氮化鋁陶瓷基板厚膜電阻制作研究

氮化鋁陶瓷基板制作厚膜電阻電阻率不同，阻值不同，性能也不同。今天小編要分享的是氮化鋁陶瓷基板厚膜電阻的制作研究。

在AlN基板上，使用IKTS電阻漿料制作了4種方阻的厚膜電阻，確定了AlN基板用電阻的阻值與設(shè)計(jì)方數(shù)的關(guān)系，推算出了不同方數(shù)下的電阻設(shè)計(jì)比例。測(cè)試了電阻的溫度系數(shù)，測(cè)量結(jié)果均小于150×10-6/℃。使用激光調(diào)值機(jī)對(duì)4種方阻的電阻進(jìn)行調(diào)值，經(jīng)150 ℃、1 000 h高溫存儲(chǔ)，阻值變化率<1.5%。

一，陶瓷基板的電阻制作為何選用氮化鋁陶瓷基板

隨著微電子封裝技術(shù)的發(fā)展，電子元件的功率、密度越來越大，單位體積發(fā)熱量隨之增加，對(duì)新一代電路基板散熱能力(即熱導(dǎo)率)的要求也更加嚴(yán)格。現(xiàn)階段開發(fā)的高熱導(dǎo)率陶瓷基板有AlN、SiC和BeO。BeO具有毒性，不利于環(huán)保；SiC介電常數(shù)偏高，不適宜作基片；而AlN以其與Si接近的熱膨脹系數(shù)及適中的介電常數(shù)成為備受關(guān)注的基板材料[1,2,3,4,5]。傳統(tǒng)厚膜漿料基于Al2O3基板開發(fā)，其成分容易與AlN基板反應(yīng)并產(chǎn)生氣體，對(duì)厚膜電路性能有災(zāi)難性的影響，另外AlN基板的熱膨脹系數(shù)低于Al2O3基板，傳統(tǒng)的漿料燒結(jié)于AlN基板存在熱膨脹不匹配的問題[6,7]。所以直接將應(yīng)用于Al2O3基板的材料體系及制作工藝照搬至AlN基板的制作工藝是不可行的，國(guó)內(nèi)外對(duì)AlN基板用厚膜電阻的相關(guān)報(bào)道較少，本文介紹了AlN基板上的電阻制作工藝，并對(duì)電阻的性能進(jìn)行研究。

通過調(diào)研，知名的漿料廠商ESL、Dupont、Heraeus等公司開發(fā)了部分導(dǎo)體漿料，但尚未有成熟的商用電阻漿料，只有德國(guó)IKTS公司有商用的AlN基板用的電阻漿料，其電阻方阻范圍在1 Ω/□～1 kΩ/□，電阻燒結(jié)溫度為850 ℃。

二，氮化鋁陶瓷基板電阻制作研究

根據(jù)電阻的推薦厚度(12 μm)進(jìn)行試驗(yàn)，制作電阻的網(wǎng)版選用孔徑為75 μm的不銹鋼絲網(wǎng)，菲林膜厚度為25 μm。絲網(wǎng)印刷過程中，通過調(diào)整印刷參數(shù)，可調(diào)整電阻的膜層厚度。濕膜、烘干膜及燒成膜之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過壓力、印刷速度、網(wǎng)間距等印刷參數(shù)調(diào)整，可以控制印刷電阻漿料的濕膜厚度，并用膜厚測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，燒成后即可對(duì)應(yīng)濕膜與干膜的相應(yīng)關(guān)系。

金瑞欣采用的大部分板材是華清的，在福建華清AlN基板上，使用4種方阻的電阻漿料包括1 Ω/□、10 Ω/□、100 Ω/□和1 kΩ/□，對(duì)應(yīng)的漿料型號(hào)分別為FK9931M、FK9611、FK9621和FK9631。采用厚膜工藝制作金導(dǎo)體、電阻及低溫介質(zhì)(如圖1所示)。印刷時(shí)將電阻濕膜厚度控制在35 μm，電阻燒成后，對(duì)電阻的激光調(diào)值特性、電阻溫度系數(shù)(TCR)及電阻穩(wěn)定性進(jìn)行考核驗(yàn)證。

三，燒結(jié)工藝條件

電阻漿料由導(dǎo)電相、粘結(jié)相、有機(jī)載體三部分組成。在燒結(jié)過程中，粘結(jié)相流動(dòng)，在后續(xù)降溫過程中，固化成膜，附著于陶瓷基板表面，起到與陶瓷基板粘結(jié)及支撐導(dǎo)電鏈的作用。根據(jù)技術(shù)資料推薦，將AlN基板的電阻燒結(jié)工藝確定為：峰值溫度850 ℃、保溫時(shí)間10 min、燒結(jié)總時(shí)間60 min。

圖2為IKTS電阻漿料印刷后的形貌，此時(shí)的電阻膜是由松散的氧化釕(或鈀、銀)在具有一定黏合力的有機(jī)樹脂作用下粘結(jié)形成，具有凹凸不平的表面，由于粘結(jié)劑的絕緣作用，此時(shí)電阻膜層的阻值很大。在燒結(jié)時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，膜層中的有機(jī)成分逐漸燃燒揮發(fā)(在500 ℃時(shí)，有機(jī)黏合劑完全排掉)，使氧化釕顆粒逐步拉聚，相互聯(lián)接形成連續(xù)的導(dǎo)電通路，電阻燒結(jié)后的形貌如圖3所示，燒結(jié)后的膜層明顯收縮致密。

四，電阻設(shè)計(jì)方數(shù)

為確定AlN基板用電阻阻值與設(shè)計(jì)方數(shù)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了電阻試驗(yàn)版(如圖4所示)。電阻的長(zhǎng)度范圍為：500～2 000 μm，電阻的寬度范圍為：500～2 500 μm。分別在AlN基板上印刷四種方阻的電阻，850 ℃溫度下燒結(jié)成膜，測(cè)量不同設(shè)計(jì)尺寸電阻的阻值。

測(cè)量3只基片相同尺寸電阻的阻值，計(jì)算該尺寸電阻的設(shè)計(jì)方數(shù)，平均3只電阻的阻值，形成4種方阻的阻值與方數(shù)關(guān)系圖(如圖5所示)。 

電阻印刷的初值一般設(shè)計(jì)為標(biāo)稱值的80%時(shí)，最利于調(diào)值及成品率的提高，結(jié)合阻值與方數(shù)關(guān)系圖，推算出四種方阻的設(shè)計(jì)比例(見表1)。

五，電阻調(diào)值工藝

在實(shí)際制作厚膜電阻時(shí)，即使對(duì)漿料成分、印刷工藝、膜厚、燒成、與電極的匹配等嚴(yán)格控制，其阻值與目標(biāo)值的誤差也只能達(dá)到±20%。為了在已經(jīng)制成的厚膜電阻體的基礎(chǔ)上，獲得所需要精度的電阻值，只能通過調(diào)值。且從提高成品率和阻值的精度來講，調(diào)值是必不可少的重要技術(shù)。

AlN基板上電阻調(diào)值的工藝參數(shù)為：電流14.5 A，Q頻率2 500 Hz，激光點(diǎn)距150。對(duì)調(diào)值后的刀痕形貌進(jìn)行分析，由圖6可見，4種方阻的電阻切痕寬度大于30 μm，切痕內(nèi)無電阻及基片碎屑，滿足檢驗(yàn)文件的相關(guān)要求。

六，電阻溫度系數(shù)測(cè)量

電阻溫度系數(shù)(TCR)表示電阻器在試驗(yàn)溫度下的直流電阻值對(duì)基準(zhǔn)溫度下的直流電阻值的相對(duì)變化程度，即試驗(yàn)溫度與基準(zhǔn)溫度之間的每1 ℃溫度引起電阻值的相對(duì)變化量ΔTCR：

式中：R1為基準(zhǔn)溫度下的電阻值；R2為測(cè)試溫度下的電阻值；T1為基準(zhǔn)溫度；T2為測(cè)試溫度。對(duì)AlN基板上的厚膜電阻進(jìn)行TCR測(cè)量，其中高溫溫度系數(shù)(HTCR)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2，低溫溫度系數(shù)(CTCR)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。每種型號(hào)的電阻測(cè)量?jī)芍辉O(shè)計(jì)尺寸不同的，由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，設(shè)計(jì)尺寸對(duì)電阻溫度系數(shù)有一定的影響，所有型號(hào)的電阻在此AlN基板上均具有正的溫度系數(shù)，F(xiàn)K9931M的TCR小于150×10-6/℃，其余型號(hào)均小于100×10-6/℃。

七，電阻穩(wěn)定性考核

電阻可以看作是由許多導(dǎo)電鏈組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，電阻層受到張力作用時(shí)，較脆弱的導(dǎo)電鏈會(huì)斷裂或局部拉長(zhǎng)，使整體導(dǎo)電能力下降，阻值增大。反之，當(dāng)電阻層的熱膨脹系數(shù)明顯小于基板的熱膨脹系數(shù)時(shí)，電阻層內(nèi)部的應(yīng)力為壓力。電阻層受壓力作用時(shí)，顆粒之間的接觸會(huì)更緊密，甚至增加新的導(dǎo)電鏈，從而增強(qiáng)了整個(gè)厚膜電阻的導(dǎo)電能力，宏觀上表現(xiàn)為阻值下降。由于厚膜電阻與基板結(jié)合牢固，應(yīng)力釋放較緩慢，因此厚膜電阻在一定溫度下存放時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生變化。厚膜電阻與基板的熱膨脹系數(shù)相差越大，厚膜電阻內(nèi)部的應(yīng)力越大，厚膜電阻在高溫下存放時(shí)的變化率也就越大。

按照不同的設(shè)計(jì)尺寸，在AlN基板上印刷4種方阻電阻，將電阻進(jìn)行激光調(diào)值，經(jīng)150 ℃、1 000 h溫度存儲(chǔ)，比較溫度存儲(chǔ)前后阻值的變化情況。每種方阻的電阻測(cè)量5只電阻阻值，由表4～表7可見，經(jīng)過高溫存儲(chǔ)的電阻，阻值變化率<1.5%。

八，結(jié)語：

采用厚膜工藝技術(shù)，在福建華清氮化鋁基板上對(duì)德國(guó)IKTS公司基于AlN基板開發(fā)的厚膜電阻漿料的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了電阻的制網(wǎng)、印刷、燒結(jié)及調(diào)值工藝，并對(duì)電阻的形貌、設(shè)計(jì)比例、溫度系數(shù)、阻值穩(wěn)定性等方面進(jìn)行驗(yàn)證，激光調(diào)阻后，電阻切痕寬度大于30 μm，符合外觀檢驗(yàn)要求，電阻的TCR小于150×10-6/℃，經(jīng)150 ℃、1 000 h高溫存儲(chǔ)，阻值變化率小于1.5%。本文的研究成果，對(duì)氮化鋁陶瓷基板厚膜電阻漿料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用有較好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇杜煌,何小琦.混合集成電路金鋁鍵合退化與控制研究動(dòng)態(tài)[J].電子元件與料,2008,27(12):5-7.

[2] 劉志平.氮化鋁陶瓷及其表面金屬化研究[D].天津:天津大學(xué),2008.

[3] 陳寰貝,梁秋實(shí),劉玉根,等.厚薄膜混合氮化鋁多層基板技術(shù)研究[J].真空電子技術(shù),2015(4):9-11.

[4] 徐亞新,趙飛,何超,等高可靠性氮化鋁基功率負(fù)載加工工藝研究[J].電子工藝技術(shù),2020(2):99-102.

[5] 羅庭碧,張曉民.AlN基板用厚膜漿料發(fā)展評(píng)述[J].電子元件與材料,2007,26(3):5-8. 

[6] 王莉莉.AlN厚膜金屬化漿料用Au/Pt粉體的制備[D].天津:天津大學(xué),2010.

[7] 丁利文.高熱導(dǎo)率AlN陶瓷的制備及性能研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2017.