高溫共燒陶瓷金屬化膜厚影響因素分析

唐利鋒，程 凱，龐學(xué)滿，張鵬飛

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

隨著航空、航天、通信、汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域裝備日益向大容量化、高速化和高可靠性方向發(fā)展，集成電路功能不斷增多，芯片頻率和傳輸速率的提高使封裝內(nèi)外引腳尺寸減小、內(nèi)部布線和過孔密度增大[1-3]。陶瓷封裝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、電熱和微波等性能優(yōu)秀[4-6]，是性能優(yōu)良的高功率密度解決方案之一。用于封裝外殼內(nèi)部電路與系統(tǒng)之間提供電能傳輸、信號(hào)傳遞、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)等功能的金屬化膜[7,8]，由多種因素引起的變化會(huì)對(duì)高密度、高速和高頻電路的電源和信號(hào)完整性產(chǎn)生不可忽視的影響，其中微帶線的特征阻抗Z0在很大程度上取決于尺寸，如線寬w與厚度t[9]，見公式（1），尤其在高密度封裝電路中，通過控制傳輸線的厚度t，減弱信號(hào)在通道中的反射，實(shí)現(xiàn)特征阻抗匹配顯得非常重要。本文從鎢金屬化漿料粒度、絲網(wǎng)規(guī)格、印刷工藝和燒結(jié)溫度等方面進(jìn)行了研究，分析了它們對(duì)鎢金屬化膜厚的影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用高溫共燒多層氧化鋁陶瓷生瓷膜，粒度分布在0.2～10 μm的鎢金屬化漿料，絲網(wǎng)絲徑為16～28μm，目數(shù)在300～500目，感光膜層厚度10～25μm，經(jīng)絲網(wǎng)印刷和高溫保護(hù)氣氛燒結(jié)獲得鎢金屬化厚膜導(dǎo)體傳輸線。用X射線衍射儀分析了粉料微觀形貌，用激光粒度儀檢測(cè)了粉料粒度；用TM351型精密測(cè)厚儀測(cè)量了絲網(wǎng)的絲徑、厚度和涂布在絲網(wǎng)上的感光膜層；用Vantage CT300型測(cè)量?jī)x測(cè)量了設(shè)計(jì)寬度×厚度為1 mm×25 μm的鎢金屬化厚膜導(dǎo)體微帶線的實(shí)際厚度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 金屬化漿料

鎢金屬化用印刷漿料與其他厚膜導(dǎo)電材料類似，一般包括70 wt%～85 wt%的導(dǎo)電金屬粉和無(wú)機(jī)氧化物粉體，15 wt%～30 wt%以乙基纖維素和松油醇等為主的有機(jī)載體。燒結(jié)后膜層厚度隨鎢粉粒度的變化如圖1所示，當(dāng)粒度從0.2 μm增加到7 μm時(shí)，獲到的膜層厚度呈現(xiàn)出先上升后趨于變化不明顯的趨勢(shì)。金屬鎢粉是漿料中的主要有效物質(zhì)，有機(jī)載體是一種具有觸變性能的流體[10]，能夠保持分散在內(nèi)部的導(dǎo)電金屬鎢粉和無(wú)機(jī)粘結(jié)相粉體形成穩(wěn)定的懸浮態(tài)，賦予鎢金屬化漿料良好的印刷性能并且使導(dǎo)電金屬鎢粉和無(wú)機(jī)粘結(jié)相在印刷后能夠牢固地附著在陶瓷坯體上，在燒結(jié)過程能夠排除。在0.2～5 μm范圍內(nèi)，隨著鎢粉粒度的增加，粉料的比表面積降低，漿料中所需要的有機(jī)載體用量減少，有效成分增加，從而得到的膜層厚度增加；隨著粉料粒度的進(jìn)一步增加，漿料中部分粒度超過精細(xì)印刷所用絲網(wǎng)孔徑的鎢粉不能通過絲網(wǎng)，只有粒度小于網(wǎng)孔部分的鎢粉能透過，5 μm粉料的粒度分布如圖2所示，表現(xiàn)為隨著膜層厚度的增加而降低。

圖1 金屬化膜層厚度隨粉料粒度的變化

3.2 絲網(wǎng)規(guī)格

金屬化膜層厚度隨印刷絲網(wǎng)絲徑的增粗而增厚，如圖3所示，隨涂覆在絲網(wǎng)上的感光膜層厚度增加而增加，如表1所示。用于印刷微電子封裝厚膜電路的絲網(wǎng)一般由金屬絲和涂覆在表面的感光膜兩部分構(gòu)成，金屬絲經(jīng)緯編織成網(wǎng)絡(luò)骨架，采用感光乳劑多次涂布-干燥或者濕法毛細(xì)菲林貼覆在表面，經(jīng)曝光和顯影工藝使沒有被底片掩模暗區(qū)保護(hù)的感光膜受到紫外線作用而交聯(lián)固化，被保護(hù)的區(qū)域能夠被水或者顯影液沖下，從而在感光膜上形成與底片掩模暗區(qū)對(duì)應(yīng)的開口圖形。因此，透過絲網(wǎng)上開口部分的金屬化漿料的體積在很大程度上取決于絲網(wǎng)的絲徑和涂覆在上面的感光膜厚度。理論上增加絲網(wǎng)絲徑和涂覆在上面的感光膜厚度可以得到任意需要的金屬化膜層厚度，但是隨著絲徑和膜層增加到一定厚度，由于圖形邊緣被金屬絲阻擋，感光膜在制版顯影過程中易被水沖走，印刷過程金屬化膜層與感光膜剝離困難，從而導(dǎo)致通過印刷得到的厚膜不理想。

圖2 粉料粒度分析

圖3 膜層厚度隨絲網(wǎng)絲徑的變化

表1 金屬化膜厚隨絲網(wǎng)感光膜厚度的變化

3.3 印刷工藝參數(shù)

絲網(wǎng)印刷是微電子陶瓷封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，其基本原理是印刷過程中絲網(wǎng)下降到距生瓷膜片一定的高度，刮刀下壓絲網(wǎng)，使絲網(wǎng)拉伸直到絲網(wǎng)只有正對(duì)刮刀下的那一點(diǎn)接觸生瓷膜片，印刷機(jī)刮刀在絲網(wǎng)表面移動(dòng)，金屬化漿料在刮刀下壓及移動(dòng)產(chǎn)生的剪切作用下，內(nèi)部有機(jī)載體的氫鍵斷開，粘度降低，漿料填滿絲網(wǎng)上的開口部分，一旦刮刀從該點(diǎn)刮過，絲網(wǎng)從刮刀通過的地方與生瓷膜片分離并恢復(fù)原狀，將鎢金屬化漿料留在生瓷膜片上形成具有一定厚度和圖形的金屬化膜。如圖4所示，金屬化膜層厚度隨刮刀移動(dòng)速度的增加呈現(xiàn)出先降低后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)闈M足布線要求的導(dǎo)體漿料屬于典型的牛頓粘性流體，粘度隨著剪切速率的增加而降低，當(dāng)印刷機(jī)刮刀移動(dòng)速度較低的時(shí)候，漿料粘度較高，在刮刀擠壓作用下通過絲網(wǎng)，獲得的膜層厚度較高；隨著印刷機(jī)刮刀移動(dòng)速度增加，漿料受到的剪切作用增加，粘度降低，流動(dòng)性增加，當(dāng)絲網(wǎng)從刮刀通過的地方與陶瓷坯體分離后，漿料內(nèi)部有機(jī)載體分子的擴(kuò)散、氫鍵結(jié)合恢復(fù)粘度需要一定時(shí)間，宏觀表現(xiàn)為生瓷膜片上的漿料流淌，厚度降低；當(dāng)印刷機(jī)刮刀移動(dòng)速度在5 mm/s及以上時(shí)，由于漿料受到的剪切速率已超過粘度下降，出現(xiàn)突變點(diǎn)，即粘度不再隨刮刀移動(dòng)速度增加而降低，金屬化膜層厚度趨于穩(wěn)定。

圖4 膜層厚度隨印刷速度的變化

3.4 燒結(jié)溫度

高溫共燒陶瓷金屬化膜層厚度在保護(hù)性氣氛條件下隨燒結(jié)溫度的變化如圖5所示，在200～1000℃范圍內(nèi)，金屬化膜層厚度隨著燒結(jié)溫度的增加快速下降；在1000～1600℃范圍內(nèi)，雖然金屬化膜層厚度隨著燒結(jié)溫度的增加仍呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)，但是下降速率變緩并趨于穩(wěn)定。未燒結(jié)之前，為了使金屬化膜層和生瓷膜片具有較好的可加工性能并且能夠使金屬化膜層與生瓷膜片、生瓷膜片與生瓷膜片牢固地結(jié)合在一起，通常在金屬化膜層和生瓷膜片中含有15 wt%～30 wt%的有機(jī)載體。在燒結(jié)過程中，溫度從200℃上升到1000℃范圍內(nèi)，金屬化膜層和生瓷膜片中的有機(jī)載體發(fā)生氧化分解反應(yīng)，以CO和CO2的形式逸出，金屬化膜層和生瓷膜片中的金屬鎢和氧化鋁等固體粉體在重力作用下發(fā)生重排，厚度明顯下降；在1100～1600℃溫度范圍內(nèi)，金屬化膜層和氧化鋁膜片內(nèi)部的金屬鎢粉體與金屬鎢粉體、金屬鎢粉體和氧化鋁粉體、氧化鋁粉體和氧化鋁粉體之間的低熔點(diǎn)玻璃相融熔，通過形成液相，物質(zhì)發(fā)生質(zhì)點(diǎn)遷移，液相含量增加，在液相張力作用下金屬鎢粉體和氧化鋁粉體發(fā)生滑移和重排，氣孔逐漸縮小并排除，金屬化膜層厚度進(jìn)一步降低。在冷卻過程中，隨著溫度的降低，低熔點(diǎn)玻璃相從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，金屬化膜層和熟瓷膜片的外形結(jié)構(gòu)得到有效保持。

圖5 膜層厚度隨燒結(jié)溫度的變化

4 結(jié)論

本文研究了鎢金屬化漿料粒度、絲網(wǎng)及涂覆在上面的感光膜厚度、印刷刮刀移動(dòng)速度和燒結(jié)等對(duì)鎢金屬膜厚度的影響。結(jié)果表明：

（1）在5.0 μm范圍內(nèi)，金屬化膜層厚度隨著粉料粒徑的增加而增加，若進(jìn)一步增大粉料粒徑，高密度精細(xì)印刷漿料中部分粒度超過絲網(wǎng)孔徑的粉體不能通過絲網(wǎng)，得到的金屬化膜層厚度反而會(huì)降低；（2）透過絲網(wǎng)上開口部分的金屬化膜層的體積在很大程度上取決于絲網(wǎng)的厚度，絲徑在16～28 μm范圍內(nèi)，感光膜層厚度在10～25 μm范圍內(nèi)，通過控制絲徑和涂覆在上面的感光膜厚度可調(diào)整金屬化膜層厚度；（3）隨著刮刀移動(dòng)速度的增加，印刷得到的膜層厚度下降，當(dāng)速度超過漿料粘度下降的突變點(diǎn)及以上時(shí)，金屬化膜層厚度變化趨于穩(wěn)定；（4）經(jīng)液相燒結(jié)，金屬化膜層內(nèi)部的有機(jī)載體和氣孔排除，粉體顆粒發(fā)生滑移和重排，膜層致密化而獲得厚度為25 μm的金屬化厚膜。