不点蓝字，我们哪来故事？

来源：《固体电子学研究与进展》,,35(05)

作者：唐利锋;程凯;庞学满;陈寰贝

单位：南京电子器件研究所封装事业部

摘要

Abstract

研究了高温共烧厚膜导体钨浆料的制备工艺,分析了金属钨粉微观形貌及粒度分布,无机粘结相含量对印刷分辨率、金属化与陶瓷基板的结合强度、金属化层方阻值的影响。

为满足微电子封装要求,通过选用粒度小于5μm、表面光滑的球形的两种钨粉进行混合,添加适量无机粘结相和以乙基纤维素为主的有机载体,采用球磨或者三轴研磨机进行有效分散,并将浆料粘度控制在一定范围内,制备出适合μm线宽/间距精细印刷、金属化与陶瓷基板的结合强度54MPa、方阻值为6mΩ/□的金属化浆料。

将研制的金属化钨浆料应用在作为微波器件封装外壳的信号输入输出端口的陶瓷绝缘子上,在29~31GHz的Ka波段,绝缘子的插入损耗为0.4dB,电压驻波比(VSWR)小于1.15。

0引言

近年来随着陶瓷外壳所封装器件的应用领域不断扩大,从大功率微波管、大电流电力电子器件,到新型高效发电系统固体燃料电池,以及环保、汽车等领域不可缺少的传感器等电子器件,高温共烧陶瓷技术因其结构强度高、化学稳定性好、电热性能优良,在电子工业得到了迅猛发展[1,2,3]。

氧化铝陶瓷的原材料丰富,价格低廉,能够采用各种方法生产成各种形状的基板,它的研究和应用在国内外比较成熟。用于实现多层电子电路和器件互联的常规导体浆料,如Au、Ag、Pd、Pt、Cu等及其混合物的熔点均比较低[4,5],不适合用于高温共烧。金属钨不仅熔点高(℃),而且导电、导热性能好,热膨胀系数小,能够与氧化铝基板实现高温共烧[6]。钨导电浆料与其它厚膜导电材料类似,包括导电金属钨粉、无机粘结相和有机载体材料。

本文主要研究了钨浆料的制备工艺,分析了影响印刷分辨率、金属化强度以及导体方阻的因素,将研制的金属化浆料应用在作为微波器件封装外壳的信号输入输出端口的陶瓷绝缘子上,测试绝缘子在Ka波段下的微波传输特性。

1试验

浆料配方见表1,实验采用颗粒尺寸为0.2~10.0μm,含一定量球状、圆片状、鳞片状形貌颗粒金属钨粉为功能相,根据用途不同添加适量含金属氧化物、非金属氧化物、镁铝硅酸盐、金属氧化物前驱体等粉体的无机粘结相。按照最紧密堆积原理,计算出料球以及球磨介质比,分别将金属钨粉、无机粘结相粉体、氧化铝磨球和球磨介质加入球磨罐中,研磨0.5~8.0h,出料干燥并过~目筛。

表1浆料组成配比Tab.1Mixratiooftungstenpaste

有机载体以具有45.5%~51%特定乙氧基含量和克分子取代度为2.3~2.6的乙基纤维素为主,添加适量常用溶剂、增触剂、增塑剂、分散剂、成膜剂及润湿剂等。加热25~℃,~0r/min搅拌,待固态粉料完全溶解。

粉料和有机载体的分散采用球磨或者三轴研磨机使金属钨粉料和无机粘结相粉体在有机介质中分散形成组分均匀的浆料,采用旋转黏度计测量浆料粘度,丝网印刷工艺测试浆料在氧化铝流延带基料上的印刷性能,LCR测量仪测量并计算经℃烧结后导体方阻值,挂重法测量导带与基板的结合强度。

将研制的金属化浆料应用在作为微波器件封装外壳的信号输入输出端口的陶瓷绝缘子上,用矢量网络分析仪测试绝缘子在Ka波段下的微波传输特性。

2结果与分析2.1对印刷分辨率的影响

金属钨粉料在浆料组成的固相中占绝大部分,图1是调整金属钨粉粒度及分布前后浆料的印刷图。可以看出在采用钨粉1的同时添加50%粒度较大、表面呈球形的钨粉2后印刷分辨率明显提高,浆料B的印刷线条宽度为±5μm,边缘整齐,图形饱满,而浆料A的印刷线条精度为±20μm,线条上明显有丝网的痕迹,厚薄不均,而且缺损严重。

图1浆料的μm线宽印刷图形:(a)浆料A;(b)浆料BFig.1μmwideprintingpatternoftungstenpaste:(a)TungstenpasteA;(b)TungstenpasteB

印制微电子封装厚膜电路的工艺原理是印刷过程中丝网下降到距基板一定高度,刮刀下压丝网,使丝网拉伸直到丝网只是正对刮刀下的那一点接触基板,一旦刮刀从该点刮过,浆料在刮刀剪切作用下滚动,并且粘度降低填满网孔,当丝网从刮刀通过的地方与基板分离并恢复原状,浆料通过网孔留在基板上,由于所受剪切力消除浆料粘度恢复,从而获得具有一定厚度的印刷图形。

钨导电浆料与其它厚膜导电材料类似,包括导电金属钨粉、无机粘结相和有机载体材料,粉料和有机载体的分散采用球磨或者三轴研磨机,通过磨球或者滚轴之间剪切和挤压作用使金属钨粉料和无机粘结相粉体在有机介质中分散形成组分均匀的浆料,其印刷分辨率除与有机载体的触变性有关外,在很大程度上取决于所用粉料的颗粒形貌及粒度分布。

图2为实验用金属钨粉的SEM照片,从图中可以看出钨粉1颗粒呈球形,粒度分布在0.1~1μm,钨粉2颗粒呈球形,粒度分布在0.5~5μm。

图3为不同配比的浆料粘度随剪切率的变化,由图可见研制的浆料属于非牛顿粘性流体,浆料粘度随剪切率的增加而降低。浆料B通过在小颗粒钨粉中添加41.3%颗粒尺寸较大的钨粉,相对于采用单一小颗粒的浆料A的比表面积降低,需要包覆颗粒表面的有机载体减少,因此,分散在有机载体溶剂中的金属钨颗粒之间的距离增加,印刷过程中颗粒间相互摩擦力较小,当刮刀加压且移动时,浆料受剪切变稀能在丝网上均匀分布,容易通过丝网网孔转移到基片上。

此外,球形颗粒在印刷刮刀的剪切力下更容易滚动,其结果是浆料能够全部填满网孔,当丝网离开基板表面后,颗粒在弯曲液面力的作用下流平,从而获得印刷线条饱满、边缘整齐,膜层均匀的印刷图形。

图2金属钨粉SEM:(a)钨粉1;(b)钨粉2

Fig.2SEMphotosoftungstenpowder:(a)Sample1;(b)Sample2

2.2对金属化强度的影响

陶瓷材料绝缘性良好,因焊料不能对其浸润而不能与金属零件实现直接封接。解决的办法是通过丝网印刷在陶瓷表面做一层金属化膜。影响氧化铝多层陶瓷高温共烧钨金属化强度的因素有很多,其中无机粘结相粉体在浆料中的比重和钨粒度分布有很大关系。

图3浆料粘度随剪切率的变化曲线

Fig.3Relationshipofviscosityandsheerratio

表2金属化强度随无机粘结相含量的变化Tab.2Relationshipofmetallization