厚薄膜混合集成电路课件-4-5-6厚膜工艺

※ 4.1.7 低温共烧陶瓷（LTCC）
表4-3 低温共烧LTCC超过其他厚膜工艺的优点
超过HTCC的优点
较低的烧成温度（850-950℃对12001500℃）
标准的良好的烧成环境（空气对氢/氮气） 使用低电阻率的导体的能力（金、银和 铜对钨或钼） 不需要电镀
能共烧和集成无源元件（电阻、电容、 电感器）
※ 4.1.1 丝网印刷
丝网印刷所产生 的图形取决于使 用正的或负的原 图和已在丝网上 正的或负的光敏 乳胶
※4.1.1 丝网印刷
影响厚膜电路质量的因素
丝
流厚
网
性膜
本
和浆
身
流料
的
动的
质
性液
量
※4.1.1 丝网印刷
➢丝网是由贴到网框上的拉紧的网布，再加上光敏乳胶。 ➢丝网的目数：每英寸长的丝网布中的开口孔数，它决定了导体和电阻的 尺寸及它们的公差，导线之间的间隔和孔的尺寸。
气保护炉内烧成。 允许使用金、银等高导电率的导体浆料，适用于高速电路，如RF
电路； 无源器件能与陶瓷共烧，埋入单片结构中。 2）通过用LTCC将互连基片、封装和引线一体化的设计方法，能产生非常 扁薄的封装 3） 可产生复杂形状或三维电子线路和封装。
用LTCC工艺生产部件有如下缺点： 由于有高的玻璃含量（50%或更大），所以热传导率非常低（2-3 W/m∙K） 较低的结构强度，原因仍是由于高的玻璃含量； 当烧成时瓷带收缩。
低的介电常数
CTE与硅器件更匹配
更好的尺寸和翘曲度控制
超过顺序烧成厚膜工艺的优点 成批层压和共烧
做多层基片时层数可以做的更多 工艺步骤少，成本低
高密度互联基片能与密封封装集成 能形成空腔和特定形状的基片 能与埋入的无源器件共烧 导体有更大的附着力
能焊散热片、引线框架和密封环 能控制和增加介质厚度及控制平整度
网 上
具有轮廓清晰，操作简单的优点。
的
三
种
直接-间接法：先把以一单独的光敏膜贴到丝网上，然后在
方
丝网上曝光和显影。
法
优点：轮廓清晰，操作简单、允许加各种乳胶膜。
※4.1.1 丝网印刷
➢液流性，特别是触变性对获得可预测的和可重复生产的小的、分 辨率高的小孔、电阻/导体的几何图形和厚度特别重要 ➢触变性是一种可变的流动性，浆料粘度在静止时不流动或很少流 动，有点像固体的性质，但在加上切变力时，粘度突然减小，能够 很快流动，去掉切变力后，粘度再次增加。
高I/O输出脚数的VHSIC共烧 氧化铝陶瓷的封装
共烧带金属化结构
※ 4.1.6 高温共烧陶瓷（HTCC）
表4-2 厚膜工艺和高温共烧（HTCC）带工艺的比较
厚膜
高温共烧带
顺序丝网印刷、干燥、烧成
叠层层压，仪器烧成
在850-1000℃的空气中烧成
在＞1500℃的氢气中烧成
允许用各种导体和介质浆料
只能用难熔金属导体和高含量玻璃介质
※ 4.1.2 干燥
干燥工艺：通过适当地加热从丝印完的浆料中去掉有机 溶剂。
1）新印完浆料的基片先在空气中凉干5-10min，让其流平。
2）通过温度为120-150℃的带式炉，让其完全干燥，时间约10~20 min， 在这期间，有机溶剂挥发跑掉。
有些情况下，新印完的基片在提高温度干燥前，室温下 凉干1h到几小时能得到更好的结果。这样可缓慢地去掉溶剂 并流平，减小浆料的流动和尺寸的变化，避免产生气泡。
※ 4.1.3 烧成
干燥以后基片被送入有几个温区的高温带式炉（如图4-4 所示）里烧结。
图4-4 干燥炉和烧结炉的剖面
※ 4.1.3 烧成
温区A,200-500℃,暂时性的有机结合剂在空气中氧化分解而被去掉。遇 到这些温度时，结合剂分解成小的气态的碎片，很快通过烟道而被抽跑。 未能完全去掉的结合剂会形成碳化淀积，陷在浆料中，会改变最后产品 的电性能和物理性能。因此，要求有一有效的空气流，使有机材料能定 量地氧化和分解成容易气化的物质。（烧掉区）
M------目数。
线径的范围是0.0008-0.0037in。对325目和200目的丝网常用的线径分别为 0.0011in和0.0016in。
※4.1.1 丝网印刷
丝网上掩膜的质量与性能也是影响厚膜几何尺寸和重复性的关键因 素之一。
加 乳
直接法：光刻胶以液体形式加到丝网上，干燥，曝光显影
胶
到
丝
间接法：图形单独在光敏膜上曝光显影，然后贴到丝网上，
§4.2 直接描入
除了丝网印刷以外，厚膜可以用描入方法直接淀积到基 片上。这是一种受预定程序的控制将浆料加力通过细的喷 嘴流出，由一计算机数据库控制有选择性的流出图形。
优点：
✓不需要丝网和掩模； ✓提供原型和小量到中等量的电 路快速周转；
✓顺从性好，适应表面地形； ✓能很快完成设计反复，拿出新 样品； ✓能描出不同面电阻率的电阻， 在同一步骤中干燥烧成。
LTCC使用低得多的烧成温度，允许使用高电导率的金 属浆料如金、银和铜。它们可以在空气中烧成。
两种工艺差别实质上起源于使用不同的生坯带，LTCC 使用的瓷带有很高的玻璃含量。
※ 4.1.6 高温共烧陶瓷（HTCC）
多层共烧带工艺的主 要优点是能够设计制造 超高密度的20层以上导 体层（IBM为用于主计 算机做的导热模块层做 到60层）的多层互联。 相反，常规的厚膜工艺 切合实际的上限大约为 7层导体。
在丝网印刷工 艺过程中，浆 料粘度的变化
※4.1.1 丝网印刷
★丝网印刷在很大程度上是一种技巧。一个有技巧的操作工，在实 际印刷前，用几次试验就能设置好丝网印刷参数。丝网张力、丝网 角度、刮板速度、刮板压力、刮板角度和接触距离是必须用经验建 立的变量。现已有手动、半自动和全自动的丝网印刷机。
图为一台由微处理机 控制的丝网印刷机 （1505型），该机由 AMI公司生产。
缺点：初始设备成本高，大批量生产速度很慢。
适用：项目早期阶段的样品生产、测试和重复制造，作为过 渡到丝网印刷大批量生产的补充手段。
※ 4.2.1 细线厚膜工艺
通过使用非常细目的不锈钢丝丝网（400目或更细），控制丝 网乳胶厚度，使用基于得到较好控制的更小颗粒度的浆料配方， 小到2mil的线宽和间隔已经有报道。
※ 4.2.1 细线厚膜工艺
➢金属有机分解（MOD）工艺，利用金属有机物分解代替浆料（不像 厚膜浆料那样是不同种类颗粒化合物混合、金属有机物实质上是一种 溶液） ➢主要工艺步骤
a) MOD溶液可以用丝网印刷、自旋涂覆或喷涂方法施加到基片上，干 燥去掉溶剂。
b) 视配方的不同，在580-850℃温度下烧成。金属有机物的有机部分， 烧成时分解和挥发，使留下的自由金属层粘附在基片上。
c) 然后执行正常的光刻、曝光、显影和刻蚀步骤。
➢特点：单次印刷产生的膜非常薄，制作电阻需要2-3次印刷。这种方 法可以得到10微米的导线分辨率。
※ 4.2.1 细线厚膜工艺
➢厚膜浆料本身配制成光敏性 的，然后光刻蚀工艺可以避免 涂覆光刻胶和去胶的步骤。如 右图所示。 ➢工艺原理：早期的组分包含 一种负性的光敏胶材料，它允 许被干燥导体层通过掩模曝光 成掩模的图形，溶解未曝光的 部分，随后进行烧成。
厚薄膜工艺结合的方法
a) 将特殊配方的细颗粒厚度浆料首先印刷在基片的整个表面上，干燥 并烧成。
b) 然后，使用薄膜光刻工艺刻蚀厚膜上的选择性区域。光刻胶用自旋 涂覆、喷涂或压层施加在厚膜整个表面上。
c) 通过有所需图形的掩模用紫外光曝光、接着显影，得到所希望的图 形。
d) 然后，再刻蚀厚膜并剥离光刻胶。 特点：这种工艺（减法工艺）与直接丝网印刷的加法工艺相比有点昂贵， 但是报道已长生窄到15微米的导线宽度和间隔。
※ 4.1.3 烧成
★无玻璃的浆料，其烧成曲线稍有不同， 制网 需要更高的峰值温度（900°~1000°）， 使浆料中的氧化铜与氧化铝之间有更好 的化学反应。
丝网印刷
厚膜高温烧结炉 厚膜电阻激光修调
图4-6 典型的厚膜烧成曲线
※ 4.1.4 多层厚膜工艺
☆通过顺序印刷和烧成方法，在陶瓷基片上制造多层导体、介质 和电阻器，得到高密度的互联基片。 ☆导线和间隔5~10mil，通孔直径为10~20mil，可实现7层互连线。
第四章 厚膜工艺
4.1 制造工艺 4.2 直接描入 4.3 各种浆料 4.4 非贵金属厚膜 4.5 聚合物厚膜
§4.1 制造工艺
厚
丝网印刷
网布材料
膜 电
主要用：
路
制
不锈钢丝
造
干燥
的
网、合成
关
键
丝网（克
工
艺
烧成
龙和尼龙）
※ 4.1.1 丝网印刷
★ 丝网印刷是将粘性的浆料在漏印丝网上用力推动使其通 过网孔将图形淀积到基片上。推动浆料的橡皮刮刀叫刮板， 它将力作用于浆料，使其通过丝网。 ★为了产生丝网漏印版，拉紧不锈钢网布，然后用机械力 或粘结方法将网布固定在金属框架上，金属框架常用铸铝 做成。然后在丝网上产生一种负掩膜，使导体、电阻或介 质浆料能被刮板的力（选择性的漏过丝网网孔）漏印到基 片上，从而在基片上产生图形。
※ 4.1.5 多层共烧陶瓷带工艺
►不同于顺序加工的厚膜工艺。它的基片和全部介质层起初都 处于未烧的状态，称为生坯陶瓷或生坯带。 ►生坯陶瓷或生坯带：是将氧化物、玻璃、有机结合剂、溶剂、 增塑剂进行球磨混合，再将此糊状物流延成大的薄片，干燥而 成。可以被冲孔、剪切。 ►多层共烧陶瓷带工艺：先将生坯带冲孔、剪切，再用厚丝网 印刷方法印刷厚膜导体浆料，形成导线和填孔。这些多层共烧 膜的每一层分别制造，然后对准叠合，在层压机里层压。之后 作为一个整体共烧。烧结一次！
*必须使用钨、钼、锰或其它难 溶金属浆料。 *烧成时必须使用氢气保护。
※ 4.1.6 高温共烧陶瓷（HTCC）
共烧带被广泛用于如超高速集成电路VHSIC这类要求有大量的输入和 输出引脚的陶瓷封装，以及表面组装原件所要求的大面积基片。 不足： 1）电阻器及其它无源元件不能并入高温共烧工艺； 2）热导率低； 3）难溶金属导体降低了内层导线的导电性； 4）外层导体必须镀镍、金以增加表面导电率并提供线焊或锡焊的金属化层。
高目数的丝网如325目或400目比之于低目数的粗丝网能得到更细的线条和间 隔（3-5mil范围）。 低目数的丝网（80目-200目）更适用于印刷较粗的浆料且布要求十分精确的 图形的场合。
➢丝网开口的宽度与网孔数和线径有关，可按下列方程计算：
WO
1 DM M
WO----开口的宽度（in）； D-----线径（in）；
没有附加的电镀要求
顶层钨导体要求镀金
当导体层大于7层时成品率下降
导体层数高到大于20层仍然有优良的成品率
重复设计周转快
重复设计成本高时间长
低的固定成本，适合生产小中等批量生产
高的固定成本，更适合于生产大批量产品
※ 4.1.7 低温共烧陶瓷（LTCC）
LTCC工艺明显优于HTCC工艺： 1) 生坯带能在850℃空气环境下的带式炉内烧成，而HTCC要在1600℃氢
※ 4.1.4 多层厚膜工艺
►由于稳定性问题，电阻不能在高温下重复烧成，必须最后一步烧成。 ►底层基板电阻：需要介质层开窗，厚度越大，窗口越大，质量越难保证； ►顶层电阻：电阻与介质相容性问题：介质烧结中软化与电阻发生物理和化学作用； 激光调阻时避免切入下层介质。
图4-8 厚膜多层基片制造步骤
图4-9 简单的多层厚膜层连模型
温区B，500-700℃，使永久性的结合剂（玻璃）融化，湿润基片和功能 材料颗粒的表面。基片中的有些玻璃成分，也发生软化和熔化，引起它 和浆料中的玻璃熔合。 （烧成区前部）
温区C,700-850℃，功能颗粒被烧结，且与玻璃料一起固定在基片上。 部件在峰值温度850℃下保温约10min。最后从峰值温度迅速冷却到比 室温稍高的温度。在空气中烧成浆料的典型厚膜烧成曲线如下右图所示。 （烧成区后部）
※ 4.1.5 多层共烧陶瓷带工艺
高温共烧陶瓷（HTCC），多层带的烧成约
共 烧
在1600℃的惰性或还原气氛中烧成。
工
艺
低温共烧陶瓷（LTCC），用850-900℃的温
度在空气中烧成。
HTCC涉及高温，只能使用基于有非常高的熔点的难熔 金属（如钨、钼、锰）的导体浆料（面电阻率较高）；需要 在氢气这样的还原气氛下烧成。
允许用宽范围的印烧电阻器
没有印烧电阻器
介质厚度：2-5mil
介质厚度可高达25mil
通孔直径：7-15mil
通孔可以小到4m3
没有收缩问题
烧成时有高的收缩（20%-30%）
多层电路采用分开填孔能使上表面平且保持公 差
按照收缩率计算控制尺寸公差
导体对氧化铝基板的附着力有限
有优良的附着力，适铜焊引线框架