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厚膜烧结工艺概述

来源:西安欣贝电子科技有限公司 作者:超管 时间:2021/8/26 11:32:38 浏览:293 << 返回

本文阐述烧结现象及烧结过程,从烧结工艺原理出发,提出制定烧结规范的方法和有关原则,为获得良好的成品率,提供最佳烧结条件。

一、前言

在厚膜混合集成电路制造中,烧结是十分重要的工序。在基片上干燥过的厚膜元件必须经过烧结,才具备一定的电性能。例如,厚膜电阻在印刷、干燥后,如果不经过烧结,并不具有电阻的特性,即无一定的电阻值。因此,烧结工序是厚膜技术区别于薄膜技术的特性工序。虽然,厚膜电阻的特性主要取决于厚膜材料的性质及组成,但是,烧结是决定性的。其重要条件是烧结温度。只有在最适宜的条件下烧结,才能得出所用材料的最佳性能。因此,烧结时赋予厚膜元件“生命”的关键性工序。所以,厚膜元件及其集成电路的各种特性,绝大部分取决于烧结。

各种厚膜元件的烧结温度在600~1000℃之间。而且必须在短时间内达到烧结温度。在生产中,为了得到预定的性能指标,并获得良好的成品率,应当探求烧结规律,且能准确地控制其再现性;同时,正确地供给空气或其它气氛,和控制排气,使挥发燃烧的有机物不致污染厚膜,恶化其性能。

二、烧结及其现象

烧结,主要是指固态物质的烧结。在烧结中要产生复杂的物理化学变化过程,当固态颗粒被置于适当高的温度下时,由于烧结的作用,使其产生收缩,多孔性大大减少,密度和机械强度大大提高,如图1所示。

图1 厚膜在工艺中的变化

烧结过程中,固体颗粒受热,柸体内的空隙被排除而体积收缩,在密度和机械强度得到提高的同时,使晶体缺陷减少,晶粒长大,而且晶粒的比表面,自由能将相应降低。所以,一般以收缩率,气孔率、表面状态等,作为衡量烧结质量的指标。

归纳起来,烧结现象有以下几点:

(1)          由于被烧结体在烧结过程中要发生一系列物理和化学变化,因而烧结体在外观、结构、性能方面都要发生变化。

(2)          在烧结时,烧结体的各种变化速度不一样,各种变化对烧结的各个因素的敏感性也各不相同。因此,为得到良好的性能及重复性,必须严格控制烧结条件。

(3)          在烧结时,烧结体的变化十分复杂。因此不同的材料和原件的烧结条件各不相同。应该指出,最佳烧结条件并不容易掌握和控制,对于具体材料,原件要具体分析,最佳烧结条件需要通过多次试验才能加以确定。

(4)          烧结对材料的要求有三:①要选择对烧结因素变化不敏感的材料,以获得优良的重复性,方便生产。②要选择适当的材料组成,以获得良好的工艺性,以缩短生产周期。③要考虑设备和工艺条件的可能性,应尽量选择那些烧结温度不太高的材料,以节省能源,降低成本。

(5)          对于厚膜元件厚膜混合集成电路的烧结,并不是一般粉末的烧结。不但要求它成为最大密度和最高机械强度的整块结合,而且要求它牢固地附着于基片上,并且有一定的电性能。显然,厚膜的电性能取决于厚膜结构和成分。因此,厚膜烧结与一般的粉末烧结虽无本质区别,但要求和表现却不相同,这就是厚膜烧结的特殊性。

(6)          从工艺上平价烧结质量的好坏,主要依据厚膜元件的特点和对其性能的要求。在生产中,通常测定使用有决定意义的性能参数,据此判断是否烧结良好,或是否达到预期烧结目的。

(7)          对于粉末烧结,粉末特性相当重要。同一组成的材料,如果粉末的制取方法和处理工艺不同,烧结后的材料性能也不同。在大多数情况下,烧结后的性能并不决定于所用材料,而决定于粉末的性质。粉末性质包括粒度,粒度分布,颗粒的形状,表面状态及内部的晶格结构等。

三、烧结过程

烧结过程分为四个阶段:如RuO2和Pb2Ru2O6电阻浆料和烧结。

1.       燃烧阶段

在此过程中主要粘合剂的挥发,分解和燃烧。一般在300~400℃温度区或到350℃就基本完成。

电阻在烧结过程中当氧气供应充足时,有机物反应如下:

有机物+O2→CO2↑+H2O

当空气不足时有机物的反应如下:

有机物+O2→CO↑+CH4↑+H2O=C+CH3OH……

上述生成物将与(Ru)发生化学反应,反应如下:

RuO2+C→Ru+CO2↑

RuO2+2CH3OH→3Ru+2CO2+4H2O

因此,电阻烧结时,为了满足这一特定条件下的反应,必须供给充足氧气。为了充分烧尽高分子化合物,避免厚膜表面形成气泡、鼓起,升温速度不能太快,通常以50~100/为宜。

2.       玻璃软化阶段

当温度升高到玻璃软化点后,玻璃料开始软化,逐渐融熔融,一般温度为480~550℃左右。玻璃釉熔融并浸润导电相,使它均匀分布在厚膜中,还将厚膜粘结在基片上,并起覆盖密封作用。

3.   电阻烧成阶段

玻璃熔融后,由于玻璃对导电相颗粒的湿润和塑性流动,颗粒之间的吸附,颗粒相互“粒结”起来,构成了所谓的“链状结构”。如图2所示。

微信图片_20210826110404.jpg

4.   冷却阶段

经过最高烧结温度保温一定时间后,可以按降温速度降温,使其冷却至环境温度。在此过程中,玻璃逐渐硬化,到550℃左右基本完全凝固。将膜固定并牢固附着在基体上。

四、烧结工艺

确定厚膜产品的烧结规范十分重要,在规范中主要包括升速度,最高烧结温度,保温时间,将速度和方式,以及气氛等。这些条件的确定除与原料成分、加工粉碎情况、成膜方式、固相反应过程有关外,还与烧结炉结构,加热方式、装炉情况有关。

合理的烧结规范,应以烧结速度快,周期短,质量好为原则。在保证厚膜产品质量的前提下,力求省时节能,所以,能否获得优质廉价的厚膜产品,是评价烧结规范合理与否的标准。

现从工艺原理出发,提出及制定烧结规范的方法和有关原则。

1、 升温度速度

在厚膜烧结中,从室温升至最高烧结温度的敬意,称为升温时间,在保证厚膜性能要求的情况下,升温期尽可能短。由于升温速度主要影响烧结的各种反应,所以升温太快,有机物剧烈挥发,形成气泡和针孔。由于升温时间太短,有机物燃烧不尽,影响膜的性能和性质。不过,升温速度也不能太慢,否则将影响生产率。

一般是,对于大片,结构复杂和多层厚膜产品,升温速度慢一些,以免局部温差过大,胀缩不一而导致变形、分层、龟裂等。对于多片叠烧或埋烧的小片产品,由于传热比较均匀,升温度可快一些。

2、 最高烧结温度与保温时间

最高烧结温度与保温时间二者相互制约又相互补偿。调整两者数值,可达到一次经历发展成熟,晶界明显,无过分二次结晶,收缩均匀,气孔极少,致密度最高等。

1) 最高烧结温度的确定

在实际生产或烧制研究中,对厚膜浆料高烧结温度的确定,主要依据综合热分析实验数据。因为厚膜浆料的成分,颗粒的粗细,配比,成膜与密度,掺杂相与用量等的混合与分布情况,都与其最高烧结温度密切相关。

应在一定范围内选择最高烧结温度。对于结晶能力强,烧成温区窄的厚膜,先用范围的下限,且适当增长保温时间;对于组成复杂,结晶能力较弱,烧成温区较宽的厚膜,可选择温度范围的上限,而适当缩短保温时间,节约能源。

2) 最高烧结温度与保温时间的关系

对于多数厚膜元件,在烧结后期的再结晶过程,主要受扩散传质机构制约,其粒界移动速度V与绝对温度T成指数关系:

V=V0esp(-b /T)

式中:V0—频率因子,与界面能,界面曲率等关系密切,与温度关系不太大。

      b—激活能有关的系数。如果一次晶粒长大时,粒界移动的平均距离为X,则:

X=Vt=V0texp(-b /T)

式中:t—扩散时间,可认为是相应的烧结时间。如将上式中的T换为T0,则可得出最高烧结温度T0与保温时间t的关系:

t=t0exp(-b /Tf)

式中:t0=X /V0可见,保温时间与最高烧结温度成指数关系,当要求粒界移动相同距离时,T0称一变动,t就要大调整。一般,保温时间直接影响烧结反应是否充分,厚膜结构是否均匀,以及晶体的生长情况等。对于含玻璃的导体保温时间以短为好。因为保温时间太长,会使导体浆料中的玻璃浮于厚膜表面,降低其可焊性和附着力。

3、 降温速度及其方式

按照烧结规范,在最高烧结温度下保温一定时间以后,以一定速度降温,降温方式是指厚膜产品烧结保温后的冷却速度及其有关问题。因为对厚膜产品性能的要求不一,根据冷却速度的快慢,常见的降温方式有三种:

1)  缓慢降温:主要根据烧结炉子的结构,热容量大小,采取少量供热,按规定的速度缓慢降温。

2)  随炉降温:在保温时间后,切数能源,随炉自然保温。

3)  急速降温:是为了使高温时的晶相结构能尽量保持下来,避免在慢速降温中可能出现的化合物分解,固溶体脱落,玻璃相减少,粒界过分移动、晶粒进一步长大,多晶转变,继续氧化还原反应,某些物质的扩散等。

4、 烧结曲线

改变最高烧结温度和保温时间,对厚膜的性能影响很大。图3为聊算盐系长的烧结曲线,在800~900℃范围内烧结的效果最好,最高烧结温度为850℃,保温时间为9-10min,烧结周期为60分钟。

微信图片_20210826110412.jpg

4是两种不同周期的烧结温度变一时间的曲线图。

b)为短周期烧结曲线,周期为30 min最高烧结温度为850℃,长温速度在300~500℃之间,为100/min。现浆料分厂引进的ISTU烧结炉采用上述曲线。

五、影响烧结的因线

影响烧结过程和烧结效果的因素很多,主要有:最高烧结温度,保温时间,烧结时的环境气氛,以及固相颗粒的特性。

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