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1、 桂林电子科技大学职业技术学院 第三章 厚/薄膜技术（二） 前课回顾 1.厚膜技术的定义 2.浆料组分及作用 采用丝网印刷、干燥和烧结等工艺，将传统无源元件及导体形成于散热良好的陶瓷绝缘基板表面,并处理达到所需精度的工艺技术。 有效物质有效物质+ +粘贴成分粘贴成分+ +有机粘结剂有机粘结剂+ +溶剂或稀释剂溶剂或稀释剂 功能相+载体相；悬浮+流动：非牛顿流体 厚膜导体材料厚膜导体材料 主要内容 厚膜电阻材料厚膜电阻材料 厚膜介质材料厚膜介质材料 丝网印刷、浆料干燥和烧结丝网印刷、浆料干燥和烧结 厚膜导体在混合电路中实现的功能：厚膜导体在混合电路中实现的功能： 【提供电路节点间的导电布线功能提
2、供电路节点间的导电布线功能】 【提供后续元器件焊接安装区域提供后续元器件焊接安装区域】 【提供电互连：元器件、膜布线和更高级组装互连提供电互连：元器件、膜布线和更高级组装互连】 【提供厚膜电阻的端接区提供厚膜电阻的端接区】 【提供多层电路导体层间的电气连接提供多层电路导体层间的电气连接】 厚膜导体材料厚膜导体材料 厚膜混合电路制造对厚膜导体材料的要求：厚膜混合电路制造对厚膜导体材料的要求： 电导率高、且温度相关性小电导率高、且温度相关性小 不与玻璃态物质发生反应不与玻璃态物质发生反应 与介电体和电阻体相容性好，不向其扩散与介电体和电阻体相容性好，不向其扩散 不发生不发生电迁移电迁移、无焊接浸蚀
3、、无焊接浸蚀 耐热循环和热冲击，高温时不发生电蚀现象耐热循环和热冲击，高温时不发生电蚀现象 资源丰富、价格低廉资源丰富、价格低廉 厚膜导体材料厚膜导体材料 可空气烧结厚膜导体：主要是指不容易形成氧化物主要是指不容易形成氧化物的金属材料的金属材料(Au(Au和和AgAg等等） 可氮气烧结厚膜导体：通常指在部分低含氧量状态通常指在部分低含氧量状态下易于氧化的材料下易于氧化的材料（CuCu、NiNi和和AlAl等等） 须还原气氛烧结厚膜导体：难熔材料难熔材料MM和和WW：防止：防止烧结过程中烧结过程中，其他物质热分解后被氧化其他物质热分解后被氧化 厚膜导体材料基本类型厚膜导体材料基本类型 厚膜导体材
4、料性能厚膜导体材料性能 - Au导体导体 【高可靠性】-不易被氧化、电特性好：速度快 【易与锡产生脆性、高电阻率金属间化合物，易熔入含锡焊料】-需添加铂或钯进行控制 【柯肯达尔效应】-金、钯合金化 【高成本】-考虑性价比 【易发生迁移和熔入锡铅焊料】 【电导率高】 【合金化】：钯银合金化 4：1 厚膜导体材料性能厚膜导体材料性能 - Ag导体导体 厚膜导体材料性能厚膜导体材料性能 - Cu导体导体 【耐迁移、耐浸蚀】： 【电导率高】 【易氧化】：氮气气氛烧结氮气气氛烧结- -氧含量控制在几个氧含量控制在几个ppmppm级级 【成本低】 【有机材料难去除，材料气密性不好】：多介电层多介电层 【电
5、阻层不稳定】 共晶键合共晶键合厚膜导体材料性能对比厚膜导体材料性能对比 厚膜电阻材料厚膜电阻材料 厚膜电阻制造过程： 把金属氧化物颗粒和玻璃颗粒混合，在足够的温度和时间条件下进行烧结，促使玻璃熔化将氧化物颗粒烧结在一起形成三维金属氧化物链，并嵌入在玻璃基体中。金属氧化物与玻璃之比越高，烧成的膜电阻率越低。 R,sBB sLL WTWT厚膜电阻的电性能厚膜电阻的电性能 厚膜电阻电性能包括初始电阻性能和时间相关性能 电阻温度系数 TCR：Temperature Coefficient of Resistance 电阻电压系数 VCR：Volt Coefficient of Resistance 电
6、阻噪声和高压放电 高温漂移、潮湿稳定性和功率承载容量 初始电阻性能初始电阻性能电阻温度系数电阻温度系数TCR 材料电阻随温度变化的特性称为电阻温度系数电阻温度系数，温度-电阻之间的变化关系通常是非线性关系。 ( )dR TTCR TdTRTCRT初始电阻性能初始电阻性能电阻温度系数电阻温度系数TCR 厚膜电阻制造完成后，应尽量保证TCR接近于零-随温度变化电阻值不发生改变：电阻稳定，可通过改变实际电阻浆料配比，以获得更佳的电阻-温度性能 【金属材料的金属材料的TCRTCR是正值，非金属材料的是正值，非金属材料的TCRTCR为负值为负值】 温度增加时，金属内电子云更加混乱；而非金属电子被牢固束缚
7、于晶格位置，随能量增加了可运动电子数，温度升高时可成为良导体。 初始电阻性能初始电阻性能电阻电压系数电阻电压系数VCR 电阻电压系数表征电阻对高电压的敏感性，电阻漂移-电压梯度之间也是非线性关系。 216612110 ( 10/)()R VR VVCRVR VVV电压增加时电阻浆料的半导体组分电压增加时电阻浆料的半导体组分VCRVCR是负值，是负值，电阻下降电阻下降：电阻值越大的浆料VCR值越负。 相同成分和电压应力下，长电阻较之短电阻电位漂移要小：为什么？ 初始电阻性能初始电阻性能电阻噪声电阻噪声 电阻噪声：指材料中基态电子发生跃迁时，出现的影响自由电子运动的现象。能级之间电位差越大能级之间
8、电位差越大，噪声越大。，噪声越大。金属中大量的电子属于自由电子，电阻噪声小，而半导体材料电子噪声则较高。 厚膜电阻中有两种噪声源：热噪声和电流噪声。热噪声和电流噪声。其中，热噪声多来自材料内部电子能级跃迁；而电流噪声则来自材料边界间的电子跃迁。 问题：改善电阻噪声的措施？ 时间相关电阻性能时间相关电阻性能 【高温漂移】未调阻的厚膜电阻由于构成电阻本体的玻璃中应力释放会出现电阻值变化。常温下电阻值变化很小，高温会大大促进电阻值漂移。 【潮湿稳定性】湿度的改变会影响电阻阻值，进而加速厚膜电阻的失效，加速因子近500。 功率承载量：高功率导致的电阻漂移是由电阻内部发热引起的，不同于加热老化：局部发热
9、远高于周围区域。相同功率载荷下，低值电阻漂移较小。 厚膜电阻工艺控制厚膜电阻工艺控制 为了控制厚膜电阻电性能，厚膜电阻的印刷和烧结工艺很关键，烧结过程中某一温度下停留时间的烧结过程中某一温度下停留时间的微小改变或烧结气氛参数控制不良均会对电阻阻值微小改变或烧结气氛参数控制不良均会对电阻阻值造成显著影响造成显著影响。 厚膜电阻的制作对烧结气氛要求很高，空气烧结的电阻系统要具有很强的氧化气氛，以防止还原性气氛里将金属氧化物还原为金属。高阻值电阻比低阻值电阻对气氛要求更加敏感。 厚膜介质材料厚膜介质材料 厚膜介质材料是以多层结构形式用作导体层间的绝缘体，可在介质层上留有开口区或通孔以便相邻导体层互连
10、。 厚膜介质材料通常是结晶或可再结晶的，介质材料在较低温度下熔化后和玻璃相物质混合形成熔点比烧结温度更高的均匀组分，在随后烧结过程中保持固态，提供稳定的基础。 厚膜介质材料的烧结要求厚膜介质材料的烧结要求 烧结获得的厚膜介质材料膜必须连续、致密以起到消除层间短路的目的，但单层印刷烧结时往往存在有针孔等开口现象，通常需要烧结两次，以消除针孔和防止短路。 介质材料膜必须具有良好的介质材料膜必须具有良好的CTECTE匹配性，以减少基板匹配性，以减少基板受热弯曲对引起的材料层间开裂。因此专门开发了与氧受热弯曲对引起的材料层间开裂。因此专门开发了与氧化铝基板几乎完全匹配的介质材料：化铝基板几乎完全匹配的
11、介质材料：表表3.33.3 釉面材料釉面材料 釉面材料是可在较低温度下烧结的非晶玻璃非晶玻璃，起作用是对电路提供机械保护和抗环境影响保护，阻挡焊料的散布、确保厚膜电阻调阻后的稳定性。 【桥连短路】：导体材料的延展 【金属迁移】：防止水膜形成和污染物浸入 【焊料量控制】：焊盘周围的釉面图案设计 【调阻稳定性】：增加颜料增强激光束的通过量 丝网印刷丝网印刷 丝网印刷是将浆料按照基板表面图案涂布在基板上的工艺，通常浆料印刷通过不锈钢网的网孔印刷涂布至基板表面，不锈钢网网孔的设计制作采用的掩模技术。 丝网印刷步骤： 【1】丝网固定在丝网印刷机上； 【2】基板直接放在丝网下面，平行紧贴； 【3】涂布浆料
12、在丝网上面； 【4】刮板在丝网表面平行运动，使浆料落至基板上。 丝网印刷丝网印刷 【浆料参数难以预测】：粘度变化 【丝网脱离工艺】：接触式和非接触式 【浆料的触变性】 【印刷线条的清晰度和精确度】 浆料的干燥浆料的干燥 浆料的组分中含有两种有机组分：有机粘结剂提供丝网印刷时的合适流动性能；有机溶剂或稀释剂决定粘结剂的粘度。其中有机粘结剂是不挥发组分，有机溶剂或稀释剂是低温挥发组分。干燥过程主要就是去除可挥发组分。 流平常温挥发低温挥发组分 强制干燥70至150摄氏度下干燥 参数控制：干燥气氛纯洁度和干燥升温速率 厚膜浆料的烧结厚膜浆料的烧结 干燥以后进行浆料的烧结：传送带。 控制要点： 清洁的烧结炉环境 均匀可控的温度工作曲线：预热-升温-恒温-降温 均匀可控的烧结气氛
