电子封装-第三章.ppt
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1、电子封装-第三章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第三章第三章 薄膜材料与工艺薄膜材料与工艺1、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术F1.1 薄膜和厚膜薄膜和厚膜F1.2 膜及膜电膜及膜电l路的功能路的功能F1.3 成膜方法成膜方法F1.4 电路图形的形成方法电路图形的形成方法F1.5 膜材料膜材料2、薄膜材料、薄膜材料F2.1 导体薄膜材料导体薄膜材料F2.2 电阻薄膜材料电阻薄膜材料F2.3 介质薄膜材料介质薄膜
2、材料F2.4 功能薄膜材料功能薄膜材料1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术薄膜和厚膜薄膜和厚膜F电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展,源于电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展,源于与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及信息处理能力的急速提高信息处理能力的急速提高系统的大规模、大容量及大型化系统的大规模、大容量及大型化要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化F晶体管普及之前晶体管普及之前真空电子管的板极、栅极、灯丝等为
3、块体材料,电子管插在管真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料,电子管插在管座上由导管连接,当时并无膜可言座上由导管连接,当时并无膜可言F20世纪世纪60年代,出现薄膜制备技术年代,出现薄膜制备技术在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜,用以形在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜,用以形成小型元器件及电路等成小型元器件及电路等F进入晶体管时代进入晶体管时代从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路,膜技术便成为从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路,膜技术便成为整套工艺中的核心与关键。整套工艺中的核心与关键。1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的
4、膜材料及膜技术薄膜和厚膜薄膜和厚膜F与三维块体材料比较:一般地,膜厚度很小,可看作二维与三维块体材料比较:一般地,膜厚度很小,可看作二维F膜又有薄膜和厚膜之分膜又有薄膜和厚膜之分经典分类:经典分类:l厚膜厚膜制作方法分类:制作方法分类:l块体材料制作的(如经轧制、锤打、碾压等)块体材料制作的(如经轧制、锤打、碾压等)厚膜厚膜l膜的构成物一层层堆积而成膜的构成物一层层堆积而成薄膜。薄膜。膜的存在形态分类:膜的存在形态分类:l只能成形于基体之上的只能成形于基体之上的薄膜(包覆膜)薄膜(包覆膜)沉积膜基体表面由膜物质沉积析出形成 化合形成膜通过对基体表面进行化学处理形成,在物理沉积过程中伴随有表面参
5、与的化学反应1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术薄膜、厚膜区分通常无实际意义薄膜、厚膜区分通常无实际意义l针对具体膜层形成方法针对具体膜层形成方法 膜层材料膜层材料 界面结构界面结构 结晶状态结晶状态 晶体学取向晶体学取向 微观组织微观组织 各种性能和功能各种性能和功能l进行研究更有用进行研究更有用电子封装工程涉及膜层:膜厚电子封装工程涉及膜层:膜厚数百微米数百微米按膜层的形成方法:按膜层的形成方法:l真空法真空法(干式干式)和和溶液法溶液法(湿式湿式)沉积得到的膜层沉积得到的膜层薄薄膜,为数微米膜,为数微米l浆料印刷法浆料印刷法形成的膜层形成的膜
6、层厚膜,前者膜厚多,厚厚膜,前者膜厚多,厚200微米微米薄膜的真空沉积法优点薄膜的真空沉积法优点可以得到各种材料的膜层可以得到各种材料的膜层F镀料气化方式很多(如电子束蒸发、溅射、气体源等),控镀料气化方式很多(如电子束蒸发、溅射、气体源等),控制气氛还可以进行反应沉积制气氛还可以进行反应沉积通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择,可以通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择,可以对界面结对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制构、结晶状态、膜厚等进行控制,还可,还可制取多层膜制取多层膜、复合膜复合膜及及特殊界面结构的膜特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁,故层等。由于膜层表面精细光洁,故
7、便于通过便于通过光刻制取电路图形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,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(过程,因此真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷(过程,因此可以获可以获得特异成分、组织及晶体结构的物质得特异成分、组织及晶体结构的物质由于在工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验,由于在工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验,很很便于在电子封装工程中推广便于在电子封装工程中推广厚膜的丝网印刷法
8、有优点厚膜的丝网印刷法有优点通过丝网印刷,可直接形成电路图形通过丝网印刷,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,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容易实现多层化,与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基板多层共烧基板设备简单,投资少设备简单,投资少1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜及膜电路的功能膜及膜电路的功能电气连接电气连接F印制
9、线路板()的发明,使电路以膜的印制线路板()的发明,使电路以膜的形式与基板作成一体,元器件搭载在基板上并形式与基板作成一体,元器件搭载在基板上并与导体端子相连接,这对于整个系统的小型化、与导体端子相连接,这对于整个系统的小型化、高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都有重大贡献有重大贡献F三维立体布线方式的多层板、陶瓷多层三维立体布线方式的多层板、陶瓷多层共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现,共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现,对于提高封装密度起着十分关键的作用对于提高封装密度起着十分关键的作用元件搭载元件搭载芯片装载在封装基板芯片装载在封装基板F
10、无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘元器件搭载在基板上元器件搭载在基板上F特别是封装体实装在基板上,无论采用、特别是封装体实装在基板上,无论采用、等哪种方式,都离不开导体端子、等哪种方式,都离不开导体端子焊盘,端子都是膜电路的一部分。焊盘,端子都是膜电路的一部分。在许多情况下,引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式在许多情况下,引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式是决定封装类型及封装密度的关键因素是决定封装类型及封装密度的关键因素F批量生产来说,最小端子节距的界限为批量生产来说,最小端子节距的界限为.,若低于此,则操作难度太大,成品
11、率太低若低于此,则操作难度太大,成品率太低元件搭载元件搭载F想提高封装密度,需要由四侧引出端子的方式转变为想提高封装密度,需要由四侧引出端子的方式转变为平面阵列布置端子的方式平面阵列布置端子的方式这样,端子节距提高(这样,端子节距提高(.,.)的同时,反而)的同时,反而降低了实装密度降低了实装密度对来说,端子节距由对来说,端子节距由.降为降为.,实装面,实装面积可减小到(积可减小到(.).特殊功能特殊功能泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能的所有其他功能F涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等以以LCD(液晶显示器)中
12、所采用的(薄膜三极管)玻璃复合基板为例(液晶显示器)中所采用的(薄膜三极管)玻璃复合基板为例玻璃基板分前基板和后基板两块玻璃基板分前基板和后基板两块前基板:形成偏光膜、滤色膜、前基板:形成偏光膜、滤色膜、ITO膜,后基板上形成膜,后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等膜、金属布线及绝缘膜等液晶夹于二者之间液晶夹于二者之间受受TFT控制的非晶硅(控制的非晶硅(aSi)图像传感器按阵列布置在后基板上,并由)图像传感器按阵列布置在后基板上,并由CraSi/ITO构构成成Cr肖特基二极管肖特基二极管布置在布置在ITO膜上与驱动器相连接的布线导体要通过膜上与驱动器相连接的布线导体要通过Cr/A
13、l实现多层化,以降低布线电阻实现多层化,以降低布线电阻表面改性表面改性与在与在LSI元件表面沉积元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化等钝化膜用于绝缘、保护类似膜用于绝缘、保护类似电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性F金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板的金属芯基板F塑料表面电镀金属以增加耐磨性、降低塑料表面电镀金属以增加耐磨性、降低接触电阻等,常用的方法有镀铑、镀金接触电阻等,常用的方法有镀铑、镀金等等1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术成膜方法成膜方法按干式和湿式对
14、分类按干式和湿式对分类干式:干式:FPVD(物理气相沉积)(物理气相沉积)真空蒸镀、真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀溅射镀膜、离子镀F(化学气相沉积)(化学气相沉积)湿式:湿式:F电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法厚膜印刷法典型的成膜方法典型的成膜方法真空蒸镀及溅射法真空蒸镀及溅射法真空蒸镀:是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸气的原子真空蒸镀:是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸气的原子或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法F主要用于主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成膜等导体材料及电阻材料成膜F
15、不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。溅射镀膜:是将放电气体导入真空,在辉光放电等离子体溅射镀膜:是将放电气体导入真空,在辉光放电等离子体中产生的正离子加速轰击处于阴极的靶材,使溅射出的原中产生的正离子加速轰击处于阴极的靶材,使溅射出的原子沉积在基板上的方法子沉积在基板上的方法F从道理上讲,这种方法可以在任何基板上沉积任何物质从道理上讲,这种方法可以在任何基板上沉积任何物质的薄膜,但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及的薄膜,但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及合金材料的成膜合金材料的成膜典型的成膜方法典型的成膜方法法法泛指由气态原料
16、通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程F该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散,气该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散,气态化合物与基板表面的反应,气态化合物的分解,或者是态化合物与基板表面的反应,气态化合物的分解,或者是气态化合物之间的反应等气态化合物之间的反应等F这些反应的共同特点是,至少要有一种固态产物生成,并这些反应的共同特点是,至少要有一种固态产物生成,并且以薄膜的形态沉积在基板表面上且以薄膜的形态沉积在基板表面上F化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体,多采用化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体,多采用碳氢化物
17、、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等F法成膜材料范围广泛,除碱金属、碱土金属之外,法成膜材料范围广泛,除碱金属、碱土金属之外,几乎所有材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜等几乎所有材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积特殊功能膜的沉积典型的成膜方法典型的成膜方法厚膜印刷法厚膜印刷法是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂等均匀混合,调制成符合丝网印刷要求的浆料,等均匀混合,调制成符合丝网印刷要求的浆料
18、,利用丝网印刷等工艺,在基板上印刷图形,经烧利用丝网印刷等工艺,在基板上印刷图形,经烧成,有机粘结剂挥发而成膜的方法成,有机粘结剂挥发而成膜的方法F特点:工艺简单、设备投资少,在低价格的优特点:工艺简单、设备投资少,在低价格的优势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜F特别是可直接印刷电路图形。特别是可直接印刷电路图形。典型的成膜方法典型的成膜方法电镀和化学镀成膜电镀和化学镀成膜是依靠电场反应,使金属从金属盐溶液中析出成是依靠电场反应,使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法膜的方法电镀电镀F促进电场析出的还原能量由外部电源提供促进电场析出的还原能量由外部电源
19、提供化学镀化学镀F需添加还原剂,利用自分解而成膜需添加还原剂,利用自分解而成膜电镀或化学镀成膜的特点电镀或化学镀成膜的特点F可对大尺寸基板大批量成膜,与其他成膜方法可对大尺寸基板大批量成膜,与其他成膜方法相比,设备投资低相比,设备投资低F需要考虑环境保护问题需要考虑环境保护问题1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术电路图形的形成方法电路图形的形成方法各种成膜方法形成的膜层,应用于电子工业各种成膜方法形成的膜层,应用于电子工业(如电子元器件制造、电子封装、平板显(如电子元器件制造、电子封装、平板显示器),都需要形成电路图形示器),都需要形成电路图形形成
20、方法包括:形成方法包括:F有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷(丝网印刷)法、喷沙法(丝网印刷)法、喷沙法填平法填平法先将光刻胶涂敷(甩胶)或将光刻先将光刻胶涂敷(甩胶)或将光刻胶干膜贴附(贴膜)于基板表面,胶干膜贴附(贴膜)于基板表面,经光刻形成经光刻形成“负负”的电路图形,即的电路图形,即没有电路的部分保留光刻胶没有电路的部分保留光刻胶以此负图形为以此负图形为“模型模型”,在其槽中,在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层,即印入导电浆料或沉积金属膜层,即所谓所谓“填平填平”最后将残留的光刻胶剥离最后将残留的光刻胶剥离缺点:采用印刷法填平时,导电胶缺点:采用印刷法
21、填平时,导电胶膜中容易混入气泡膜中容易混入气泡蚀刻法蚀刻法化学蚀刻法:化学蚀刻法:F印刷电路图形材料的浆料、烧成印刷电路图形材料的浆料、烧成F涂布光刻胶、电路图形掩模曝光涂布光刻胶、电路图形掩模曝光F化学蚀刻去除部分光刻胶化学蚀刻去除部分光刻胶F有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料材料问题问题l使用有机溶剂,废液处理比较困难使用有机溶剂,废液处理比较困难l有时线条会出现残差(残留)有时线条会出现残差(残留)通常,不需要部位的电路图形材料应完全去除通常,不需要部位的电路图形材料应完全去除实际上,电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成图实际上,电路图形材料经烧
22、成、化学蚀刻形成图形后,应该去除的部分往往不能完全去除掉,而形后,应该去除的部分往往不能完全去除掉,而是有一部分残留下来是有一部分残留下来蚀刻法蚀刻法薄膜光刻法:薄膜光刻法:F用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板表面形成电路材料的薄膜表面形成电路材料的薄膜F光刻制取电路图形光刻制取电路图形可以获得精细度很高的图形可以获得精细度很高的图形所形成膜层的质量高所形成膜层的质量高膜厚可精确控制膜厚可精确控制缺点:缺点:F设备投资大设备投资大F工艺不容易掌握工艺不容易掌握掩模法掩模法工艺过程工艺过程F机械或光刻制作机械或光刻制作“正正”掩模掩模F将掩模按需要电路图形位置定
23、位将掩模按需要电路图形位置定位F真空蒸镀等方法成膜真空蒸镀等方法成膜F借助借助“正正”的掩模,基板表面形成所需要的电路的掩模,基板表面形成所需要的电路图形图形优点优点F工序少、电路图形精细度高工序少、电路图形精细度高缺点缺点F需要预先制作掩模需要预先制作掩模F有些薄膜沉积技术,如溅射镀膜、离子镀等,不有些薄膜沉积技术,如溅射镀膜、离子镀等,不便于掩模沉积便于掩模沉积厚膜印刷法厚膜印刷法工艺过程工艺过程F通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料,形成通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料,形成与网版对应的图形与网版对应的图形F经烧成法形成电路图形经烧成法形成电路图形特点特点F浆料仅印刷在需要的部位,因此材
24、料的利用率浆料仅印刷在需要的部位,因此材料的利用率高高F印刷机的价格较低,可降低设备总投资印刷机的价格较低,可降低设备总投资缺点缺点F线条精细度差线条精细度差F图形分辨率低图形分辨率低F多次印刷难以保持图形的一致性多次印刷难以保持图形的一致性喷沙法喷沙法工艺过程:工艺过程:F在基板全表面由电路图形材料成膜在基板全表面由电路图形材料成膜F在表面形成光刻胶图形在表面形成光刻胶图形F经喷沙去除掉不需要的材料部分,保留经喷沙去除掉不需要的材料部分,保留光刻胶图形覆盖的部分光刻胶图形覆盖的部分F剥离光刻胶后得到所需要的电路图形剥离光刻胶后得到所需要的电路图形优点优点F采用光刻制版技术,能形成精细的电路采
25、用光刻制版技术,能形成精细的电路图形图形缺点缺点F喷沙过程中会产生灰尘喷沙过程中会产生灰尘1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜材料膜材料下表列出与电子封装工程相关的各类膜材料,下表列出与电子封装工程相关的各类膜材料,同时给出用途、性质及成膜方法等同时给出用途、性质及成膜方法等薄膜材料薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质材料的种类及性质导体薄膜的主要用途导体薄膜的主要用途F形成电路图形,为半导体元件、半导体芯片、电阻、电容形成电路图形,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,以及金属化等等电路搭载部件提供电
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- 关 键 词:
- 电子 封装 第三
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