注意点Cr－Au系可能引起劣化的机制 Cr向Au中的扩散，由此会引起电阻增加 Mo－Au系比Cr－Au系在更高些的温度下更为稳定其成膜通常采用真空蒸镀法将基板加热到２６０℃，先蒸镀约１００ｎｍ的Ｍｏ，接着蒸镀３０ｎｍ的Ａｕ，而后将基板温度降至１００℃以下，再蒸镀约３００ｎｍ的Ａｕ。

最后，将基板温度降至４０℃以下，取出Ｍｏ在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定连接与布线的形成及注意点ＮｉＣｒ－Ａｕ薄膜导体中应用广泛制备工艺先蒸镀０.１μｍ的ＮｉＣｒ合金膜，再蒸镀０.１μｍ的Ａｕ这种膜层在200～400℃的干燥Ｎ２气氛中放置２４ｈ，电阻值有明显增加。

Ａｕ上蒸镀Ｎｉ膜的系统在１５０℃会形成金属间化合物Ｐｄ-Ａｕ，在０.３μｍ的Ｐｄ膜上蒸镀０.３μｍ的Ａｕ２７５℃老化，未发现生成化合物有少量Ｐｄ固溶于Ａｕ中，300附近，膜层阻值急剧增加连接与布线的形成及注意点以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需在Ａｕ与Ｔｉ之间加入Ｐｔ阻挡层。

Ａｌ－Ｔｉ系１００～１５０℃即形成Ａｌ与Ｔｉ的化合物，使膜层阻值增加导体膜的劣化及可靠性成膜后造成膜异常的主要原因一是由于严重的热失配，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，造成电路断线二是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，特别是几个因素联合作用时，效果更明显导体膜的劣化及可靠性造成物质扩散迁移的内因有构成物质的体系晶粒度内部缺陷内因、外因之间随时都在发生作用Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ系电流密度高，造成膜内晶粒不断长大，即自发热效应与热处理具有同样的效果通常情况下，导体温度上升会加速组元之间的相互扩散，形成反应扩散产物，造成机械强度下降及电阻升高等，反过来又造成温度升高，恶性循环，急速造成破坏导体膜的劣化及可靠性如超过１０５Ａ／ｃｍ２的高电流密度是造成导体劣化的主要机制之一该机制是：导体中大量较高能量的传导电子对原子的动量传递作用，使其向阳极方向迁移当原子从导体中的某一位置离开时，会在该位置留下空位空位浓度取决于某一场所空位流入量加上产生量与流出量之差。

若此差值为正，则造成空位积蓄，空位积蓄意味着导体的劣化。

克根达耳效应由于扩散组元之间自扩散系数不同引起的自扩散系数大的组元的扩散通量大，自扩散系数小的组元的扩散通量小随扩散进行，若导体宏观收缩不完全，则原来自扩散系数大的组元含量高的场所，将有净空位积累，从而引起导体劣化导体膜的劣化及可靠性物质迁移容易沿晶界进行——物质的迁移与其微观结构关系很密切温度不是很高，晶界扩散系数比体扩散系数大得多。

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，易于离子迁移晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而异，因此离子的迁移率在各处都不相同，离子沿晶界的传输量因位置不同而异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导体膜的劣化及可靠性劣化模式是上述各种机制的组合平均故障时间ＭＴＦ与微观的结构因子数相关，特别是导体的长度与宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等影响很大为了增加ＭＴＦ，在条件允许的情况下应尽量采取如下措施：减小导体长度增加导体膜的宽度与厚度减小ＭＴＦ的标准偏差增加膜层的平均粒度等。

实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，钝化层及封装的缺陷也常常是造成劣化的原因此外还要特别注意异常状态及环境变化等。

薄膜电感薄膜电感具有很多优点，但是也存在一些使用方面的限制制作技术将低电阻导体膜形成螺圈状，中间用绝缘层交插绝缘，并引出接线端子即形成薄膜电感薄膜电感的电感量很小几何条件所限，仅为２～３ｎＨ，用途受到限制采用铁氧体基板，使导体螺旋成膜电感量可达２０～３０ｎＨ，提高一个数量级要达到更大电感量，元件所占面积太大，不现实在铁氧体磁芯上绕线的小型电感的电感量可达２～３ｍＨ，多作为外设的片式元件用于电路2、薄膜材料电阻薄膜材料薄膜电阻用原材料电阻率范围：１００～２０００μΩｃｍ作成方阻值为１０Ω／□～１０００Ω／□的薄膜方电阻１０Ω／□以下的低方阻值电阻需求不多获得高方阻值薄膜电阻方法增加电阻膜长度减少电阻膜厚度电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数ＴＣＲ<１００×１０－６／℃要求其电气性能稳定薄膜电阻制造方法真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法2、薄膜材料电阻薄膜材料制作方法对薄膜电气特性影响：薄膜厚度：薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成ＴＣＲ减小、电阻率升高但非常薄的膜为不连续的岛状结构，由此可能造成负的ＴＣＲ。

这种膜容易发生凝聚或氧化，除少数几种物质外，特性不稳定膜层过厚时内部畸变大，特性也不稳定。

若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体，由于引起电子散射，使ＴＣＲ变小，长期稳定性变差。

组分：在金属—绝缘体、金属陶瓷等多相系中，因组分比易发生偏离，膜的均匀性不好，由于过剩成分的氧化，稳定性差。

单相与复合系：单相薄膜具有正TCR和较低的电阻。

但组成复合系，例如ＮｉＣｒ等，由于各成分的ＴＣＲ相抵消，使ＴＣＲ变小，阻值升高其他：基板表面沾污、凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材质、成膜速率等都会造成特性的分散，并影响稳定性等电阻薄膜材料代表性的薄膜电阻材料，分为单一成分金属合金金属陶瓷三大类陶瓷薄膜电阻陶瓷电阻薄膜金属陶瓷和Ｔａ２Ｎ膜－陶瓷电阻薄膜自混合集成ＩＣ开发的初期就开始使用金属陶瓷电阻膜金属和陶瓷的混合膜，其中有Cr－SiO，Cr－MgF2， Au－SiO等系统 Cr－SiO特性稳定，在不同的SiO含量（25％～90％）下，可以获得电阻率为4.3×10-3～3.1×10-4Ωｃｍ的电阻膜陶瓷电阻薄膜Ｔａ２Ｎ电阻膜晶体结构、电阻率、ＴＣＲ与Ｎ２分压的关系Ｎ２分压增加，β－Ｔａ→→β－Ｔａ＋α－Ｔａ→→α－Ｔａ＋Ｎ２→→α－Ｔａ＋Ｔａ２Ｎ→→Ｔａ２Ｎ＋ＴａＮ→→ＴａＮ次序变化在含有Ｔａ２Ｎ的区域，膜层的电阻率大，ＴＣＲ接近零，而且特性偏差小，阻值的经时变化小。

因此，处于该区域的材料适于制作电阻膜调节Ｔａ２Ｎ膜电阻率一般采用阳极氧化法，在其表面形成绝缘体Ｔａ２Ｏ５。