厚膜銀導(dǎo)體銀離子遷移的試驗設(shè)計要點(diǎn)分析

廉大楨 王社教

摘 要：文章對厚膜銀導(dǎo)體銀離子遷移試驗的基本考核條件和試驗方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，由試驗結(jié)果可知，在直流電場660 V/mm的強(qiáng)度下，經(jīng)過介質(zhì)材料和基片材料的更換，能夠?qū)︺y離子的遷移現(xiàn)象產(chǎn)生一定的抑制作用，實現(xiàn)電路可靠性的逐步提高，在具體的厚膜混合電路中，銀離子遷移主要是表面界面現(xiàn)象的一種體現(xiàn)，且會直接受到材料表面界面性能等因素的影響。

關(guān)鍵詞：厚膜銀導(dǎo)體；銀離子遷移；設(shè)計要點(diǎn)

中圖分類號：TQ153.16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0179-02

因為銀導(dǎo)體工藝性能和導(dǎo)電性，銀導(dǎo)體通常用于厚膜混合集成電路的功率電路中，然而，因為直流、高濕、高溫的電場條件下，銀導(dǎo)體會產(chǎn)生因銀離子遷移造成電路短路現(xiàn)象，進(jìn)而影響電路的正常使用。，通常情況下，銀離子遷移能夠利用水滴試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，但在具體的電路運(yùn)行中，怎樣對銀離子遷移的發(fā)生程度進(jìn)行判斷，仍然缺乏較為深入的研究。

1 試驗設(shè)計

在偏置電場以及高溫、高濕的環(huán)境下，陽極的金屬銀能夠在化學(xué)反應(yīng)的作用下逐步轉(zhuǎn)化為銀離子，并經(jīng)遷移通道向陰極部位遷移，銀離子能夠在陰極處逐步生長，進(jìn)而誘發(fā)漏電流過大、電路短路、飛弧或介質(zhì)擊穿等嚴(yán)重的失效現(xiàn)象。圖1為實際應(yīng)用電路產(chǎn)生銀離子遷移現(xiàn)象的實例。

在具體的電路工作過程中，銀離子遷移一般需要耗費(fèi)較長的時間才得以產(chǎn)生宏觀的擴(kuò)散和生長現(xiàn)象，為了對銀離子的遷移速度進(jìn)行進(jìn)一步的驗證分析，利用水滴試驗的方法進(jìn)行觀察分析。因為在具有較高可靠性和實際應(yīng)用價值的電路中，材料表面的水汽吸附能力與水膜的實際性能具有較大的差異，同時遷移通道也較為豐富，各個類型材料的表面界面結(jié)構(gòu)也不存在較大的差別，所以，模擬實際環(huán)境對銀離子遷移的影響程度是一種較為合理的試驗手段，實際環(huán)境主要涉及考核條件、水汽含量、遷移通道、偏置電場等。

1.1 遷移的判定依據(jù)

首先是通過電流保護(hù)進(jìn)行判斷，在電流達(dá)到一定水平后，電路會自動斷開，依據(jù)實際情況可選擇0.2 A的電流大小，也可使用較低的電流保護(hù)開關(guān)或是熔斷絲。其次是直接方法對陰極的銀離子生長情況進(jìn)行觀察，若電路陰極存在典型的離子生長現(xiàn)象或是電路發(fā)生斷開，則可以確定銀離子發(fā)生遷移，若未見上述情況，則可排除銀離子遷移的可能。

1.2 考核條件

在-65℃～150℃的溫度條件下進(jìn)行100次循環(huán)，后在150℃的高溫條件下連續(xù)1 000 h加電試驗。

1.3 設(shè)置遷移通道

在偏置電壓保持不變的銀導(dǎo)體條件下，銀離子遷移的唯一潛在影響因素為銀離子遷移通道的材料類型，在厚膜電路中，一方面可能是玻璃、介質(zhì)和基片等燒結(jié)后的界面，另一方面也可能是介質(zhì)或是基片的粗糙表面，通常情況下，按照工藝條件的不同，通常包括下述幾種銀離子遷移通道：96%A12O3表面為A組，96%A12O3與介質(zhì)1界面為A1組，96%A12O3與玻璃1界面為A2組，96%A12O3與玻璃2界面為A3組，99%Beo表面為B組，介質(zhì)2表面為C組，96%A12O3與介質(zhì)2界面為C1組，介質(zhì)2與玻璃2界面為C2組。

需要注意的是，上述全部的銀離子遷移通道在試驗時都需要在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣氣氛下進(jìn)行充分暴露，并將相對濕度控制在50%至85%之間。在厚膜工藝實施過程中，96%A12O3表面通常是由96%A12O3基片上銀導(dǎo)帶燒結(jié)印制而成，在A12O3與空氣進(jìn)行充分接觸后，96%A12O3與介質(zhì)1界面則指的是96%A12O3基片上銀導(dǎo)帶燒結(jié)印制后，經(jīng)介質(zhì)1再次燒結(jié)印制而成的，介質(zhì)1的布線范圍通常在上文所述的0.3 mm通道范圍之內(nèi)。

1.4 偏置電壓與導(dǎo)體間距

偏置電壓通常為恒定直流電，通常在200 V以上，導(dǎo)體的工藝制作水平與導(dǎo)體的間距之間存在直接聯(lián)系，通常情況下在0.3 mm以下。為了對銀離子遷移現(xiàn)象進(jìn)行觀察分析，偏置電場的強(qiáng)度應(yīng)控制在600 V/mm以上[3]。

2 試驗結(jié)果

在150℃條件下連續(xù)進(jìn)行1 000 h以上的試驗，試驗結(jié)果證實，A、A1、A2組在試驗300～700 h時會發(fā)生燒毀熔斷絲現(xiàn)象，但在A3、B、C、C1、C2組試驗時卻未發(fā)生熔斷現(xiàn)象。完成試驗后，觀察結(jié)果證實，A3組的導(dǎo)帶仍然會發(fā)生銀離子生長現(xiàn)象，然而，銀離子生長現(xiàn)象的發(fā)生僅僅限于具有較強(qiáng)電場的部位，與A、A1、A2組的銀離子陰極擴(kuò)散生長過程不同。但是B、C、C1、C2組卻無法看到典型的銀離子生長現(xiàn)象。

3 討論與總結(jié)

由本文所述的試驗結(jié)果可知，在直流660 V/mm電場強(qiáng)度下，通過連續(xù)1 000 h的150℃加電試驗，氧化鋁與玻璃、氧化鋁基片與介質(zhì)1界面、96%氧化鋁基片表面等都會發(fā)生程度不同的銀離子遷移現(xiàn)象，這一遷移現(xiàn)象的發(fā)生會造成電路的失效。銀離子遷移現(xiàn)象不僅僅與氧化鋁基片表面粗糙度和表面電子狀態(tài)存在直接聯(lián)系，而且還直接受到介質(zhì)玻璃材料和氧化鋁基片材料界面密度的影響，因此，這些缺陷中銀離子遷移擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生率更高。事實上，在這類結(jié)構(gòu)和材料中，即便降低電場強(qiáng)度到100 V/mm以下，但在長時間加電處理的基礎(chǔ)上，電陰極仍然會發(fā)生一定程度的銀離子遷移擴(kuò)散現(xiàn)象。

但是，在介質(zhì)2基片表面和99%BeO基片表面中，在上文所述的條件下，電遷移通?？梢院雎圆挥?，在上述兩種材料表面中，即便覆蓋一層能夠?qū)︺y離子遷移產(chǎn)生完全抑制作用的玻璃，但仍然不會影響其性能，但在96%氧化鋁表面，介質(zhì)2能夠得到較為理想的抗遷移效果，上述兩種材料的界面性能和表面性能仍然有待于進(jìn)一步的研究。

為了消除厚膜混合集成電路中銀離子的遷移現(xiàn)象對電路可靠性的影響，首先在厚膜電路印刷版圖設(shè)計時，避免在關(guān)鍵元件之間加有偏置電壓，加有偏置電壓的導(dǎo)體之間間隙在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量的大一些；其次應(yīng)采用銀和貴金屬（如鈀和鉑）的合金，合金中的貴金屬可降低銀離子形成的速度；還應(yīng)盡量選擇那些具有較好表面性能以及能夠避免銀離子遷移的介質(zhì)和基片材料；加工、儲存和密封厚膜電路時，盡量在無濕氣、無污染的環(huán)境中進(jìn)行；電路表面可用玻璃鈍化層保護(hù)有機(jī)涂覆或無定型包封等，以隔絕水氣凝聚于厚膜電路表面；使用應(yīng)盡量避免高濕、高溫環(huán)境等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳原，關(guān)志成.合成絕緣子的離子遷移試驗研究[J].華北電力技術(shù)，1998，（2）.