厚膜混合集成电路封装互连材料和工艺研究

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厚膜混合集成电路是微电子元器件重要的实现手段,在民用、军事、航天卫星等诸多领域有着广泛的应用,一个重要原因是厚膜工艺相对于其它工艺实现手段有着超高的性价比,而厚膜导体浆料是厚膜工艺中最为核心的材料,其烧结、焊接等互连性能的好坏直接影响厚膜元器件成品的性能,故考核具体工艺条件下的厚膜导体浆料互连相关性能至关重要。因此,本文比较评价了在某型号电流保护器中充当焊盘的6177T-Pd-Ag厚膜浆料和4093-Pt-Pd-Ag厚膜浆料的性能,同时通过对比评价出与浆料匹配度良好的烧结工艺和焊接工艺。导体浆料焊盘的厚度为20μm,基板与浆料间以厚膜工艺烧结,块状电阻/电容与浆料由焊膏焊接。经过SEM下的微观形貌、组织分析和焊盘结合力、剪切力测试,比较得出最优的材料和工艺:先通过两次印刷一次烧结的厚膜工艺将96%Al2O3陶瓷基板与4093-Pt-Pd-Ag厚膜浆料烧结,后使用通过成分为Sn62Pb36Ag2焊膏经过再流焊接工艺将块状电阻/电容焊接到浆料焊盘上。厚膜工艺有两次印刷两次烧结、两次印刷一次烧结两种,二者对微观组织的形貌成分不能产生规律性影响,因此采用两印一烧工艺可简化生产流程,缩短生产周期。焊接工艺有再流焊接、手工焊接、汽相焊三种,手工焊接成本和稳定性偏低、汽相焊接易导致焊接界面的缺陷且成本高,再流焊相对工艺简单,对焊点损坏小且成本可控,推荐应用。4093-Pt-Pd-Ag厚膜浆料与Al2O3陶瓷基板结合效能强于6177T-Pd-Ag厚膜浆料,主要因为前者中以Pt为主微量元素的添加,一定程度上抑制了浆料中Ag元素的扩散,增强了膜-基结合力,但导电性能有所牺牲。微观层面,浆料和焊料中主要元素的互扩散,是焊盘性能降低的主要内因,可以通过选用有抑制元素扩散能力的浆料及使用与之相匹配的焊膏来得到有效缓解;宏观层面,焊盘使用时间和温度循环的累计,是焊盘性能降低的主要外因,可以通过简化不必要的高温生产工艺、采用匹配度良好的烧结工艺、焊接工艺来得到有效缓解。综上,推荐在该型号电流保护器的生产中应用两次印刷一次烧结的厚膜工艺、96%Al2O3陶瓷基板、4093-Pt-Pd-Ag厚膜导体浆料、Sn-Pb-Ag焊膏、再流焊接工艺完成其导体浆料焊盘处的最优连接。这对生产实践有着积极的指导意义。
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