第3章厚膜與薄膜技術(shù)

半導(dǎo)體集成電路封裝技術(shù)天津工業(yè)大學(xué)主講人：張建新主樓A4151/15/20231超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光課程概況第1章集成電路芯片封裝概述第2章封裝工藝流程第3章厚膜與薄膜技術(shù)第4章焊接材料第5章印制電路板第6章元器件與電路板的接合第7章封膠材料與技術(shù)第8章陶瓷封裝第9章塑料封裝第10章氣密性封裝第11章封裝可靠性工程第12章封裝過(guò)程中的缺陷分析第13章先進(jìn)封裝技術(shù)1/15/20232超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光簡(jiǎn)介技術(shù)特征：厚膜（ThickFilm）技術(shù)：網(wǎng)印、干燥與燒結(jié)等方法薄膜（ThinFilm）技術(shù)：鍍膜、光刻與刻蝕等方法用途：制作電阻、電容、電感等集成電路中的無(wú)源器件。在基板上制成導(dǎo)線互連結(jié)構(gòu)以組合各種電路元器件，而成為所謂的混合集成電路封裝?；宀牧希貉趸X、玻璃陶瓷、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅、石英等均可以作為這兩種技術(shù)的陶瓷類基板材料薄膜技術(shù)也可以使用硅與砷化鎵晶圓片作基板材料1/15/20233超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.1厚膜技術(shù)厚膜混合電路的工藝簡(jiǎn)述：用絲網(wǎng)印刷方法把導(dǎo)體漿料、電阻漿料和絕緣材料(介質(zhì)或介電材料)漿料等轉(zhuǎn)移到基板上來(lái)制造的。印刷的膜經(jīng)過(guò)烘干以去除揮發(fā)性的成分，然后暴露在較高的溫度下燒結(jié)以活化粘接機(jī)構(gòu)，完成膜與基板的粘接。汽車點(diǎn)火器用厚膜電路1/15/20234超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光厚膜多層制作步驟導(dǎo)體漿料電阻漿料絕緣材料漿料厚膜漿料通常都有的兩個(gè)共性：適于絲網(wǎng)印制的具有非牛頓流變能力的粘性流體；由兩種不同的多組分相組成：一個(gè)是功能相，提供最終膜的電學(xué)和力學(xué)性能；另一個(gè)是載體相，提供合適的流變能力。1/15/20235超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光厚膜漿料的基本分類：聚合物厚膜包含導(dǎo)體、電阻或絕緣顆粒的聚合物材料的混合物，在

85～300℃溫度區(qū)間固化。較常用在有機(jī)基板材料上。難熔材料厚膜是一種特殊的金屬陶瓷厚膜材料，在1500～1600℃還原氣氛下燒結(jié)，是唯一能適合高溫共燒陶瓷互連基板的基本金屬化材料金屬陶瓷厚膜（本章主要講解）微晶玻璃（玻璃陶瓷）與金屬的混合物，通常在850～1000℃燒結(jié)。是目前陶瓷類基板上最常用的基本厚膜材料1/15/20236超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光金屬陶瓷厚膜漿料的四種主要成分及作用：有效物質(zhì)：決定燒結(jié)膜的電性能而確立膜的功能；粘接成分：提供與基板的粘接以及使有效物質(zhì)顆粒保持懸浮狀態(tài)的基體；有機(jī)粘接劑：使有效物質(zhì)和粘貼成分保持懸浮態(tài)直到膜燒成，并提供絲網(wǎng)印制的合適流動(dòng)性能；溶劑或稀釋劑：決定運(yùn)載劑的粘度。3.1.1有效物質(zhì)質(zhì)量要求：有效物質(zhì)通常制成粉末形狀，其顆粒結(jié)構(gòu)形狀和顆粒的形貌對(duì)達(dá)到所需要的電性能是非常關(guān)鍵的，必須嚴(yán)格控制顆粒的形狀、尺寸和粒徑分布以及保證燒結(jié)膜性能的一致性。運(yùn)載劑1/15/20237超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.1.2粘貼成分主要有兩類物質(zhì)：玻璃和金屬氧化物，它們可以單獨(dú)使用或者一起使用。（1）燒結(jié)玻璃材料：使用玻璃或釉料(非晶玻璃)的膜粘接機(jī)理：化學(xué)鍵合和物理鍵合?？偟恼辰咏Y(jié)果是這兩種因素的疊加，物理鍵合比化學(xué)鍵合在承受熱循環(huán)或熱儲(chǔ)存時(shí)更易退化，通常在應(yīng)力作用下首先發(fā)生斷裂?；w作用：使有效物質(zhì)懸浮，并保持彼此接觸，有利于燒結(jié)并為膜的一端到另一端提供了一連串的三維連續(xù)通路。主要的厚膜玻璃是基于B2O3-SiO2網(wǎng)絡(luò)形成體。原料形式：預(yù)反應(yīng)顆粒形式、玻璃形成體形式特點(diǎn)：具有較低的熔點(diǎn)（500～600℃），但在制作導(dǎo)體厚膜時(shí)，導(dǎo)體材料在其表面上呈玻璃相，使得后續(xù)元器件組裝工藝更為困難。1/15/20238超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光（2）金屬氧化物材料：一種純金屬例如Cu、Cd與漿料的混合物粘貼機(jī)理：純金屬在基板表面與氧原子反應(yīng)形成氧化物，金屬與其氧化物粘接并通過(guò)燒結(jié)而結(jié)合在一起。屬于氧化物鍵合或分子鍵合。特點(diǎn)：與玻璃料相比，這一類漿料改善了粘接性。但燒結(jié)溫度較高，一般在950～1000℃下燒結(jié)，加速了厚膜燒結(jié)爐的損耗，爐體維護(hù)頻率高。（3）混合粘接系統(tǒng)：利用反應(yīng)的氧化物和玻璃材料。粘接機(jī)理：氧化物一般為ZnO或CaO，在低溫下發(fā)生反應(yīng)，但是不如銅那樣強(qiáng)烈。再加入比在玻璃料中濃度要低些的玻璃以增加附著力。特點(diǎn)：結(jié)合了前兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并可在較低的溫度下燒結(jié)。1/15/20239超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.1.3有機(jī)粘貼劑有機(jī)粘接劑通常是一種觸變的流體，不具備揮發(fā)能力空氣氣氛中的燒結(jié)：粘接劑在燒結(jié)過(guò)程中必須完全氧化（約350℃開(kāi)始燒盡），而不能有任何污染膜的殘留碳存在。典型材料是乙基纖維素和各種丙稀酸樹(shù)脂惰性氣氛中的燒結(jié)：燒結(jié)的氣氛只含有百萬(wàn)分之幾的氧，有機(jī)粘貼劑必須發(fā)生分解和熱解聚，產(chǎn)生具有高度揮發(fā)性的小分子有機(jī)物，再以蒸汽形式被惰性氣體帶離系統(tǒng)。主要用于制備易受氧化危害的導(dǎo)體膜層的制備，如Cu、Mo膜。1/15/202310超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.1.4溶劑或稀釋劑性能要求：能夠均勻溶解難揮發(fā)的有機(jī)粘貼劑和添加劑在室溫下有較低的蒸氣壓以避免漿料干燥，維持印刷過(guò)程中的恒定粘度在大約100℃以上能迅速蒸發(fā)。典型材料：萜品醇、丁醇和某些絡(luò)合的乙醇添加劑：在溶劑中加入能夠改變漿料觸變性能的增塑劑、表面活性劑和某些試劑，以改善漿料的有益特性和印刷性能。

1/15/202311超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.1.5厚膜漿料的制備制備的總體要求：要以合適的比例將厚膜漿料的各種成分混合在一起，然后在三錕軋機(jī)中軋制足夠的時(shí)間以確保它們徹底地混合，而沒(méi)有任何結(jié)塊存在。制備的主要步驟：粉體原料加工、漿料配制、漿料軋制粉體原料加工金粉體：通過(guò)從化學(xué)溶劑中沉淀出來(lái)玻璃粉體：通過(guò)熔融的玻璃淬火，然后球磨得到球磨機(jī)可減小玻璃料和其它脆性材料的顆粒尺寸一般裝載量為整個(gè)容積的50％,其余為球磨介質(zhì)球磨機(jī)以大約60％的臨界速率旋轉(zhuǎn)1/15/202312超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光漿料配制一般綜合考慮顆粒的比表面積、混合比例和純度大的表面與體積比可以提供大的表面自由能，以促進(jìn)燒結(jié)反應(yīng)（熔化時(shí)有較高的放熱反應(yīng)）和降低燒結(jié)溫度選擇適當(dāng)比例的玻璃/金混合物，以確保在整個(gè)燒結(jié)溫度和冷卻周期中，其化學(xué)和熱膨脹性能與所用基板相兼容用少量的其它金屬或氧化物與玻璃/金混合以改善力學(xué)或電性能漿料軋制目的：利用三錕軋膜機(jī)最大限度地將漿料組分彌散和去除夾帶的氣體三錕軋膜機(jī)的原理：基于處在反向旋轉(zhuǎn)的軋錕間隙的流體所受到的很高的剪切力，使微小顆粒彌散得更充分1/15/202313超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.1.6厚膜漿料的參數(shù)可以用三個(gè)主要的參數(shù)表征厚膜漿料：粒度、固體粉末百分比含量、粘度。粒度參數(shù)意義：漿料內(nèi)顆粒尺寸分布和彌散的度量測(cè)量工具：細(xì)度計(jì)測(cè)量結(jié)果：能得到顆粒的最大、最小和平均粒徑1/15/202314超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光固體粉末百分比含量參數(shù)意義：有效物質(zhì)與粘貼成分的質(zhì)量與漿料總質(zhì)量的比值，一般為85％～92％（質(zhì)量百分比）。測(cè)量方法：取少量漿料樣品稱重，然后放在大約400℃的爐子里直到所有的有機(jī)物燒盡，重新稱量樣品。參數(shù)控制的意義：實(shí)現(xiàn)可印制性與燒成膜的密度之間的最佳平衡。含量太高，漿料就沒(méi)有很好的流動(dòng)性來(lái)保證印刷質(zhì)量。含量太低，則漿料會(huì)印刷得很好，但燒成的圖形可能是多孔的或清晰度差。1/15/202315超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光粘度參數(shù)意義：流體流動(dòng)趨勢(shì)的度量，是該流體的剪切速率與剪應(yīng)力之比。一般的厚膜漿料粘度用厘泊(cP)或帕秒(Pa·s)表示，1Pa·s=0.001cP測(cè)量方法：在實(shí)驗(yàn)條件下，漿料的粘度可以用錐-板或紡錐粘度計(jì)測(cè)量。紡錐法的讀數(shù)更具有一致性，因?yàn)檫吔鐥l件（漿料的體積和溫度等）控制的更嚴(yán)格，在研發(fā)單位或制造廠最常用。1/15/202316超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光在理想的或“牛頓”流體中，并不適合于絲網(wǎng)印刷，因?yàn)樵谥亓ψ饔孟驴倳?huì)存在某種程度的流動(dòng)。適合絲網(wǎng)印刷的流體特性：

流體必須有一個(gè)屈服點(diǎn)，即產(chǎn)生流動(dòng)所需的最小壓力，這個(gè)壓力必須顯著地高于重力。流體應(yīng)該具有某種觸變性。流體應(yīng)該具有某種程度的滯后作用，使得在給定壓力下的粘度取決于壓力是否增加或降低。1/15/202317超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光絲印中的粘度控制：印刷時(shí)，刮板的速率必須足夠緩慢使得漿料的粘度降低到印刷效果最佳的程度。印刷后，必須有足夠的時(shí)間使?jié){料粘度增加到接近靜止粘度（流平），如果在流平前把漿料置于烘干工藝的條件下，則漿料由于溫度的升高而變得稀薄，印出的圖形將會(huì)喪失線條的清晰度。漿料粘度的調(diào)節(jié)：加入適當(dāng)?shù)娜軇┛梢院苋菀椎慕档驼扯?，?dāng)漿料罐已開(kāi)啟多次或把漿料從絲網(wǎng)返回罐中時(shí)，常常需要這么做。增加漿料的粘度是很困難的，需要加入更多的不揮發(fā)性的載體，然后重新對(duì)漿料進(jìn)行軋制。1/15/202318超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光金屬陶瓷厚膜漿料可以分成三大類：導(dǎo)體、電阻和介質(zhì)3.2厚膜導(dǎo)體材料厚膜導(dǎo)體在混合電路中必須實(shí)現(xiàn)以下各種功能。在電路的節(jié)點(diǎn)之間提供導(dǎo)電布線(最主要的功能)。提供安裝區(qū)域，以便通過(guò)焊料、環(huán)氧樹(shù)脂或直接共晶鍵合來(lái)安裝元器件。提供元器件與膜布線之間以及與更高一級(jí)組裝的電互連。提供端接區(qū)以連接厚膜電阻。提供多層電路導(dǎo)體層之間的電連接。1/15/202319超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光厚膜導(dǎo)體材料有三種基本類型：可空氣燒結(jié)：由不容易形成氧化物的貴金屬制成的，主要的金屬是金和銀，它們可以是純態(tài)的，也可與鈀或與鉑存在于合金化的形式。可氮?dú)鉄Y(jié)：材料包括銅、鎳、鋁，其中最常用的是銅必須還原氣氛燒結(jié)：難熔材料鉬、錳和鎢在由氮、氫混合的還原性氣氛中燒結(jié)3.2.1金導(dǎo)體金在厚膜電路中有著不同的需要，最常用于需要高可靠性、高速度的場(chǎng)合。1/15/202320超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光金厚膜組裝工藝中可靠性的考慮：避免金厚膜與含錫焊料直接焊接金易與錫合金化并熔入到含錫的焊料；金和錫也能形成具有很高電阻率的脆性金屬間化合物；金必須與鉑或鈀合金化以減少金的熔入與金屬間化合物的形成。避免金厚膜與鋁引線直接鍵合鋁能擴(kuò)散到金厚膜中，且擴(kuò)散速率隨著溫度而迅速增加；金與鋁也會(huì)形成金屬間化合物；加入鈀與金合金化，可以明顯地降低鋁的擴(kuò)散速率與金屬間化合物的形成，改善鋁絲鍵合的可靠性。1/15/202321超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.2.2銀導(dǎo)體銀厚膜組裝工藝中可靠性的考慮：避免銀厚膜與含錫焊料直接焊接銀會(huì)較慢地熔入到Pb/Sn焊料中，在工藝中純銀不能與液態(tài)Pb/Sn焊料直接接觸，也可以在銀上鍍鎳或?qū)y合金化(鈀或鉑)，以抑制銀向焊料中熔入。避免出現(xiàn)銀遷移現(xiàn)象在兩個(gè)導(dǎo)體之間施加電位時(shí)，若有液態(tài)水存在，銀有遷移的傾向，在兩個(gè)導(dǎo)體之間將會(huì)生長(zhǎng)出連續(xù)的銀膜，形成導(dǎo)電通路。利用鈀或鉑與銀合金化可以使銀的遷移速率都降低。鈀/銀導(dǎo)體用于大多數(shù)商業(yè)用途，是混合電路中最常用的材料。加入鈀也增加了電阻和成本。為了折中性能和成本，常使用銀鈀比為4:1的組分。1/15/202322超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.2.3銅導(dǎo)體銅厚膜的優(yōu)點(diǎn)：(對(duì)功率混合電路具有極大的吸引力)可作為金的低成本代替物可焊性：使功率器件直接焊接到金屬化層上而傳熱更好耐熔入性：可與含錫焊料直接接觸低電阻：使銅印制線能承載較高的電流，而電壓降較小銅厚膜存在的問(wèn)題：(主要源于必須使用惰性氣氛燒結(jié))對(duì)氮?dú)夥盏囊蟾撸ㄑ鹾啃∮诎偃f(wàn)分之十），不利于從少量研制推廣到大批量生產(chǎn)，需定制專門的燒結(jié)爐。由于介電材料往往需要很大的印刷面積，在這些材料用于制造多層電路時(shí)，去除有機(jī)材料的問(wèn)題更為突出。很多電阻材料，特別是在高阻范圍，并沒(méi)有被證明在低于980℃以下燒結(jié)時(shí)與在空氣燒結(jié)的電阻一樣穩(wěn)定。1/15/202323超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.2.4難熔金屬材料一般為鎢、鉬和鈦，也可以各種不同的結(jié)合方式彼此合金化。這些材料被設(shè)計(jì)成在高達(dá)1600℃的高溫與陶瓷基板共燒，然后鍍鎳、鍍金以便芯片安裝和引線鍵合。厚膜導(dǎo)體

Au絲鍵合

Al絲鍵合

共晶鍵合

Sn/Pb釬焊

環(huán)氧粘接

Au

Y

N

Y

N

Y

Pd/Au

N

Y

N

Y

Y

Pt/Au

N

Y

N

Y

Y

Ag

Y

N

N

Y

Y

Pd/Ag

N

Y

N

Y

Y

Pt/Ag

N

Y

N

Y

Y

Pt/Pd/Ag

N

Y

N

Y

Y

Cu

N

Y

N

Y

N

厚膜導(dǎo)體的性能表注：Y表示“可適用”，N表示“不適用”。1/15/202324超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.3厚膜電阻材料厚膜電阻制造過(guò)程：把金屬氧化物顆粒與玻璃顆粒混合，在足夠的溫度/時(shí)間進(jìn)行燒結(jié)，以使玻璃熔化并把氧化物顆粒燒結(jié)在一起。所得到的結(jié)構(gòu)具有一系列三維的金屬氧化物顆粒的鏈，嵌入在玻璃基體中。1/15/202325超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光電阻值的控制：金屬氧化物與玻璃的比越高，燒成的膜的電阻率越低，反之亦然。厚膜電阻材料的體積電阻率：六面體型材料的電阻：

式中ρB——混合物的體積電阻率，

(單位:歐姆·長(zhǎng)度)；

Vj——單個(gè)組分的體積分?jǐn)?shù)；

ρj——組分的體積電阻率。式中R——電阻，Ω；

B——材料體積電阻率；

L——樣品長(zhǎng)度，用相應(yīng)單位表示；

W——樣品寬度，用相應(yīng)單位表示；

T——樣品厚度，用相應(yīng)單位表示。

1/15/202326超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光厚膜電阻材料的薄層電阻率（又稱方塊電阻或方阻，由于其長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于厚度）厚膜電阻率通常采用標(biāo)準(zhǔn)的單位厚度：0.001in(25μm)的烘膜后厚度。單位是Ω/□/0.001in烘干后的膜厚度，或可簡(jiǎn)化成Ω/□。

厚膜電阻材料的薄層電阻ρs為薄層電阻率,單位:Ω/方塊

/單位厚度樣品為正方形時(shí)，R=ρs1/15/202327超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光厚膜電阻率的數(shù)值范圍能混合的具有相同化學(xué)性質(zhì)的一組厚膜材料被稱為一個(gè)“族”，在通常的“族”內(nèi)，其方塊電阻的數(shù)值范圍用十進(jìn)制數(shù)表示，一般從10Ω/□～1MΩ/□，可有中間值。阻值下限：隨著越來(lái)越多的材料被加入，使得沒(méi)有足夠的玻璃來(lái)維持膜的結(jié)構(gòu)完整性。常用的材料，薄層電阻率的下限大約為10Ω/□。薄層電阻低于這一數(shù)值的電阻必須有不同的化學(xué)性質(zhì)，通常并不與常規(guī)的材料族混合使用。阻值上限：隨著所加入的材料越來(lái)越少，就會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有足夠的顆粒形成連續(xù)的鏈，薄層電阻率就會(huì)突然提高。在大多數(shù)電阻族里，實(shí)際的上限大約為2MΩ/□。也可得到大約20MΩ/□的電阻材料，但它們并不是按照與低值的電阻那樣混合處理的。1/15/202328超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光預(yù)測(cè)厚膜電阻電性能的定性導(dǎo)電模型（定性規(guī)律）在純粹的金屬氧化物-玻璃系統(tǒng)中，高歐姆值電阻往往比低歐姆值電阻具有更負(fù)的TCR和VCR。在現(xiàn)有的以商品使用的系統(tǒng)中由于TCR改性劑的存在，情況并不總是如此。高歐姆值電阻顯示了比低歐姆值更大的由MIL-STD-202定義的電流噪聲。高阻時(shí)，當(dāng)載流子從一個(gè)金屬氧化物的顆粒穿過(guò)玻璃薄膜轉(zhuǎn)移到另一個(gè)顆粒時(shí)，它必須在能級(jí)上有一個(gè)突變，就會(huì)出現(xiàn)電流噪聲。低阻時(shí)，金屬氧化物顆粒燒結(jié)在一起，這種轉(zhuǎn)移就不劇烈，就很少或沒(méi)有噪聲產(chǎn)生。高歐姆值比低歐姆值電阻對(duì)高電壓脈沖和靜電放電更為敏感。高電壓脈沖擊穿了玻璃薄膜，形成了一種燒結(jié)接觸，從根本上降低了電阻值。靜電放電的影響強(qiáng)烈的依賴于所使用的玻璃系統(tǒng)，有的可以降低一半左右，而有的可能受到的影響很小。1/15/202329超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.3.1厚膜電阻的電性能電阻的電性能可以分為兩大類:初始電阻（剛燒結(jié)后）性能電阻溫度系數(shù)（TCR）電阻電壓系數(shù)（VCR）電阻噪聲高壓放電與環(huán)境有關(guān)（老煉后）的性能高溫漂移濕度穩(wěn)定性功率承載容量1/15/202330超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.3.2初始電阻性能（1）電阻溫度系數(shù)（TCR）物理意義：TCR是溫度的函數(shù)，定義為在實(shí)驗(yàn)溫度T時(shí)電阻曲線的斜率。所有實(shí)際的材料都會(huì)呈現(xiàn)電阻隨溫度的變化，大多呈非線性關(guān)系。TCR的線性化厚膜電阻的典型電阻與溫度曲線R（T2）——溫度T2時(shí)的電阻；

R（T1）——溫度T1時(shí)的電阻?；騪pm/℃漿料制造商一般提供：25～125℃的平均值（“熱”TCR）

-55～25℃的平均值（“冷”TCR）1/15/202331超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光TCR參數(shù)需要注意的問(wèn)題：大多數(shù)材料的TCR是非線性的，唯一完全精確的描述一種材料溫度特性的方法是考察溫度與電阻關(guān)系的實(shí)際曲線。線性化處理最多是一種近似，但線性化足夠用在很多的設(shè)計(jì)中。一種材料的TCR可以是正值，也可以是負(fù)值。按常規(guī)，如果電阻隨溫度增加而增大，則TCR是正值；同樣，如果電阻溫度增加而降低，則TCR是負(fù)值。一般來(lái)說(shuō)，金屬的TCR是正值，而非金屬（半導(dǎo)體材料）的TCR是負(fù)值。盡管一個(gè)電阻的絕對(duì)TCR對(duì)于電路的工作是非常關(guān)鍵的，但在某些電路設(shè)計(jì)中，兩個(gè)電阻之間的凈TCR甚至更重要。（體現(xiàn)為電阻間的TCR跟蹤性）1/15/202332超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光例：若兩個(gè)1KΩ的電阻在0℃時(shí)，絕對(duì)TCR分別是+75×10-6/℃和-40×10-6/℃。溫度變化+100℃以后，電阻可以分別為1008Ω和996Ω。在100℃時(shí)兩個(gè)電阻的比值為：則凈TCR（兩個(gè)電阻絕對(duì)TCR的代數(shù)差）轉(zhuǎn)變?yōu)?15×10-6/℃若兩個(gè)電阻的TCR分別為200×10-6/℃和175×10-6/℃，在數(shù)值上要比上個(gè)例子高得多。在這種情況下，100℃時(shí)的R1=1020Ω，R2=1018Ω，兩者的比值為：凈TCR只有24.6×10-6/℃。1/15/202333超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光增強(qiáng)兩個(gè)電阻TCR跟蹤性的原則：兩個(gè)電阻隨溫度變化朝著相同的方向變化，雖然具有高的絕對(duì)TCR，但可能具有低TCR跟蹤值。由同樣TCR漿料量制成的電阻比由相差幾十TCR的電阻跟蹤更接近。同樣長(zhǎng)度的電阻比不同長(zhǎng)度的電阻跟蹤更接近。印刷厚度相同的電阻比厚度不同的電阻跟蹤更接近。1/15/202334超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光（2）電阻的電壓系數(shù)（VCR）物理意義：表現(xiàn)電阻材料對(duì)高電壓(高電場(chǎng))的敏感性。公式的形式與TCR類似。式中，R（V1）——V1下的電阻；

R（V2）——V2下的電阻；

V1 ——測(cè)出R（V1）時(shí)的電壓；

V2 ——測(cè)出R（V2）時(shí)的電壓?；騪pm/V1/15/202335超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光VCR參數(shù)的一般規(guī)律：同類漿料制成的阻值相對(duì)較高的電阻，往往具有更負(fù)的VCR。（阻值越高半導(dǎo)體性越大）在相同漿料成分和電壓應(yīng)力下長(zhǎng)電阻比短電阻的電位漂移要小。（長(zhǎng)度越短電壓梯度越大）厚膜電阻典型的VCR1/15/202336超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光（3）電阻噪聲噪聲產(chǎn)生的機(jī)理：當(dāng)處在基態(tài)的一個(gè)電子運(yùn)動(dòng)到一個(gè)較高或較低的能級(jí)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)噪聲。能級(jí)之間的電位差越大，噪聲越大。噪聲來(lái)源：熱噪聲（或稱“白色”噪聲）：由于熱引起電子在能級(jí)之間隨機(jī)躍遷的結(jié)果，在某種程度上存在于所有的材料中。熱噪聲的頻譜與頻率無(wú)關(guān)。電流噪聲（或稱“粉紅色”噪聲）：在厚膜電阻中，電流噪聲的主要來(lái)源是由于在有效物質(zhì)的顆粒之間可能存在的薄薄一層玻璃引起的能級(jí)突變而造成的。一般電流噪聲的水平在頻率超過(guò)10～20kHz時(shí)不是很大。1/15/202337超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光改善噪聲水平的原則：高值電阻比低值電阻具有更高的噪聲電平；大面積電阻具有較低的噪聲電平；較厚的電阻具有較低的噪聲電平。相同型號(hào)電阻中噪聲指數(shù)的漂移顯示工藝過(guò)程的變化：印刷厚度不夠燒結(jié)不充分導(dǎo)體-電阻界面有玻璃層或其它缺陷調(diào)阻較差或不完整電阻噪聲試驗(yàn)是一種優(yōu)良的測(cè)量電阻性能的方法，能提供其它方法很難得到的信息。其結(jié)果可以用來(lái)檢驗(yàn)和指導(dǎo)制造工藝的優(yōu)化。1/15/202338超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.3.3與環(huán)境有關(guān)的電阻性能（1）高溫漂移參數(shù)意義：高溫環(huán)境會(huì)促使電阻漂移的產(chǎn)生。如果電阻燒結(jié)不當(dāng)或加工不當(dāng)（修整不當(dāng)、基板失配等），這種漂移就可能影響電路的性能。未調(diào)阻的厚膜電阻主要由于構(gòu)成電阻本體的玻璃中應(yīng)力釋放而出現(xiàn)的阻值往上稍微的漂移。經(jīng)過(guò)適當(dāng)加工后的電阻，可以測(cè)量百分之幾的樣品來(lái)看該電阻在整個(gè)壽命范圍內(nèi)漂移的大小。參數(shù)的表征方法：按照MIL-STD-883C標(biāo)準(zhǔn)提供的加速試驗(yàn)，屬于破壞性的加熱老化試驗(yàn)。條件為正常室內(nèi)濕度下125℃、1000h。更為苛刻的試驗(yàn)條件是150℃、10h或145℃、40h。1/15/202339超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光（2）濕度穩(wěn)定性參數(shù)意義：水分環(huán)境能加速厚膜電阻的失效，加速因子幾乎為500。電阻和電路的濕度試驗(yàn)比單純的加熱老化更昂貴，但更能很好地預(yù)測(cè)可靠性。

參數(shù)的表征方法：最常用的試驗(yàn)條件是相對(duì)濕度85%和溫度85℃。（3）功率承載容量參數(shù)意義：高功率導(dǎo)致的漂移主要是由于內(nèi)部電阻發(fā)熱引起的溫升老化。與單純加熱老化溫升特點(diǎn)的區(qū)別：?jiǎn)渭兗訜崂匣弘娮璞┞队诟邷丨h(huán)境，整個(gè)電阻均勻受熱加載高功率老化：電阻膜內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)的金屬接觸部位產(chǎn)熱，接觸部位的局部溫升要比周圍區(qū)域高得多。1/15/202340超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光功率老化的一般規(guī)律：相同的載荷下低值電阻比高值電阻往往漂移較小。（由于阻值較低的電阻含有較多的金屬，顆粒彼此接觸更多，產(chǎn)熱量少）大多數(shù)電阻系統(tǒng)的功率老化的形狀呈指數(shù)上升。厚膜電阻的額定功率：在整個(gè)電阻壽命中達(dá)到漂移小于0.5%最普遍接受的額定功率是50W/in2（有效電阻面積）。如果容忍更多的漂移，電阻額定功率可以高達(dá)

200W/in2。1/15/202341超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.3.4厚膜電阻的工藝考慮燒結(jié)溫度和時(shí)間的控制：燒結(jié)溫度和該溫度下燒結(jié)時(shí)間的微小變化都會(huì)引起電阻平均值和數(shù)值分布的明顯變化。一般來(lái)說(shuō)，電阻的歐姆值越高，變化越劇烈。較高的歐姆值會(huì)隨著溫度和時(shí)間增加而減小，而非常低的歐姆值（<100Ω/?□）往往是增加。燒結(jié)氣氛的控制：厚膜電阻對(duì)燒結(jié)氣氛非常敏感。大氣中還原性的污染物會(huì)使電阻值降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且高歐姆值的電阻比低歐姆值的更敏感，在用于燒結(jié)厚膜材料的爐子附近不能有任何溶劑、鹵化物或碳基的物質(zhì)存在。1/15/202342超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.4厚膜介質(zhì)材料介質(zhì)材料的作用：以簡(jiǎn)單的交疊結(jié)構(gòu)或復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)用作導(dǎo)體間的絕緣體，并可以通過(guò)介質(zhì)層留有小的開(kāi)口區(qū)或通孔以便與相鄰的導(dǎo)體層互連。布線層數(shù)：厚膜電路大多數(shù)只有三個(gè)金屬化層，如果需要三層以上時(shí)，成品率開(kāi)始急劇下降，從而使成本相應(yīng)增加。對(duì)介質(zhì)材料特性的要求：燒結(jié)工藝要求介質(zhì)材料必須是結(jié)晶的或可再結(jié)晶的材料。以漿料形式存在的這些材料能在相對(duì)較低的溫度下熔化、混合、冷卻后，形成一種熔點(diǎn)比后續(xù)各層燒結(jié)溫度更高的均勻組分。匹配性要求介質(zhì)材料中可加入陶瓷顆粒來(lái)促進(jìn)結(jié)晶和調(diào)整膨脹系數(shù)（TCE）。厚膜介質(zhì)材料的TCE必須盡可能的接近基板材料以避免在加工幾層后基板過(guò)分彎曲和翹曲，以及由此引起介質(zhì)材料開(kāi)裂。1/15/202343超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光對(duì)介質(zhì)層加工工藝的要求：一方面，它們要形成連續(xù)的膜以消除層間的短路；另一方面，它們必須包含小到0.010in(0.25mm)的開(kāi)口區(qū)。一般說(shuō)來(lái)，介質(zhì)材料每層要印刷和燒結(jié)兩次，以消除針孔和防止層間的短路。介質(zhì)材料的其它用途：具有較高介電常數(shù)的介質(zhì)材料也可用于制造厚膜電容器。它們一般比片式電容器具有更高的損耗正切，并占用大量空間。盡管最初的電容誤差不好，但是厚膜電容器可以經(jīng)過(guò)修整達(dá)到很高的精度。1/15/202344超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.5釉面材料釉面材料的材質(zhì)：一種可以在較低溫度（通常在550℃附近）下燒結(jié)的非晶玻璃。釉面材料的作用：可以對(duì)電路提供機(jī)械保護(hù)，免于電路損傷、污染和水等因素在導(dǎo)體之間的橋連短路；阻擋焊料散布；改善厚膜電阻調(diào)阻后的穩(wěn)定性。（某些研究已經(jīng)表明，盡管釉面毫無(wú)疑問(wèn)對(duì)較低阻值的電阻是有益的，但它實(shí)際上也能使高值電阻有較大漂移。）1/15/202345超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.6絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)厚膜電路需要三個(gè)基本工藝：絲網(wǎng)印刷：把漿料涂布在基板上干燥：在燒結(jié)前從漿料中去除揮發(fā)性的溶劑燒結(jié)：使粘接機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，將印刷圖形粘接到基板上絲網(wǎng)掩膜的制備：（一般為不銹鋼絲網(wǎng)）設(shè)計(jì)每層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的原圖，并用來(lái)使涂有感光材料（感光膠）絲網(wǎng)曝光，感光膠受到紫外線作用而交聯(lián)硬化，而被保護(hù)的部分可以用水直接沖洗掉，留下開(kāi)口圖形區(qū)。1/15/202346超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光絲網(wǎng)印刷的工藝步驟：把絲網(wǎng)固定在絲網(wǎng)印刷機(jī)上；基板直接放在絲網(wǎng)下方；把漿料涂布在絲網(wǎng)上面；刮板在絲網(wǎng)的表面運(yùn)動(dòng)，迫使?jié){料通過(guò)開(kāi)口圖形區(qū)落到基板上。絲網(wǎng)印刷的兩種方法：接觸工藝：絲網(wǎng)在整個(gè)印刷過(guò)程中與基板保持接觸，然后通過(guò)降下基板或提起絲網(wǎng)使兩者迅速分開(kāi)。通常用于使用金屬模板來(lái)印刷軟鉛焊漿料。非接觸工藝：絲網(wǎng)與基板分開(kāi)很小的距離，用刮板刮后，絲網(wǎng)就會(huì)很快恢復(fù)原狀，把漿料留在了基板上。通?？梢垣@得最佳的線條清晰度，是大多數(shù)厚膜漿料的印刷方法。1/15/202347超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.7厚膜漿料的干燥干燥的目的：兩種有機(jī)組分組成了印刷膜的運(yùn)載劑：可揮發(fā)組分和不揮發(fā)組分。其中絕大多數(shù)的可揮發(fā)組分必須在燒結(jié)前的干燥工序中去除。干燥工藝：干燥前必要的流平過(guò)程：在印刷后，零件通常要在空氣中“流平”一段時(shí)間，通常5～15min。其目的是：流平過(guò)程可使絲網(wǎng)篩孔的痕跡消失印刷以后，印刷膜的粘度很低，需要一定的時(shí)間使得它在干燥前恢復(fù)到較高的粘度。如果在印刷后就立刻把膜暴露在高溫中，粘度將降低更多，漿料就會(huì)在基板表面鋪展開(kāi)來(lái)，使印刷膜的邊緣清晰度受到破壞。1/15/202348超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光強(qiáng)制干燥：流平后，零件要在70～150℃的溫度范圍內(nèi)強(qiáng)制干燥大約15min。其中應(yīng)注意：干燥設(shè)備：通常是在低溫的鏈?zhǔn)胶娓蔂t中進(jìn)行的。小規(guī)模的生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)室研究，可選用間歇式的強(qiáng)制空氣干燥爐或熱板。抽風(fēng)系統(tǒng)：某些溶劑具有強(qiáng)烈的氣味，并且停留在燒結(jié)爐附近時(shí)可能對(duì)燒結(jié)氣氛產(chǎn)生危害。環(huán)境潔凈度：必須在潔凈室（<100000級(jí)）進(jìn)行干燥，防止灰塵和纖維屑落在烘干的膜上。在燒結(jié)過(guò)程中，這些顆粒將燒掉，在膜里留下孔洞，干燥速率控制：在干燥過(guò)程中必須控制升溫速率，防止由于溶劑的迅速揮發(fā)導(dǎo)致膜的開(kāi)裂。要求漿料制造商推薦合適的干燥方案（干燥曲線）1/15/202349超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.8厚膜漿料的燒結(jié)厚膜的燒結(jié)爐必須能夠具備的條件：①清潔的燒結(jié)爐環(huán)境②一個(gè)均勻可控的溫度工作曲線③均勻可控的氣氛上海雙騰電子器件有限公司1/15/202350超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.9薄膜技術(shù)薄膜技術(shù)的特點(diǎn)：（與厚膜工藝相比）是一種減法技術(shù)，整個(gè)基板用幾種金屬化層淀積，再采用一系列的光刻工藝把不需要的材料刻蝕掉。使用光刻工藝形成的圖形具有更窄、邊緣更清晰的線條，促進(jìn)了薄膜技術(shù)在高密度和高頻率的使用。薄膜電路的典型結(jié)構(gòu)：由淀積在一個(gè)基板上的三層材料組成底層：作為電阻材料、提供與基板的粘結(jié)中間層：改善導(dǎo)體的粘結(jié)、防止電阻材料擴(kuò)散到導(dǎo)體中頂層：導(dǎo)電層1/15/202351超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.9.1薄膜的沉積技術(shù)（1）濺射（薄膜淀積到基板上的主要方法）工藝原理：在一個(gè)大約10Pa壓力的局部真空里通過(guò)某種惰性氣體放電建立導(dǎo)電的等離子體，基板和靶材置于等離子體中，基板接地，而靶材具有很低的DC或AC電位，低電位把等離子體中的氣體離子吸引到靶材上，具有足夠動(dòng)能的這些離子與靶材碰撞，撞擊出具有足夠殘余動(dòng)能的微粒，使其運(yùn)動(dòng)到基板上并粘附。1/15/202352超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光膜與基板粘接的機(jī)理：在界面形成的一層氧化物層，所以底層必須是一種容易氧化的材料。增強(qiáng)粘附力的方法：靶材施加電位前用氬離子隨機(jī)轟擊基板表面去除幾個(gè)原子層（預(yù)濺射），產(chǎn)生大量斷開(kāi)的氧鍵，促進(jìn)氧化物界面的形成。提高沉積速率的方法：在關(guān)鍵的位置，通過(guò)使用磁場(chǎng)，可以使等離子體在靶材附近聚集，大大的加速碰撞濺射的幾率。在靶材施加功率較大的射頻(RF)能。1/15/202353超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光（2）蒸發(fā)工藝原理：在相當(dāng)高的真空(<10-6torr)腔中，將待蒸發(fā)的材料置于基板的附近，并用電阻或電子束加熱，直到材料的蒸氣壓大大地超過(guò)周圍環(huán)境氣壓時(shí)，材料蒸發(fā)到周圍環(huán)境并沉積在被加熱的基板（通常為300℃）上。蒸發(fā)速率的影響因素：

蒸發(fā)速率正比于材料的蒸氣與周圍環(huán)境氣壓的差值，并與材料的溫度緊密相關(guān)。為了得到可接受的蒸發(fā)速率，需要蒸氣的壓力為10-2torr常用材料在蒸汽壓為10-2torr所處的溫度見(jiàn)教材P68表3.41/15/202354超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光保證高真空環(huán)境的原因：1）可以降低產(chǎn)生可接受蒸發(fā)速率所需的蒸氣壓力，因此，降低了蒸發(fā)材料所需的溫度。2）可以通過(guò)減少蒸發(fā)室內(nèi)氣體分子引起的散射，增加所蒸發(fā)的顆粒平均自由程。而且，顆粒能夠更多以直線的形式運(yùn)動(dòng)，改善了淀積的均勻性。3）可以去除氣氛中容易與被蒸發(fā)的膜發(fā)生反應(yīng)的污染物和組分，如氧和氮?；迮c蒸發(fā)源的距離控制：應(yīng)在淀積均勻性與淀積速率之間權(quán)衡。如果與基板過(guò)近（或過(guò)遠(yuǎn)），那么淀積越厚（或越?。矸e均勻性越差（或越好）。1/15/202355超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光蒸發(fā)可得到較快的淀積速率，但與濺射相比存在某些缺點(diǎn)。1）合金中各成分的蒸汽壓不同，造成蒸發(fā)膜中的成分控制困難。2）蒸發(fā)僅局限于熔點(diǎn)較低的金屬。3）氮化物和氧化物的反應(yīng)淀積極難以控制。（3）電鍍工藝原理：把基板和陽(yáng)極懸掛在含有待鍍物質(zhì)的導(dǎo)電溶液里，在兩者之間施加電位實(shí)現(xiàn)金屬膜的沉積。電鍍速率的影響因素：電位、溶液濃度電鍍的應(yīng)用：可以把大多數(shù)金屬鍍?cè)趯?dǎo)電的表面上。濺射+電鍍可減少靶材用量，且沉積速度快。選擇性電鍍可進(jìn)一步節(jié)約成本。1/15/202356超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光3.10薄膜材料（1）薄膜電阻薄膜電阻材料的選擇原則：電阻薄膜必須提供與基板粘接的能力，這就限制了只能選擇可以形成氧化物的材料。薄膜電阻的特點(diǎn)：薄膜電阻具有比厚膜電阻更好的穩(wěn)定性、噪聲和TCR特性。常用的電阻材料鎳鉻耐熱合金（NiCr）：盡管NiCr具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和TCR特性，如果不用濺射的石英或蒸發(fā)的一氧化硅（SiO）的鈍化，它對(duì)潮濕引起的腐蝕非常敏感。氮化鉭（TaN）：TaN可以通過(guò)直接把膜在空氣中烘烤幾分鐘就可以鈍化，這個(gè)特點(diǎn)已經(jīng)使TaN代替NiCr合金，但TRC稍差，除非在真空中退火幾個(gè)小時(shí)以消除晶界的影響。二氧化鉻（CrO2）：二硅化鉻的方阻較高(1000Ω/□)，克服了之前材料方阻較低的局限。二硅化鉻的穩(wěn)定性和TCR與TaN相當(dāng)。1/15/202357超大規(guī)模集成電路硅襯底拋光（2）阻擋材料NiCr合金(電阻)+阻擋層+金(導(dǎo)體)體系：Cr具有能通過(guò)金而擴(kuò)散表面的傾