电子封装材料之功能陶瓷_上篇.pdf

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1、电子封装材料电子封装材料20092010学年 第二学期学年 第二学期第三章薄膜材料与工艺第三章薄膜材料与工艺?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?1.1 薄膜和厚膜薄膜和厚膜?1.2 膜及膜电膜及膜电l路的功能路的功能?1.3 成膜方法成膜方法?1.4 电路图形的形成方法电路图形的形成方法?1.5 膜材料膜材料?2、薄膜材料、薄膜材料?2.1 导体薄膜材料导体薄膜材料?2.2 电阻薄膜材料电阻薄膜材料?2.3 介质薄膜材料介质薄膜材料?2.4 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

2、和厚膜薄膜和厚膜?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、高速度方向发展及信息处理能力的急速提高与电器、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?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?晶体管普及之前晶体管普及之前?真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料，电子管插在管座上由导管连接，当时并无膜可言真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料，电子管插在管座上由导管

3、连接，当时并无膜可言?20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，用以形成小型元器件及电路等在纸、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?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，膜技术便成为整套工艺中的核心与关键。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。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?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

4、地，膜厚度很小，可看作二维?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：?厚膜厚膜?制作方法分类：制作方法分类：?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?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：?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

5、区分通常无实际意义薄膜、厚膜区分通常无实际意义?针对具体膜层形成方法针对具体膜层形成方法膜层材料界面结构结晶状态晶体学取向微观组织各种性能和功能膜层材料界面结构结晶状态晶体学取向微观组织各种性能和功能?进行研究更有用进行研究更有用?电子封装工程涉及膜层：膜厚数百微米电子封装工程涉及膜层：膜厚数百微米?按膜层的形成方法：按膜层的形成方法：?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膜，为数微米薄膜，为数微米?浆料印刷法浆料印刷法形成的膜层形成的膜层厚膜，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

6、料的膜层可以得到各种材料的膜层?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?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，可以对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制对界面结构、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，故便于通过光刻制取电路图形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，可以较方便地采用光

7、、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（过程，因此真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷（过程，因此可以获得特异成分、组织及晶体结构的物质可以获得特异成分、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，很由于在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便于在电子封装工程中推广厚膜的丝网印刷法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

8、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?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与导体端子相连接，这

9、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有重大贡献印制线路板（）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有重大贡献?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，对于提高封装密度起着十分关键的作用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，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?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

10、焊盘?元器件搭载在基板上元器件搭载在基板上?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?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是决定封装类型及封装密度的关键因素在许多情况下，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?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?想提高封装密度，需要由

11、四侧引出端子的方式转变为平面阵列布置端子的方式想提高封装密度，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?这样，端子节距提高（这样，端子节距提高（.，.）的同时，反而降低了实装密度）的同时，反而降低了实装密度?对来说，端子节距由对来说，端子节距由.降为降为.，实装面积可减小到（，实装面积可减小到（.）.特殊功能特殊功能?泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能?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

12、）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构成构成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/Al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

13、面改性?与在与在LSI元件表面沉积元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化膜用于绝缘、保护类似等钝化膜用于绝缘、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?金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板?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、镀金等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?按干式和湿式对分类按干式和湿式对分类?干式：干式：?PVD（物理气相沉积

14、）（物理气相沉积）真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀?（化学气相沉积）（化学气相沉积）?湿式：湿式：?电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法典型的成膜方法真空蒸镀及溅射法典型的成膜方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，使蒸气的原子或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法真空蒸镀：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?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?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

15、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，使溅射出的原子沉积在基板上的方法?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合金材料的成膜从道理上讲，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合金材料的成膜典型的成膜方法法典型的成膜方法法?泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程泛指由气态原料

16、通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程?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，或者是气态化合物之间的反应等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，或者是气态化合物之间的反应等?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?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、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等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、氢

17、氧化物、卤化物、有机金属化合物等?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、超硬膜等特殊功能膜的沉积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、超硬膜等特殊功能膜的沉积典型的成膜方法厚膜印刷法典型的成膜方法厚膜印刷法?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，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、有机溶剂等均匀混合，调

18、制成符合丝网印刷要求的浆料，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?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?特别是可直接印刷电路图形。特别是可直接印刷电路图形。典型的成膜方法电镀和化学镀成膜典型的成膜方法电镀和化学镀成膜?是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法?电镀电镀?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提供?化学镀化学镀?需添加还原剂，利用自分

19、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?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?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（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、平板显示器），都需要形成电路图形?形成方法包括：形成方法包括：?有填平法

20、、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷（丝网印刷）法、喷沙法有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷（丝网印刷）法、喷沙法填平法填平法?先将光刻胶涂敷（甩胶）或将光刻胶干膜贴附（贴膜）于基板表面，经光刻形成先将光刻胶涂敷（甩胶）或将光刻胶干膜贴附（贴膜）于基板表面，经光刻形成“负负”的电路图形，即没有电路的部分保留光刻胶的电路图形，即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”，在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层，即所谓，在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层，即所谓“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，导电胶膜中容易混入气泡缺点：采用印刷法填平时，导

21、电胶膜中容易混入气泡蚀刻法蚀刻法?化学蚀刻法：化学蚀刻法：?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?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?化学蚀刻去除部分光刻胶化学蚀刻去除部分光刻胶?有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料?问题问题?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?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、化学蚀刻形成图形后，应该去除的部分往往不能完全去除掉，而

22、是有一部分残留下来实际上，电路图形材料经烧成、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：?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?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：?设备投资大设备投资大?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?机械或光刻制作机械或光刻制作“正正”掩模掩模?将掩模按需要电路图形位置定位将掩

23、模按需要电路图形位置定位?真空蒸镀等方法成膜真空蒸镀等方法成膜?借助借助“正正”的掩模，基板表面形成所需要的电路图形的掩模，基板表面形成所需要的电路图形?优点优点?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?需要预先制作掩模需要预先制作掩模?有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于掩模沉积有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于掩模沉积厚膜印刷法厚膜印刷法?工艺过程工艺过程?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?经烧成法形成电路图形经烧成法形成电路图形?特点特点?浆料仅印刷在需要的部位，因此

24、材料的利用率高浆料仅印刷在需要的部位，因此材料的利用率高?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?线条精细度差线条精细度差?图形分辨率低图形分辨率低?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：?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?在表面形成光刻胶图形在表面形成光刻胶图形?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?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?采用光刻制版技术，能形成精细的电路图形采用光刻制版技术，能形成精细的电路图形?缺点缺点?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，同时给出用途、性质及成膜方法等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