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。