《薄膜材料》PPT课件

浆料印刷法形成的膜层——厚膜，前者膜厚多，厚～ 200微米
薄膜的真空沉积法优点
可以得到各种材料的膜层 镀料气化方式很多（如电子束蒸发、溅射、气体源等），控 制气氛还可以进行反应沉积
通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择，可以对界面结 构、结晶状态、膜厚等进行控制，还可制取多层膜、复合膜及 特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁，故便于通过 光刻制取电路图形
特别是可直接印刷电路图形。
典型的成膜方法
电镀和化学镀成膜
是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成 膜的方法
电镀 促进电场析出的还原能量由外部电源提供
化学镀 需添加还原剂，利用自分解而成膜
电镀或化学镀成膜的特点 可对大尺寸基板大批量成膜，与其他成膜方法 相比，设备投资低 需要考虑环境保护问题
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
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
从道理上讲，这种方法ຫໍສະໝຸດ 以在任何基板上沉积任何物 质的薄膜，但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料 及合金材料的成膜
典型的成膜方法 ＣＶＤ法
泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程
该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散，气 态化合物与基板表面的反应，气态化合物的分解，或者是 气态化合物之间的反应等
以此负图形为“模型”，在其槽中 印入导电浆料或沉积金属膜层，即 所谓“填平”
最后将残留的光刻胶剥离 缺点：采用印刷法填平时，导电胶
膜中容易混入气泡
蚀刻法
化学蚀刻法： 印刷电路图形材料的浆料、烧成 涂布光刻胶、电路图形掩模曝光 化学蚀刻去除部分光刻胶 有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极 材料 问题 使用有机溶剂，废液处理比较困难 有时线条会出现残差（残留）
厚膜印刷法
工艺过程 通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料，形成 与网版对应的图形 经烧成法形成电路图形
特点 浆料仅印刷在需要的部位，因此材料的利用率 高 印刷机的价格较低，可降低设备总投资
缺点 线条精细度差 图形分辨率低 多次印刷难以保持图形的一致性
喷沙法
工艺过程： 在基板全表面由电路图形材料成膜 在表面形成光刻胶图形 经喷沙去除掉不需要的材料部分，保留 光刻胶图形覆盖的部分 剥离光刻胶后得到所需要的电路图形
典型的成膜方法 厚膜印刷法
是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂 等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂 等均匀混合，调制成符合丝网印刷要求的浆料， 利用丝网印刷等工艺，在基板上印刷图形，经烧 成，有机粘结剂挥发而成膜的方法
特点：工艺简单、设备投资少，在低价格的优 势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜
积过程中伴随有表面参与的化学反应
1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术
薄膜、厚膜区分通常无实际意义
针对具体膜层形成方法
膜层材料
界面结构
结晶状态
晶体学取向
微观组织
各种性能和功能
进行研究更有用
电子封装工程涉及膜层：膜厚１μｍ～数百微米
按膜层的形成方法：
真空法(干式)和溶液法(湿式)沉积得到的膜层——薄 膜，为数微米
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，Ｓｎ·Ｓｂ－Ｃｕ－Ｃｒ，Ａｕ－Ｗ·Ｔｉ 等组合，以及ＰｔＳｉ，Ｐｄ２Ｓｉ，ＣｒＳｉ等金属硅化物作导体。
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
第四章 薄膜材料与工艺
1、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术 1.1 薄膜和厚膜 1.2 膜及膜电l路的功能 1.3 成膜方法 1.4 电路图形的形成方法 1.5 膜材料
2、薄膜材料 2.1 导体薄膜材料 2.2 电阻薄膜材料 2.3 介质薄膜材料 2.4 功能薄膜材料
1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术
若低于此，则操作难度太大，成品率太低
元件搭载
想提高封装密度，需要由四侧引出端子的ＱＦＰ方式转变为 平面阵列布置端子的ＢＧＡ方式
这样，端子节距提高（１.０ｍｍ，１.５ｍｍ）的同时，反而 降低了实装密度
对ＢＧＡ来说，端子节距由１.５ｍｍ降为１.０ｍｍ，实装面 积可减小到１／（１.５×１.５）＝１／２.２５
这些反应的共同特点是，至少要有一种固态产物生成，并 且以薄膜的形态沉积在基板表面上
化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体，多采用 碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等
ＣＶＤ法成膜材料范围广泛，除碱金属、碱土金属之外， 几乎所有材料均可以成膜，特别适用于绝缘膜、超硬膜等 特殊功能膜的沉积
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
印制线路板（ＰＷＢ）的发明，使电路以膜的 形式与基板作成一体，元器件搭载在基板上并 与导体端子相连接，这对于整个系统的小型化、 高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都 有重大贡献
三维立体布线方式的ＰＷＢ多层板、陶瓷多层 共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现， 对于提高封装密度起着十分关键的作用
设备投资大 工艺不容易掌握
掩模法
工艺过程 机械或光刻制作“正” 掩模 将掩模按需要电路图形位置定位 真空蒸镀等方法成膜 借助“正”的掩模，基板表面形成所需要的电路 图形
优点 工序少、电路图形精细度高
缺点 需要预先制作掩模 有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不 便于掩模沉积
金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板 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
1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 成膜方法
按干式和湿式对分类 干式：
PVD（物理气相沉积）——真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀 ＣＶＤ（化学气相沉积） 湿式： 电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶－凝胶、厚膜印刷法
20世纪60年代，出现薄膜制备技术
在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜，用以形 成小型元器件及电路等
进入晶体管时代
从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路，膜技术便成为 整套工艺中的核心与关键。
1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术
薄膜和厚膜
与三维块体材料比较：一般地，膜厚度很小，可看作二维
通过丝网印刷，可直接形成电路图形 膜层较厚，经烧结收缩变得致密，电阻率低，容易实现很低的电路电阻 导体层、电阻层、绝缘层、介电质层及其他功能层都可以印刷成膜 容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基板 设备简单，投资少
1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 膜及膜电路的功能
电气连接
薄膜和厚膜 电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展，源于
与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及 信息处理能力的急速提高
系统的大规模、大容量及大型化 要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化
晶体管普及之前
真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料，电子管插在管 座上由导管连接，当时并无膜可言
元件搭载
芯片装载在封装基板 无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘
元器件搭载在基板上 特别是ＬＳＩ封装体实装在基板上，无论采用ＤＩＰ、ＳＭ Ｔ、ＣＯＸ、ＭＣＭ等哪种方式，都离不开导体端子
焊盘，端子都是膜电路的一部分。 在许多情况下，引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式
是决定封装类型及封装密度的关键因素 批量生产ＱＦＰ来说，最小端子节距的界限为０.３ｍｍ，
通常，不需要部位的电路图形材料应完全去除 实际上，电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成图
形后，应该去除的部分往往不能完全去除掉，而 是有一部分残留下来
蚀刻法
薄膜光刻法： 用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板 表面形成电路材料的薄膜 光刻制取电路图形
可以获得精细度很高的图形 所形成膜层的质量高 膜厚可精确控制 缺点：
➢以LCD（液晶显示器）中所采用的ＴＦＴ（薄膜三极管）玻璃复合基板为例
特殊功能 ➢玻璃基板分前基板和后基板两块
➢前基板：形成偏光膜、滤色膜、ITO膜，后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等 ➢液晶夹于二者之间 ➢受TFT控制的非晶硅（a－Si）图像传感器按阵列布置在后基板上，并由Cr／a－Si/ITO构成
典型的成膜方法 真空蒸镀及溅射法
真空蒸镀：是将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸气的原子 或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法
主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成膜