影響厚膜導(dǎo)體附著力的幾種因素

楊伊杰，吳潤(rùn)霖

（甘肅天水七四九電子有限公司，甘肅 天水 741000）

1 引言

厚膜混合集成電路以其組件參數(shù)范圍廣、精度和穩(wěn)定度高、電路設(shè)計(jì)靈活性大、研制生產(chǎn)周期短、適合于多種小批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，與半導(dǎo)體集成電路相互補(bǔ)充、相互滲透，已成為集成電路的一個(gè)重要組成部分。厚膜混合集成電路基板采用Al2O3陶瓷、BeO陶瓷等，散熱性能極好。另外，厚膜導(dǎo)體還具有以下優(yōu)勢(shì)，因而得到廣泛運(yùn)用，市場(chǎng)前景越來(lái)越好：（1）電導(dǎo)率高，膜層厚，導(dǎo)體方阻小，在大電流沖擊下引線損耗?。唬?）厚膜導(dǎo)體附著力好，尤其在大功率芯片燒結(jié)、共熔焊、再流焊和錫焊等組裝工序和電路老化后，厚膜導(dǎo)體附著力仍然符合要求；（3）可焊性好，可滿足芯片燒結(jié)、絲焊、共熔焊、再流焊和錫焊等多道組裝工序的要求；（4）在長(zhǎng)期電流沖擊下，機(jī)電性能仍然良好；（5）厚膜混合集成電路集成度高，附著力強(qiáng)，組裝靈活，生產(chǎn)周期短，制造成本低。

公司的厚膜混合集成電路產(chǎn)品在做剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)曾經(jīng)出現(xiàn)了焊盤(pán)脫落現(xiàn)象，這使我們的厚膜混合集成電路產(chǎn)品合格率大大下降，對(duì)厚膜混合集成電路產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)很大隱患，直接關(guān)系到厚膜電路組件的使用壽命，后果相當(dāng)嚴(yán)重。為了解決附著力變差的問(wèn)題，技術(shù)人員做了大量的工作，進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，從選擇厚膜導(dǎo)體漿料、印刷工藝、燒結(jié)工藝、焊接工藝、清洗工藝等入手，終于找到了原因。

2 厚膜導(dǎo)體漿料

厚膜導(dǎo)體漿料的主要功能是在信號(hào)線中導(dǎo)通電流，在導(dǎo)體層之間、在元器件和電路線之間形成電通路。厚膜導(dǎo)體漿料中含有多種成份，對(duì)厚膜導(dǎo)體附著力及可焊性都起著決定性作用，但有時(shí)也相互矛盾。比如，在厚膜導(dǎo)體漿料銀鈀中，銀含量增加，電阻率降低，可焊性提高，抗焊料侵蝕能力（附著力）下降，成本降低；鈀含量提高，抗銀離子遷移能力增強(qiáng)，抗焊料侵蝕能力（附著力）提高，電阻率增大，成本增大。

對(duì)用于厚膜混合集成電路和電阻網(wǎng)絡(luò)的厚膜導(dǎo)體漿料的主要性能要求是：印刷性好、可焊性好、附著力強(qiáng)、與電阻漿料匹配性好、細(xì)線分辨率高。因此，選擇合適的厚膜導(dǎo)體漿料是很重要的。我們用杜邦的6177銀鈀漿料跟合肥圣達(dá)的SD1210（20% Pd）在2mm×2mm焊區(qū)上都做了附著力試驗(yàn)并進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種漿料的附著力都大于58.8N（廠家要求的老化前的附著力為39.6N），而且焊盤(pán)沒(méi)有脫落現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用比較，杜邦的6177銀鈀導(dǎo)體漿料（15%Pd）、5715H（Au）印刷性好、可焊性好、附著力強(qiáng)、與電阻漿料匹配性好、細(xì)線分辨率高，可以滿足厚膜混合集成電路和電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的性能要求。

3 印刷工藝和燒結(jié)工藝

印刷厚膜導(dǎo)體漿料是厚膜混合集成電路制造工藝的第一步。厚膜導(dǎo)體漿料印得越薄，其導(dǎo)體附著力越低；反之，厚膜導(dǎo)體漿料印得越厚，其導(dǎo)體附著力越高，但要增加制造成本。一般，銀鈀導(dǎo)體的干膜厚度都控制在15μm～20μm，金導(dǎo)體的厚度控制在11μm～15μm，。

3.1 烘干、燒結(jié)工藝

厚膜導(dǎo)體漿料經(jīng)印刷后,放置5min（流平）后,置于150℃的帶式隧道爐中烘干，時(shí)間約為15min；再置于850℃帶式隧道燒結(jié)爐中燒結(jié)。600℃以上保持30min，800℃以上保持20min，850℃保持8 min～10min。在高溫時(shí)保持時(shí)間不宜太長(zhǎng)，否則玻璃上浮到厚膜導(dǎo)體表面，會(huì)降低厚膜導(dǎo)體附著力和可焊性。

有些情況下，新印完的基片在提高溫度干燥前，室溫下晾干一到幾小時(shí)能得到更好的結(jié)果。這樣可平緩地去掉溶劑并流平，減小漿料的流動(dòng)和尺寸的變化，避免產(chǎn)生氣泡。

印刷厚膜導(dǎo)體漿料、介質(zhì)漿料和電阻漿料后，要進(jìn)行流平、烘干及燒結(jié)，其工藝及作用原理如表1。

為了確定燒結(jié)曲線是否合適，我們做了燒結(jié)爐 的溫度曲線，從溫度曲線上看出最高溫度為856℃，850℃以上溫度保持時(shí)間為9.8min，都在規(guī)定的范圍之內(nèi)。而且，經(jīng)過(guò)計(jì)量，燒結(jié)爐的顯示溫度跟實(shí)際溫度基本一致。從所做的溫度曲線也可以驗(yàn)證顯示的爐溫是正常的。

3.2 瓷片的清洗

在這次試驗(yàn)中，我們還做過(guò)瓷片清洗的對(duì)照試驗(yàn)。公司的瓷片清洗一直用的是Ⅰ號(hào)洗液，離子水:雙氧水:氨水=5:2:1（體積比），由于懷疑使用的氨水和雙氧水是否合格，公司臨時(shí)從其他廠調(diào)換了一些氨水和雙氧水，然后跟原來(lái)的試劑進(jìn)行清洗對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)附著力試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)這兩種牌子的試劑清洗后沒(méi)有明顯的變化。由此排除了瓷片清洗的問(wèn)題。

從以上所做的試驗(yàn)可以看出，我們的瓷片清洗、燒結(jié)爐的溫度曲線都沒(méi)有問(wèn)題，這幾種可能影響導(dǎo)體附著力的因素都被一一排除了。下面我們將重點(diǎn)放在再流焊的焊接工藝上。

4 再流焊焊接工藝

厚膜混合集成電路進(jìn)行再流焊時(shí)，其焊膏應(yīng)選擇含銀的焊膏，含銀的焊膏可大大減少“吃銀”現(xiàn)象。因?yàn)?，含銀的焊膏可大大避免厚膜導(dǎo)體中銀粒子擴(kuò)散、侵蝕、遷移到再流焊焊膏中去。一般可選擇含銀2%左右的焊膏。

厚膜混合集成電路再流焊焊接溫度應(yīng)按照再流焊焊膏的技術(shù)要求和再流焊爐的具體情況設(shè)定，比如，熔點(diǎn)為180℃的再流焊焊膏，廠家給的參考溫度是220℃～230℃，但經(jīng)過(guò)我們大量的試驗(yàn)和摸索，再流焊焊接溫度應(yīng)設(shè)定在210℃左右，不能過(guò)高和過(guò)低。再流焊焊接溫度過(guò)高，容易使厚膜混合集成電路在焊接時(shí)“吃銀”；而再流焊焊接溫度過(guò)低，焊接性能不好，則容易出現(xiàn)厚膜混合集成電路產(chǎn)品假焊，留下質(zhì)量隱患。

厚膜混合集成電路在焊接時(shí)，再流焊焊接速度也是影響厚膜導(dǎo)體“吃銀”的重要方面，再流焊焊接速度過(guò)低，則厚膜導(dǎo)體附著力降低，特別要防止在焊接時(shí)，將厚膜混合集成電路產(chǎn)品停留在再流焊?jìng)魉蛶虾附?、返修；而再流焊焊接溫度過(guò)高，焊接性能不好，則容易出現(xiàn)厚膜混合集成電路產(chǎn)品假焊。一般，厚膜混合集成電路再流焊焊接速度應(yīng)保持在200mm/min～300mm/min。

再流焊完成后，我們按照GJB548方法2019做組件的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度的示意圖如圖1所示。

表2～表5是在不同的溫度和鏈速下焊接后做剪切強(qiáng)度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

（1）紅外再流焊爐爐溫250℃，鏈速標(biāo)值2.6，0805片式組件，見(jiàn)表2。

總共有36個(gè)焊盤(pán)，其中一個(gè)焊盤(pán)脫落的有12個(gè)，占總焊盤(pán)的33.3%；兩個(gè)焊盤(pán)都脫落的有3個(gè)，占總焊盤(pán)的8.3%。

（2）紅外再流焊爐爐溫230℃，鏈速標(biāo)值2.6，0805片式組件，見(jiàn)表3。

總共有36個(gè)焊盤(pán)，其中一個(gè)焊盤(pán)脫落的有8個(gè)，占總焊盤(pán)的22.2%；兩個(gè)焊盤(pán)都脫落的有2個(gè)，占總焊盤(pán)的5.5%。

（3）紅外再流焊爐爐溫210℃，鏈速標(biāo)值2.8，0805片式組件，見(jiàn)表4。

總共有36個(gè)焊盤(pán)，沒(méi)有焊盤(pán)脫落。

（4）紅外再流焊爐爐溫185℃，鏈速標(biāo)值2.8，0805片式組件，見(jiàn)表5。

總共有36個(gè)焊盤(pán)，其中一個(gè)焊盤(pán)脫落的有13個(gè)，占總焊盤(pán)的36.1%；兩個(gè)焊盤(pán)脫落的有9個(gè)，占總焊盤(pán)的25%。

從以上的數(shù)據(jù)我們可以看出，溫度和鏈速確實(shí)對(duì)導(dǎo)體膜的附著力有很大的影響，溫度過(guò)高和過(guò)低都是不行的。這是因?yàn)楹父嗟娜诨撬查g的，只要在適宜的溫度下能充分融化，它就在焊膏和導(dǎo)體膜之間形成一層合金層，它的剪切力就能達(dá)到要求；如果溫度過(guò)高，鏈速太慢，導(dǎo)體膜在高溫區(qū)停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊膏就不斷侵蝕下面的導(dǎo)體膜層，也就是不斷地“吃銀”，直到吃完，所以在做剪切強(qiáng)度測(cè)試的時(shí)候焊盤(pán)就脫落了；同樣，如果溫度過(guò)低就容易形成假焊，導(dǎo)體膜也容易脫落，剪切力也會(huì)不合格。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)體膜在高溫區(qū)的時(shí)間不超過(guò)10s。

現(xiàn)在我們使用的再流焊爐溫設(shè)置在200℃～220℃，鏈速標(biāo)值設(shè)置在2.6～2.8。我們?cè)趯?shí)際使用過(guò)程中，需要根據(jù)焊接組件的多少及瓷片的大小設(shè)置一個(gè)合適的值。而且，焊膏的熔點(diǎn)隨著Sn含量的不同而稍有不同，在每次來(lái)了新焊膏以后，我們都必須重新調(diào)試焊接溫度，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

5 超聲清洗

在成膜基片焊接完無(wú)源組件后要進(jìn)行超聲清洗，從我們此次的工藝攻關(guān)看，超聲清洗對(duì)導(dǎo)體膜的附著力也有一定的影響，清洗后附著力會(huì)變差。在此就不詳細(xì)列舉了。

6 結(jié)論

從前面的分析可以看出，影響導(dǎo)體膜附著力的因素很多：瓷片的清洗、印刷的膜厚、燒結(jié)溫度曲線的設(shè)置、焊接溫度和速度、超聲清洗等都會(huì)影響導(dǎo)體膜附著力。在具體使用過(guò)程中，我們要根據(jù)實(shí)際情況，靈活設(shè)置參數(shù)，就可以使導(dǎo)體膜的附著力大大提高。

［1］James J.Licari，Leonard R.Enlow.混合微電路技術(shù)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］GJB 548.微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].