鹿 寧,陳向紅,王 妮,黨麗萍,殷 美

(西安宏星電子漿料股份有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,集成電路已成為當(dāng)今發(fā)展的主力軍。厚膜混合集成電路是集成電路的重要組成部分。厚膜電路是一種將電子漿料經(jīng)絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等工藝在基片上制作電阻、電感等具有特定功能的電路單元[1-2]。與薄膜混合集成電路相比,厚膜電路設(shè)計(jì)更靈活,工藝簡單,成本低[3]。因此,厚膜電路在混合電路產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。電子漿料是厚膜電路的核心所在,在厚膜電路中導(dǎo)體漿料和電阻漿料配套使用,導(dǎo)體漿料和電阻漿料的性能決定了整個集成電路的可靠性。電子漿料印刷膜厚、燒結(jié)工藝、導(dǎo)電相等方面成為近年來研究的熱點(diǎn)[4-6]。Pang等[7]用固相合成法制備的Fe3Si 合金為導(dǎo)電相,研究了Fe3Si 基厚膜電阻漿料中固含量、玻璃粉含量、燒結(jié)工藝、導(dǎo)電相的粒度對電阻漿料方阻和溫度系數(shù)的影響。Tang 等[8]用銅作為導(dǎo)電相來替代銀以及其他貴金屬漿料,使用銅納米顆粒和微粒的混合物開發(fā)了一種用于氧化鋁的銅厚膜漿料,該漿料具有穩(wěn)定的電性能。除此之外還有用鉑、銅鎳以及氧化銅等改變導(dǎo)電相來改善電阻漿料阻值的穩(wěn)定性[9-11]。在集成電路中選擇不同的導(dǎo)體漿料和電阻漿料決定了集成電路的使用可靠性,目前使用的導(dǎo)體漿料主要有金導(dǎo)體漿料、銀導(dǎo)體漿料和銀鈀導(dǎo)體漿料,電阻漿料主要為釕系電阻漿料[12-15]。在集成電路中頻繁出現(xiàn)電阻漿料阻值不穩(wěn)定所導(dǎo)致的整個產(chǎn)品的性能失效的問題。關(guān)于三種導(dǎo)體漿料與釕系電阻漿料搭接使用對整個電路阻值的影響方面還沒有相關(guān)的研究。

鑒于此,為了研究導(dǎo)體電極與電阻漿料搭接時對電阻漿料阻值的影響,本文基于傳統(tǒng)厚膜釕系電阻漿料,以低、中、高三個阻段厚膜電阻漿料為研究對象,研究了不同導(dǎo)體電極(金導(dǎo)體、銀鈀導(dǎo)體、銀導(dǎo)體)和電阻漿料印刷寬度對電阻漿料阻值的影響,探究了最佳的導(dǎo)體漿料和電阻漿料以及印刷的寬度,對集成電路在理論和實(shí)際運(yùn)用上都具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的電子漿料為西安宏星電子漿料生產(chǎn)的R-8200 系(R-8210、R-8213、R-8216)厚膜電阻漿料和導(dǎo)體漿料。將金導(dǎo)體漿料、銀鈀導(dǎo)體漿料及銀導(dǎo)體漿料分別經(jīng)絲網(wǎng)印刷在氧化鋁基片上,印刷后的濕膜于帶式干燥爐120 ℃烘干10 min,在各預(yù)定峰值溫度下通過帶式燒結(jié)爐,峰值溫度850 ℃,峰值時間為10 min,燒結(jié)后備用。

上述電極燒結(jié)完成后,將R-8210(阻值1 Ω)、R-8213(阻值1 kΩ)和R-8216(阻值1 MΩ)分別經(jīng)絲網(wǎng)印刷在電極圖案上,濕膜于帶式干燥爐120 ℃烘干10 min,然后在各預(yù)定峰值溫度下通過帶式燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié),峰值溫度850 ℃,峰值溫度下燒結(jié)時間為10 min,圖1 是漿料印刷制備的工藝流程圖。

圖1 漿料印刷制備工藝流程Fig.1 Printing preparation process

用精度為0.001 Ω 的直流電阻電橋(QJ57 型)測量燒結(jié)膜阻值的變化,用掃描電鏡(JSM-840)分析樣品表面微觀形貌的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 同一電極時,不同寬度對阻值的影響

圖2 是當(dāng)金導(dǎo)體為電極時,寬度對R-8210、R-8213、R-8216 三種厚膜電阻漿料阻值的影響。從圖2(a)可以看出,當(dāng)金導(dǎo)體為電極、低阻段(R-8210)為電阻漿料,電阻寬度為1.5 mm 時,隨著長度的增加,電阻漿料的阻值變化較小;電阻寬度為1 mm 時,隨著長度的增加,電阻漿料的阻值明顯增大。從圖2(b)可以看出,當(dāng)R-8213 為電阻漿料,隨著長度的增加,電阻寬度為1.5 mm 和1 mm 的阻值逐漸接近。從圖2(c)可以看出,當(dāng)R-8216 為電阻漿料,隨著長度的增加,電阻寬度為1.5 mm 和1 mm 的阻值基本保持一致,且阻值穩(wěn)定。隨著電阻漿料阻值的增大,電阻漿料印刷的寬度對阻值變化影響逐漸減弱。

圖2 金導(dǎo)體為電極時,電阻寬度對電阻漿料阻值的影響Fig.2 Effects of the resistance width on the resistance of the resistance paste when the gold conductor is the electrode

圖3 是當(dāng)銀鈀導(dǎo)體為電極時,寬度對R-8210、R-8213、R-8216 三種厚膜電阻漿料阻值的影響。從圖3(a)可以看出,當(dāng)銀鈀導(dǎo)體為電極、電阻漿料為R-8210(阻值1 Ω)時,隨著長度的增加,電阻寬度為1.5 mm 時電阻漿料阻值的變化明顯大于寬度為1 mm時阻值變化。在長度小于1 mm 時,兩者的阻值接近,隨著長度的增加,電阻寬度為1.5 mm 和1 mm 時阻值差距逐漸增大。從圖3(b)和(c)可以看出,當(dāng)電阻漿料阻值為1 kΩ 和1 MΩ 時,隨著長度的增加,寬度為1.5 mm 和1 mm 時阻值的變化接近。

圖3 銀鈀導(dǎo)體為電極時,電阻寬度對電阻漿料阻值的影響Fig.3 Effects of the resistance width on the resistance of the resistance pastes with silver palladium conductor as electrode

圖4 是當(dāng)銀導(dǎo)體為電極時,寬度對R-8210、R-8213、R-8216 三種厚膜電阻漿料阻值的影響。從圖4(a)可以看出,當(dāng)銀導(dǎo)體為電極、電阻漿料為R-8210,寬度為1.5 mm 時,隨著長度的增加,電阻漿料阻值變化最大,明顯大于寬度為1 mm 時阻值的變化。由圖4(b)和(c)中可以看出,電阻漿料為R-8213和R-8216 時,隨著長度的增加,寬度為1.5 mm 與1 mm 的阻值變化基本一致。這主要是由于低阻值時,電阻漿料中的銀離子對阻值有著較大的影響,同時銀離子遷移后會導(dǎo)致電阻漿料中銀離子增加,進(jìn)而影響了阻值的變化;而在中高阻值時銀離子的存在對電阻漿料的阻值影響較小,銀離子的遷移也不會對阻值產(chǎn)生較大的波動,因此電阻漿料為R-8213 和R-8216時,隨著長度的變化,電阻寬度為1.5 mm 和1 mm 時阻值變化基本一致[16]。

圖4 銀導(dǎo)體為電極時,電阻寬度對電阻漿料阻值的影響Fig.4 Effects of the resistance width on the resistance of the resistance paste when the silver conductor is the electrode

2.2 同一尺寸,不同電極對阻值的影響

圖5 是寬度為1 mm 時,金導(dǎo)體、銀鈀導(dǎo)體、銀導(dǎo)體三種導(dǎo)體對R-8210、R-8213、R-8216 三種厚膜電阻漿料阻值的影響。從圖5(a)可以看出,當(dāng)導(dǎo)體電極為金導(dǎo)體,R-8210 電阻的寬度為1 mm 時,隨著電阻長度的增加,電阻漿料的阻值基本穩(wěn)定(從1.6 Ω 變化到1.65 Ω);當(dāng)銀鈀導(dǎo)體為電極時,隨著長度的增加,電阻漿料的阻值變化較大(從1.15 Ω 變化到1.6 Ω);當(dāng)銀導(dǎo)體為電極時,隨著長度的增加。電阻漿料的阻值變化最大(從0.96 Ω 變化到1.6 Ω)。當(dāng)金導(dǎo)體作為電極與電阻漿料搭接,電阻漿料阻值穩(wěn)定性最好,銀鈀導(dǎo)體作為電極與電阻漿料搭接時,電阻漿料的阻值不穩(wěn)定,銀導(dǎo)體作為電極時,電阻漿料阻值的穩(wěn)定性最差。

圖5 導(dǎo)電電極對電阻漿料阻值的影響Fig.5 Effects of conductive electrode on the resistance of resistance paste

同時,將R-8210 替換為R-8213(阻值為1 kΩ)和R-8216(1 MΩ)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),從圖5(b)和(c)可以看出電阻長度在1～5 mm 變化時,金導(dǎo)體漿料作為電極時電阻漿料阻值變化最小,進(jìn)一步驗(yàn)證金導(dǎo)體與電阻漿料搭接時集成電路的阻值穩(wěn)定性最好,其主要原因是由于金導(dǎo)體中的金不會滲透到電阻漿料中。銀鈀導(dǎo)體作為電極時,R-8210 電阻漿料的阻值變化較大,是由于銀鈀導(dǎo)體中存在銀離子,銀離子會發(fā)生遷移。相比于銀導(dǎo)體而言,銀鈀導(dǎo)體對電阻阻值影響較小的主要原因是鈀在電阻漿料中的滲透最少,同時對銀離子的遷移有阻礙作用[17]。銀導(dǎo)體為電極時,R-8210電阻漿料的阻值變化最大,是由于導(dǎo)體中大量的銀離子遷移到電阻漿料中,因此導(dǎo)致了電阻漿料阻值發(fā)生變化,從而影響了整個集成電路的可靠性。

2.3 形貌分析

對三種不同電極與電阻漿料R-8210 搭接的斷面進(jìn)行掃描電鏡分析。圖6 為金導(dǎo)體、銀鈀導(dǎo)體、銀導(dǎo)體作為電極,R-8210 為電阻漿料時,電極與電阻漿料斷面處的形貌特征。從圖6(a)可以看出,金導(dǎo)體與電阻漿料的微觀形貌存在著明顯的界線,中間金導(dǎo)體電極膜層較薄而致密,上面部分為電阻漿料在兩者中間搭接的部分,可以明顯地看出并沒有因銀離子的遷移形成銀堆積的形貌特征。從圖6(b)可以看出,中間的銀鈀電極膜層較厚且比較疏松,在銀鈀電極與電阻漿料的中間存在一層較薄的膜層,這可能是由于銀鈀導(dǎo)體漿料中部分銀離子遷移至電阻漿料所致。從圖6(c)可以看出,電阻漿料與銀導(dǎo)體搭接的部分已形成一體,這是由于銀導(dǎo)體中存在著大量的銀離子,與電阻漿料搭接時,在電場的作用下電阻漿料中銀離子的存在加速了銀導(dǎo)體漿料中的銀離子遷移,因此銀導(dǎo)體與電阻漿料搭接時,電阻漿料的阻值發(fā)生了較大的變化。

圖6 電阻R-8210 與三種金屬電極搭接的斷面形貌Fig.6 Cross section morphology of resistance R-8210 overlapping with three kinds of metal electrodes

3 結(jié)論

本文以R-8210(阻值1 Ω)和R-8213(阻值1 kΩ)以及R-8216(阻值1 MΩ)為電阻漿料,以金導(dǎo)體、銀鈀導(dǎo)體、銀導(dǎo)體作為電極,研究了三種導(dǎo)體電極和電阻漿料印刷寬度對電阻漿料阻值的影響。

當(dāng)電阻漿料為低阻值時,金導(dǎo)體為電極與電阻漿料搭接,電阻漿料的阻值最為穩(wěn)定,其阻值變化在3%以內(nèi);銀鈀導(dǎo)體對電阻漿料的阻值影響較大,電阻漿料阻值的變化為39%;銀導(dǎo)體對電阻漿料阻值的影響最大,電阻漿料的阻值變化為66%。當(dāng)電阻漿料為中高阻值時,金導(dǎo)體、銀鈀導(dǎo)體、銀導(dǎo)體對電阻漿料阻值的影響相差較小。在低阻值時,印刷寬度為1.5 mm 對電阻漿料阻值影響較大,遠(yuǎn)大于印刷寬度為1 mm 時電阻漿料阻值的變化。

綜上所述,在集成電路的應(yīng)用中推薦金導(dǎo)體作為導(dǎo)電電極,選擇阻值較小的厚膜電阻漿料和寬度較小的印刷尺寸,是提高電阻漿料阻值穩(wěn)定性的有效手段。