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电子元器件厚膜技术介绍厚膜技术是通过丝网印刷的方法把导体浆料、电阻浆料或介质浆料等材料淀积在 陶瓷基板上，经过高温烧成，在基板上形成粘附牢固的膜经过连续多次重复， 就形成了多层互连结构的电路，该电路中可包含集成的电阻、电容或电感［1］厚膜技术主要用于高可靠和高性能的场合，如军事、航空、航天和测试设备 中这些技术也成功地应用于大批量生产的低成本设备，这些应用领域包括汽车 （发动机控制系统、安全防抱死系统等）、通信工程（程控交换机用户电路、微 型功率放大器等）、医疗设备和消费电子（家用视听产品）等过去，由于材料和工艺技术等各方面的局限，厚膜产品一般用在中低频率 随着电子整机小型、轻量、多功能、高可靠化的要求日趋迫切，厚膜工艺和 材料等各方面也朝高密度、大功率、高频化方向发展人们相继开发了适合于微 波和RF电路应用的厚膜浆料、基板材料、介质材料和工艺这些厚膜技术和材 料日益成熟，加上厚膜工艺开发周期短，成本低，适合于大批量生产的特点，应 用不断扩大90年代迅速发展的共烧陶瓷多芯片组件（MCM—C），是厚膜混合 技术的延伸与发展，是厚膜陶瓷工艺的体现MCM—C的基板根据烧成温度的不 同，分为高温共烧陶瓷（HTCC）基板和低温共烧陶瓷（LTCC）基板两种。

低温共 烧陶瓷技术的导体的电阻率较低，介质材料的高频性能好，工艺灵活，能满足各 种芯片组装技术的要求，适合于在微波和 RF 电路应用本文从厚膜材料、厚膜细线工艺、低温共烧陶瓷（LTCC）等方面介绍了微波 和 RF 电路中厚膜技术的研究成果及广泛应用2 厚膜材料厚膜材料包括厚膜浆料和厚膜基板材料厚膜浆料有导体浆料、电阻浆料、 介质浆料和包封浆料等通用的厚膜基板是陶瓷材料，如 96％氧化铝及 99％氧 化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷最常用的是 96％氧化铝陶瓷2．1 厚膜浆料厚膜浆料主要由三部分组成：功能相、粘结相和载体功能相决定了成膜后 的电性能和机械性能在导体浆料中，功能相一般为贵金属或贵金属的混合物 电阻浆料中的功能相一般为导电性金属氧化物在介质中，功能相一般为玻璃和 ／或陶瓷粘结相通常是玻璃、金属氧化物或者是两者的组合，其作用是把烧结 膜粘结到基板上载体是聚合物在有机溶剂中的溶液载体决定了厚膜的工艺特 性，是印刷膜和干燥膜的临时粘结剂功能相和粘结相一般为粉末状，在载体中 进行充分搅拌和分散后形成膏状的厚膜浆料生带介质是在聚酯膜上流延形成柔 软的带或膜烧结后的厚膜导体是由金属与粘结相组成的。

金属与陶瓷基板的粘结机理有 两种：机械键合和化学键合机械键合是通过玻璃软化并扩散进入基板间孔隙形 成的一般认为硼—硅—铝玻璃在氧化铝基板上形成的就是这类键合化学键合 是通过金属氧化物与氧化铝或基板上的其它成分反应形成尖晶石结构靠化学键 结合附着力强，但烧成温度较玻璃粘结相高氧化铜和氧化钙是用于厚膜导体化 学键合的典型氧化物在标准的厚膜烧结温度850°C下，形成化学键合的反应动 力太慢，需要使用玻璃和氧化物的组合，玻璃把氧化物运送到基板上来帮助形成 键合，有效地增加了反应动力有些氧化物也可代替玻璃作助熔剂在 RF 和微波电路中，导体比在低频电路中多了作微带传输线的作用，应考 虑导体的射频电阻和趋肤深度的影响工艺上要求导体膜加厚，导体膜厚度为趋 肤深度的3〜5倍，表面光洁度好厚膜导体中金属的电阻率本身就比较低，如 表1所示在微波频率下选用不含玻璃的厚膜导体较好，常用的有无玻璃的金、 银、铂一银和铜等浆料例如美国杜邦0UPONT）公司的氧化物键合导体材料和 美国电子科学实验室（ESL ）的皿ICRO — LOK系列导体材料都是这类产品表」潭腫用金属林料的电匪率盘属 九&AuCuPdMoW电Hl祸 .mum L11Sadayuki Nishiki等人［2］在20MHZ到10GHz的频率范围内测量了 9种 厚膜导体微带传输线的损耗。

这些导体材料是金、银、铜、铂—金、铂—银、金 —钯、银—钯及它们与不同键合方式的组合键合方式包括：化学键合、机械键 合、化学键合和机械键合的组合、树酯与氧化铝之间的机械键合测试结果与相 同图形的薄膜性能比较后，得出一个厚膜导体传输损耗的经验公式在考虑了基 板介质损耗和表面粗糙度后，测量值与理论值的比值对厚膜导体来说是1．4， 对薄膜来说是1．2该差别是厚膜微带线边缘较圆滑造成的厚膜导体的传输 损耗与薄膜接近，铜厚膜的传输损耗最低作者认为厚膜导体完全可以用到 10GHz采用普通的丝网印刷工艺，厚膜导体的分辨率线条/间距为250 um/250 umo通过对导体浆料中的各成分进行优化，制作出很低电阻率的新型细线印 刷导体的浆料，以满足提高布线密度的需要Jerry Steinberg等人［3］对在氧化 铝和介质基板上的高粘附力厚膜金导体进行了研究采用化学共沉淀制作出小的、 球形的、大小均匀的金粉末，选少量的氧化物作助熔剂，严格控制工艺参数，制 作出了能键合2mil金丝的高粘附力厚膜金浆料该浆料烧结膜表面光滑，线键 合性好，粘附力高；电阻率低，烧成膜厚大于7um时，方阻小于4mQ/口 ；印 刷分辨率高，批量生产时可印刷0.18mm的线宽和间距，实验室内可制作线宽 50 口 m，间距150 口 m的图形。

为了进一步提高丝网印刷的分辨率，人们开发了可光刻的厚膜浆料和光致成 图浆料例如金属—有机物浆料和薄印浆料等，这些浆料大部分为金浆料，结合 先进的工艺，其细线水平几乎达到薄膜的工艺水平，详细情况将在后面介绍低温共烧陶瓷（LTCC）技术由于导体的电阻率较低，介质材料的高频性能好， 最适于做微波MCM的基板材料在LTCC技术中，厚膜导体除了作高密度互连的 导带外，也是多层电路互连通孔的填充材料在功率电路中，人们利用填充金属 的通孔阵列把器件上的热量传到热沉上在微波LTCC中，从降低成本和可靠性的考虑，利用银作内层导体，金作表 层导体银有极好的导电性和导热性，可在空气中烧成，比金便宜，适合作内层 导体厚膜导体材料必须与LTCC生带系统相匹配，特别是通孔填充材料，要作 为良好的导电和导热通路，又不能导致任何物理弯曲或封装的开裂Todd Williams等人⑷研究了 A6低温共烧陶瓷系统的银通孔金属化问题A6是一种 低介电常数、低损耗的微波和RF用LTCC材料Todd W订liams等人认为通孔填 充浆料应考虑下述关键特性：通孔填充浆料中的玻璃或氧化物与生带中的匹配； 通孔填充材料和生带的收缩率随温度变化应紧密配合；热膨胀系数相匹配；电导 率要高；流变性与工艺相对应；热导率要高。

通过仔细选择无机材料，使LTCC和银通孔填充浆料之间的烧结动力产生良好的匹配，烧结结构的通孔里没有空洞，环通孔的LTCC里没有裂纹，烧结的银注满了 LTCC通孔，也没有突出陶瓷外边 该金属化系统使低温共烧陶瓷（LTCC ）系统实现了结构上实实在在的互连用银作LTCC的内层导体，金作表层导体，消除了银的表面迁移问题金和 银直接互连时，会产生扩散在烧结过程中，由于扩散速度的不同，在界面上会 形成孔隙，即 Kirk－endall 孔隙该孔隙会导致烧结后开路，使可靠性成为问 题L. Prozdyk等人［5］研究了银一金互连的过渡性通孔填充材料问题在内层 银导体和表层金导体之间加一层过渡性填充材料可解决该问题2.2 厚膜基板材料厚膜材料要制作在一个基板上，该基板对最终成膜作一机械支撑，也有热、 电的作用在RF和微波电路中，厚膜基板还是传输电磁波的介质常用的厚膜 基板材料有 96％氧化铝及 99％氧化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷这些陶瓷材料性 能稳定，机械强度高，导热性好，介电性能及绝缘性能好，微波损耗低，是优良 的微波介质材料，主要性能见表 296％氧化铝瓷是标准的厚膜基板材料，具有优良的热、机械、电和物理化学 性能，其厚 膜金属化浆料已非常成熟，产品已经商品化、系列化。

96％氧化 铝瓷中玻璃相较多，环绕晶粒的玻璃相与厚膜中的玻璃粘结相相互作用，产生比 其它基板材料高得多的粘附力其厚膜浆料有玻璃粘结型、化学键合型和混合型 三种在微波电路中，从微波损耗的角度考虑，常常选用氧化铝含量更高的 99.5％ 氧化铝瓷表2常用瘪膜料的性能材料A1QRr门.MN94晞$时” 5X介电常敢E9. S,S，勺(25 C . IDGHa)(.lMHs；嗣耗因數堆次 繇C?+ 1,尿时就fj心旷」3X ]<- 13X10 1ClMHs)熬他胀嘉数/>£.4!矗*G 0仁S■密淮违+ cm-'1112-91.2体电址率也■ CftL>1叫AW"导热彖数 .-{W ■ ・ K Ln40360氧化铍陶瓷是热导率最高的陶瓷材料，且电绝缘性、介电性和机械强度都很 好相对于其它基板材料，氧化铍陶瓷的介电常数较低，有利于在微波频率中的 应用氧化铍陶瓷的热导率是96％氧化铝瓷的十几倍，尽管随着温度的升高， 其热导率逐渐降低，但在25〜300°C的温度范围内，其热导率仍比氮化铝瓷高出 30％由于氧化铍陶瓷基板的纯度很高（99.5％），玻璃相含量很少，使用的 厚膜浆料多为化学键合型或混合型的专用浆料。

氧化铍陶瓷具有优异的导热性能，很多资料介绍了它的毒性，但美国的 Brush Wellmanlnc.等三家公司曾宣布固态氧化铍陶瓷是十分安全的，人们可以 接触、抚摸甚至可以吞下它，而不会受到伤害它的不安全之处在于像可被人们 吸入的那样大小的氧化铍粉尘，这些细微粉尘在氧化铍陶瓷的制造过程中已被成 功地治理了，使用氧化铍陶瓷是十分安全的氮化铝陶瓷的导热率很高，几乎可以与氧化铍陶瓷相媲美，且随着温度的升 高降低较缓慢其热膨胀系数与半导体材料硅(4.2X10-6 /€)、申化镓(5. 7X10 -6/^ )都非常接近其它性能，如电气性能、机械性能都很好，无毒，是有前 途的高导热基板材料一般的厚膜浆料系统只适用于氧化物陶瓷基板，其热膨胀系数只能与氧化铝 陶瓷匹配，浆料所含的玻璃在烧结时浸润不了氮化铝，粘附力较差目前已经研 制出氧化铍陶瓷基板专用的银、金、铂-银、银-钯等厚膜导体浆料及相应的电 阻浆料和包封料这些浆料采用了新的玻璃料，其热膨胀系数与氮化铝(AlN) 陶瓷接近，同时又加入了化学键合的粘附机理，性能稳定可靠R. Reicher等 人R］认为厚膜导体浆料中的玻璃粘结相是一个热阻挡层，对AlN陶瓷极好的导 热性有不利的影响。

新开发了无玻璃的活性金属化 Ag-Cu-Ti 厚膜导体浆料， 并研究了该浆料与 AlN 陶瓷的键合机理和应力分布与普通的玻璃键合厚膜导体 相比，该无玻璃的厚膜金属化系统对 AlN 陶瓷来说可靠性更高由于具有优良的导热性和低的高频损耗，氧化铍陶瓷和氮化铝陶瓷在微波和 RF电路中，特别是在大功率电路中被当作首选基板材料人们利用厚膜工艺， 用氧化铍陶瓷和氮化铝陶瓷作基板材料，制作出了性能好，成本低的微波无源元 件，主要有微波功率衰减器、微波功率负载电阻等，这些产品体积小，功率容量 大，响应频带宽，性能稳定可靠目前，微波功率负载电阻的水平已做到：功率 2〜800W，频率范围DC〜6GHz，电压驻波比V1. 25；微波功率衰减器的水平为 功率10〜200W，频率范围DC〜4GHz3 细线工艺厚膜电路组装密度的不断提高，要求布线密度进一步提高，导体线条更细， 线间距更窄厚膜导体布线密度的提高，可采用厚膜工艺制作微波和 RF 电路， 使产品研制周期缩短，生产成本降低随着MCM技术的不断发展，在组装技术中 越来越多地使用裸芯片组装技术，如芯片-。