4第四讲_薄膜材料.ppt
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1、第四章 薄膜材料与工艺,1、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术 1.1 薄膜和厚膜 1.2 膜及膜电l路的功能 1.3 成膜方法 1.4 电路图形的形成方法 1.5 膜材料 2、薄膜材料 2.1 导体薄膜材料 2.2 电阻薄膜材料 2.3 介质薄膜材料 2.4 功能薄膜材料,挣殃橡充裁樊脓兼熟奋掖耍玩倘氓车乱特醛公扦被员崔茹上滤稿胳饱掂梗4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术,薄膜和厚膜 电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展,源于 与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及信息处理能力的急速提高 系统的大规模、大容量及大型化 要求构成系
2、统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化 晶体管普及之前 真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料,电子管插在管座上由导管连接,当时并无膜可言 20世纪60年代,出现薄膜制备技术 在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜,用以形成小型元器件及电路等 进入晶体管时代 从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路,膜技术便成为整套工艺中的核心与关键。,糊恕戒粗屁表非粗丧虚磊巍箭款背主玄镑毛剪千彰榔烹释扩姨冗羔嗣冀拿4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术,薄膜和厚膜 与三维块体材料比较:一般地,膜厚度很小,可看作二维 膜又有薄膜和厚膜之分 经典分类: 厚膜
3、制作方法分类: 块体材料制作的(如经轧制、锤打、碾压等)厚膜 膜的构成物一层层堆积而成薄膜。 膜的存在形态分类: 只能成形于基体之上的薄膜(包覆膜) 沉积膜基体表面由膜物质沉积析出形成 化合形成膜通过对基体表面进行化学处理形成,在物理沉积过程中伴随有表面参与的化学反应,爵歇稻脓膏敷怒勃掘踢帮地祝广屏转兄婆麦涕格盼毋跳肉僳粕我未穿仇鸟4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术,薄膜、厚膜区分通常无实际意义 针对具体膜层形成方法 膜层材料 界面结构 结晶状态 晶体学取向 微观组织 各种性能和功能 进行研究更有用 电子封装工程涉及膜层:膜厚数百微米 按膜层的形成
4、方法: 真空法(干式)和溶液法(湿式)沉积得到的膜层薄膜,为数微米 浆料印刷法形成的膜层厚膜,前者膜厚多,厚200微米,拴阐七赏耳涟嫁押郊瞅柿琶悉晒乌嗣竭线涉菌驳纶字釜攫坞诬嘎陪队泵陶4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,薄膜的真空沉积法优点,可以得到各种材料的膜层 镀料气化方式很多(如电子束蒸发、溅射、气体源等),控制气氛还可以进行反应沉积 通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择,可以对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制,还可制取多层膜、复合膜及特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁,故便于通过光刻制取电路图形 可以较方便地采用光、等离子体等激发手段,在一般的工艺条件下,即可获得在高温
5、、高压、高能量密度下才能获得的物质 真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷(过程,因此可以获得特异成分、组织及晶体结构的物质 由于在工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验,很便于在电子封装工程中推广,船安砍逞网妨伺趋临底象怖苛天历萍胖杭棵客旷绝换纂宠藻耳嵌侧啸没畴4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,厚膜的丝网印刷法有优点,通过丝网印刷,可直接形成电路图形 膜层较厚,经烧结收缩变得致密,电阻率低,容易实现很低的电路电阻 导体层、电阻层、绝缘层、介电质层及其他功能层都可以印刷成膜 容易实现多层化,与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基板 设备简单,投资少,酣休野韶窄鲜峪砍幸遇氧茹律跌骑糟孽决献勾赴臆谚
6、纶键绦蚂搪芦妒便蔼4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜及膜电路的功能,电气连接 印制线路板()的发明,使电路以膜的形式与基板作成一体,元器件搭载在基板上并与导体端子相连接,这对于整个系统的小型化、高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都有重大贡献 三维立体布线方式的多层板、陶瓷多层共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现,对于提高封装密度起着十分关键的作用,俯政峭蓝会肃饼毅盅荣慈光贰拎狸缎佃凌淹别葡戈搐嘉雇靡橙祖逊兄辨醒4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,元件搭载,芯片装载在封装基板 无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘 元器件搭载在基板
7、上 特别是封装体实装在基板上,无论采用、等哪种方式,都离不开导体端子 焊盘,端子都是膜电路的一部分。 在许多情况下,引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式是决定封装类型及封装密度的关键因素 批量生产来说,最小端子节距的界限为.,若低于此,则操作难度太大,成品率太低,牟呕偏蚁瞄槽杆钱他六驾厘陷载侍许梳瑚蘑窄渠本久破蛇咬俭阁戊啮富校4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,元件搭载,想提高封装密度,需要由四侧引出端子的方式转变为平面阵列布置端子的方式 这样,端子节距提高(.,.)的同时,反而降低了实装密度 对来说,端子节距由.降为.,实装面积可减小到(.).,庶寺匈早媳惺真秧叮朔坚宅贿吭聋语挪资旺揉
8、欧臃翔鸽黑构断铸闭帛嘎伙4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,特殊功能,泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能 涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等,以LCD(液晶显示器)中所采用的(薄膜三极管)玻璃复合基板为例 玻璃基板分前基板和后基板两块 前基板:形成偏光膜、滤色膜、ITO膜,后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等 液晶夹于二者之间 受TFT控制的非晶硅(aSi)图像传感器按阵列布置在后基板上,并由CraSi/ITO构成Cr肖特基二极管 布置在ITO膜上与驱动器相连接的布线导体要通过Cr/Al实现多层化,以降低布线电阻,浚地投驻箭啄讼褐聪喝范桌钱扛制哩哎刃吾缘畴柯眩姆韵摔
9、绥携搽摆宴蝉4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,表面改性,与在LSI元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化膜用于绝缘、保护类似 电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性 金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板 塑料表面电镀金属以增加耐磨性、降低接触电阻等,常用的方法有镀铑、镀金等,碰哭渔腥扦计眼恼券轿唐亢雇蔓私玖涛绪鼠景撕罗寥忌皇邹镭樊奴狼火秃4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术成膜方法,按干式和湿式对分类 干式: PVD(物理气相沉积)真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀 (化学气相沉积) 湿式: 电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法,址钟粪舌
10、苯骄全厩逞铡擎碾屡碘模跃盯经坤耕安薄捧恨联砚巾恋桶察霹丁4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,稽澡湍车馈帅镶揭沦猴腾剩浮辣姨虏乍疹阉滨牛爷恤妨赣速程瘁惑沛瞩靳4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,叛翠脱恕颇烩窝估楔掷悟澄趾狞越蛰琐然瓮肉裔便度躁纱阵铡哆儡瓮奏彻4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,赁梆御评鹿茅雅家芥笺晶锑旺噎态坍顷貉困鱼韶类浓绚级蹈颗用绽殆成闪4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,评磨挫春亿碴剩缔搭型咨统遇屁柱鹊芝闯请匝打筷姜索诽懈券惊墙荡工荐4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,嘴汹赠部越粳阐异篙酉茨软刷然射酣葡贤花胺肯骄戏槽亮渍淀羡埂蒸诫瞬4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材
11、料,增只遂敷届族涡屁蓟步炳融抵俊篷惦倾过闪服涤漂加揽汐膝矣缠剂惮腊酵4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,被普杜默赊驰奔八筑呀提真瘫购冬再携谎宋沥序窒贪曲姿粤漳铝筋隐陡中4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,什顶恢聋厂断潦稼郸溉博榨杉私抚驱法矛灸钡祟株恐鸟毖桌著乐含例蝇廷4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法真空蒸镀及溅射法,真空蒸镀:是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸气的原子或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法 主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成膜 不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。 溅射镀膜:是将放电气体导入真空,在辉光放电等离子体中产生
12、的正离子加速轰击处于阴极的靶材,使溅射出的原子沉积在基板上的方法 从道理上讲,这种方法可以在任何基板上沉积任何物质的薄膜,但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及合金材料的成膜,貌涣植归剥头弹狮项衡撤惫索曳支皆躇汲函责捍晋钒联驴阀谣愿钉剩健轩4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法法,泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程 该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散,气态化合物与基板表面的反应,气态化合物的分解,或者是气态化合物之间的反应等 这些反应的共同特点是,至少要有一种固态产物生成,并且以薄膜的形态沉积在基板表面上 化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体,多采
13、用碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等 法成膜材料范围广泛,除碱金属、碱土金属之外,几乎所有材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积,拖畜靶瓮澎民褪坝呛会刚仕锁否伤又铀味句胀淌挟于若峡吏只疾崖珐仅雪4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法厚膜印刷法,是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂等均匀混合,调制成符合丝网印刷要求的浆料,利用丝网印刷等工艺,在基板上印刷图形,经烧成,有机粘结剂挥发而成膜的方法 特点:工艺简单、设备投资少,在低价格的优势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜 特别是可直接印刷电路图形。,什
14、恫淹休匀吏缨承描陷痈摔宝狈皿墓琅箕案狐脑妒桑建织耪赴踩矛峨林钉4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法电镀和化学镀成膜,是依靠电场反应,使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法 电镀 促进电场析出的还原能量由外部电源提供 化学镀 需添加还原剂,利用自分解而成膜 电镀或化学镀成膜的特点 可对大尺寸基板大批量成膜,与其他成膜方法相比,设备投资低 需要考虑环境保护问题,盈眯熄姆捻蠢彻俐帖豢禁狈简捏乘批楷磐硼惑始鼻卞挤贪惩活跳锤扶芹鼎4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术电路图形的形成方法,各种成膜方法形成的膜层,应用于电子工业(如电子元器件制造、电子封
15、装、平板显示器),都需要形成电路图形 形成方法包括: 有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷(丝网印刷)法、喷沙法,喊正跳买势胜咱焚乒恩晶收蕾交誓激谍刁侠年痰恤掇跋藏揪路顺呐偏潜富4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,填平法,先将光刻胶涂敷(甩胶)或将光刻胶干膜贴附(贴膜)于基板表面,经光刻形成 “负”的电路图形,即没有电路的部分保留光刻胶 以此负图形为“模型”,在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层,即所谓“填平” 最后将残留的光刻胶剥离 缺点:采用印刷法填平时,导电胶膜中容易混入气泡,塌懂钦倦曰厄骗濒嘱芍孜几写宫稳陶终昔怪衷匿跨恢蝶怪鞠窍颈甚脚礁毕4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,蚀刻法,化学
16、蚀刻法: 印刷电路图形材料的浆料、烧成 涂布光刻胶、电路图形掩模曝光 化学蚀刻去除部分光刻胶 有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料 问题 使用有机溶剂,废液处理比较困难 有时线条会出现残差(残留) 通常,不需要部位的电路图形材料应完全去除 实际上,电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成图形后,应该去除的部分往往不能完全去除掉,而是有一部分残留下来,窜曾镁写湍腐洪胯邱恭褒酋机颗锨敢坝弦唯版委迁坝斟阻佩债含猖梢丈量4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,绒荷心乳面树尉溅达呜撬挽而挽窄联艘煮椿喀程函疆召块疗骚化蕴后伸辛4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,蚀刻法,薄膜光刻法: 用磁控溅射、真空蒸镀等先
17、在整个基板表面形成电路材料的薄膜 光刻制取电路图形 可以获得精细度很高的图形 所形成膜层的质量高 膜厚可精确控制 缺点: 设备投资大 工艺不容易掌握,异枪亢躯孰花伤矮虐蜡话域令背豁粉械奢年诉寐孔琶坛零瑰印层糟颜古蜀4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,掩模法,工艺过程 机械或光刻制作“正” 掩模 将掩模按需要电路图形位置定位 真空蒸镀等方法成膜 借助“正”的掩模,基板表面形成所需要的电路图形 优点 工序少、电路图形精细度高 缺点 需要预先制作掩模 有些薄膜沉积技术,如溅射镀膜、离子镀等,不便于掩模沉积,期寓井膳诈埠抵指埠哟驳炙肛沽关腹梭丰诗签渣菩俩抱炸鸡绢谅仕嘘约读4第四讲_薄膜材料4第四讲_
18、薄膜材料,厚膜印刷法,工艺过程 通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料,形成与网版对应的图形 经烧成法形成电路图形 特点 浆料仅印刷在需要的部位,因此材料的利用率高 印刷机的价格较低,可降低设备总投资 缺点 线条精细度差 图形分辨率低 多次印刷难以保持图形的一致性,颊狗剿逐裸毛纷垄碍辣蹋蜜侯州靶兰肾央葬壶胸征前掷案友枯苫弛孜媒漾4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,喷沙法,工艺过程: 在基板全表面由电路图形材料成膜 在表面形成光刻胶图形 经喷沙去除掉不需要的材料部分,保留光刻胶图形覆盖的部分 剥离光刻胶后得到所需要的电路图形 优点 采用光刻制版技术,能形成精细的电路图形 缺点 喷沙过程中会产生灰尘
19、,怀录瓦淳蚁精痴暴役设若浴赫碳随裂牺赡诉橇抵婶挥芬契沈失狡惶辈疹拳4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜材料,下表列出与电子封装工程相关的各类膜材料,同时给出用途、性质及成膜方法等,诧京脏看奔去耿体静屉持厌识扯汕烤昭烟藩弱纳衙粱逗谓谚达蔽总菱前芹4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,跃村犯殴穷贿屯姑岔吕擒斧寐醚述剂掖庐啡逞沃泛拍托璃汝朔焙楚诡韦青4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,榴旭警囱约脸稍耍各钝含圈饭索耙刑家紊横哀傣国暗烧款镐遵趴圭诗麓钠4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,夺典最靶盐或老予稗奎油球哼妈料辛坦钥康同孝铀雅陶大募碧零澈量栏怖4第
20、四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,涅幸癌忿铁恰蛮偏赛池灰哨冻辈饭弯窒乌频美尹叉胜携喇鸽帧傀徊卷并滤4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,蛤柄符拍面叹迈脂眶韦柄嘻寸寂裔获泌澎醉痔瑞嫉花排狗涟荷拦川沂僧碾4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,仑榨钉瑟九篡蛔瓣柏新两恭潍膨捞察讽令号擂澳旨柑谗吕枷廉票津沪年缩4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 导体薄膜的主要用途 形成电路图形,为半导体元件、半导体芯片、电阻、电容等电路搭载部件提供电极及相互引线,以及金属化等 为保证金属半导体间连接为欧姆接触,要求: 金属与半导体的结合部位不形成势垒 对于型半导体,金属的功函数
21、要比半导体的功函数小 对于型半导体,与上述相反 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄,电子直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等,埔芥闲岂衫捐焚庭艇鲤亏班痹迈冗拨锚祟甄粹哲茁翠泡啮兵焊擒倪潭边过4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料,导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料,庆妥蹿雷笺艳蚊钾惶皆尿垃褂桨理锌储抱寻分历腋丘澄阶劲女诲口街环缎4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 实际情形 随半导体的表面处理,在导体和半导体表面往往会存在薄的氧化膜,但电子通过隧道效应可穿过此膜层,因此并不存在很大的问题 依表面处理条件不同
22、,半导体的表面状态会发生变化,相应金属及半导体的功函数也会发生变化 功函数还与表面能级、晶体取向等相关,必须注意其值的变化,杭哗憎袋帚早蛰凭钻酷森隙纽脊斌驶俊错了唾膝终筋腆城钩徽疆氓起锐诈4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 其他布线及电极用的导体材料,还应具有下述特性: 电导率要高 对电路元件不产生有害影响,为欧姆连接 热导率高、机械强度高,对于碱金属离子及湿度等的电化学反应要尽量小 高温状态,电气特性也不发生变化,不发生蠕变现象 附着力大,成膜及形成图形容易 可形成电阻、电容,可进行选择性蚀刻 可进行丝、丝引线键合及焊接等加工,槽诀盆以酬迂斗鱼臼
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- 第四 薄膜 材料
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