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第三章 薄膜材料与工艺

一、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术
1、薄膜和厚膜: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,可以看作是物质的二维状态。在膜中又有薄膜和厚膜之分,薄膜和厚膜如何划分,有下面一些见解:
a.按膜厚对膜的经典分类认为,小于1um的为薄膜,大于1um的为厚膜;
b.按制作方法分,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;
c.按膜的存在形态分类认为,只能成形于基体之上的为薄膜(包覆膜,又可分为沉积膜和化合形成膜),不需要基体而能独立成形的为厚膜(自立膜);
d.就电子封装工程涉及的膜层而论,膜厚一般在1um到数百微米之间,按膜层的形成方法,将真空法(干式)和溶液法(湿式)沉积得到的膜层称为薄膜,而由浆料印刷法形成的膜层称为厚膜,前者膜厚多为数微米,后者膜厚多为20um上下;
e.薄膜的真空沉积法有下述优点:
■由于镀料的气化方式很多(如电子束蒸发、溅射、气体源等),通过控制气氛还可以进行反应沉积,因此可以等到各种材料的膜层;
■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,还可以制取多层膜,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;
■可以较方便地采用光、等离子体等激发手段,在一般的工艺条件下,即可获得在高温、高压、高能量密度下才能获得的物质;
■真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷(super-quenching)过程,因此可以获得特异成分、组织及晶体结构的物质;
■由于在LSI工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验,很便于在电子封装工程中推广;
f.厚膜的丝网印刷法有下述优点:
■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;

2、膜及膜电路的功能:对于电子封装工程而言,膜及膜电路主要由电气连接、元件搭载、特殊功能、表面改性等四大功能;

3、成膜方法:
a.按干式法和湿式法分类:
干式:真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、等离子喷涂、等离子喷射、切削(切片机)、压延轧制、化学的制膜法、热分解法、气相反应法、吸附反应、聚合反应、光聚合反应(CVD)、放电(等离子体)聚合、蒸镀聚合;
湿式:电镀、化学镀、阳极氧化、蚀刻、丝网印刷、涂敷、溶胶-凝胶、L-B法;
b.物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD:
PVD法:真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、蒸镀聚合法(反应蒸镀法);
CVD法:热分解法、气相反应法(CVD)、等离子体CVD法、放电(等离子体)聚合法;

4、电路图形的形成方法:填平法、蚀刻法(化学蚀刻法和薄膜光刻法)、掩模法、厚膜印刷法、喷沙法;

5、膜材料:常见成膜法得到的薄膜物质如下:
■离子镀:金属、氧化物、氮化物、碳化物、合金;
■CVD:金属、非金属化合物;
■溅射镀膜:金属、合金、非金属化合物;
■喷涂:金属、氧化物、合金混合物;
■印刷法:金属、氧化物、非金属混合物;
■电镀:金属、合金;
■化学镀:金属、合金;
■阳极氧化:氧化物;
二、薄膜材料:
1、导体薄膜材料:
a.材料的种类及性质: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,在上述用途中,为保证金属-半导体间的连接为欧姆连接,需要达到下述要求:
■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;
b.除了半导体与金属间连接应注意的上述事项外,对于其他布线及电极用的导体材料,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;
■置于高温状态,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;
c.铝Al作为以Si为基的IC中的常用导体时,需注意以下几点:
■随环境、气氛温度上升,Al和Au发生相互作用,生成金属间化合物、致使接触电阻增加,进而发生接触不良;
■当Al中通过高密度电流时,向正极方向会发生Al的迁移,即所谓电迁移;
■在500℃以上,Al会浸入下部的介电体中;
■在MOS元件中难以使用;
■尽管Al的电阻率低,与Au不相上下,但由于与水蒸气及氧等发生反应,其电阻值会慢慢变高;
d.连接与布线的形成及注意点;
e.导体膜的劣化及可靠性:
■成膜后造成膜异常的主要原因有两个:一是由于严重的热失配,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;二是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应有高电流密度、高温度、大的温度梯度、接触电阻等,特别是几个因素联合作用时,效果更明显。从内因讲,有构成物质的体系、晶粒度、内部缺陷等。内因外应之间随时都在发生作用;
■劣化模式是各种机制的组合,平均故障时间MTF(mean time to failure)与微观的机构因子数相关,特别是导体的长度和宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等影响很大,为了增加MTF,在条件允许的情况下应尽量采取如下措施:减小导体长度、增加导体膜的宽度与厚度、减小MTF的标准偏差、增加膜层的平均粒度等;
f.薄膜电感:相薄膜电阻电容一样,与薄膜电路一体化的薄膜电感也有很多优点,但由于经济方面的原因,薄膜电感的应用开发受到限制;

2、电阻薄膜材料:薄膜电阻用原材料的电阻率多分布在100~2000umΩcm范围内,电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数TCR(temperature coefficient of resistance)应在100ppm/℃以下,而且要求其电气性能稳定。薄膜电阻通常采用真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法制作,在这些薄膜制作方法中,一般会对其电气特性产生如下影响:
■薄的膜层对传导电子产生表面散射,由此造成TCR减小、电阻率升高。但非常薄的膜为不连续的岛状结构,由此可能造负的TCR,这种膜容易发生凝聚或氧化,除少数几种物质外,特性不稳定,相反,膜层过厚时内部畸变大,特性也不稳定;
■若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体,由于引起电子散射,使TCR变小,长期稳定性变差;
■在金属-绝缘体、金属陶瓷等多相系中,因组分比易发生偏离,膜的均匀性不好,由于过剩成分的氧化、稳定性差;
■单相薄膜具有正TCR和较低的电阻,但组成复合系,例如NiCr等,由于各成分的TCR相抵消,是TCR变小,阻值升高;
■基板表面沾污,凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材质、成膜速率等都会造成特性的分散,并影响稳定性等;

3、介质薄膜材料:介质薄膜材料依据其电学特性(如电气绝缘、介电性、压电性、热释电性、铁电性),以及光学特性和机械特性等,广泛应用于电子元器件、光学器件、机械元器件等各种不同领域,作为实例,有显示元件、红外传感器、弹性表面波(SAW)元件、薄膜电容器、不易失性储存器等;

4、功能薄膜材料:透明导电膜、电致发光(EL)、阴极发光(CL)、光盘、太阳能电池、热释电效应薄膜、铁电薄膜、ZnO薄膜、光集成回路、氧化物系超导薄膜、金刚石薄膜、三极管、传感器。

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