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氮化铝陶瓷基板厚膜电阻制作研究

氮化铝陶瓷基板

                                                                     氮化铝陶瓷基板厚膜电阻制作研究

氮化铝陶瓷基板制作厚膜电阻电阻率不同,阻值不同,性能也不同。今天小编要分享的是氮化铝陶瓷基板厚膜电阻的制作研究。

AlN基板上,使用IKTS电阻浆料制作了4种方阻的厚膜电阻,确定了AlN基板用电阻的阻值与设计方数的关系,推算出了不同方数下的电阻设计比例。测试了电阻的温度系数,测量结果均小于150×10-6/℃。使用激光调值机对4种方阻的电阻进行调值,经150 ℃、1 000 h高温存储,阻值变化率<1.5%。

电阻陶瓷基板.jpg

一,陶瓷基板的电阻制作为何选用氮化铝陶瓷基板

随着微电子封装技术的发展,电子元件的功率、密度越来越大,单位体积发热量随之增加,对新一代电路基板散热能力(即热导率)的要求也更加严格。现阶段开发的高热导率陶瓷基板有AlN、SiC和BeO。BeO具有毒性,不利于环保;SiC介电常数偏高,不适宜作基片;而AlN以其与Si接近的热膨胀系数及适中的介电常数成为备受关注的基板材料[1,2,3,4,5]。传统厚膜浆料基于Al2O3基板开发,其成分容易与AlN基板反应并产生气体,对厚膜电路性能有灾难性的影响,另外AlN基板的热膨胀系数低于Al2O3基板,传统的浆料烧结于AlN基板存在热膨胀不匹配的问题[6,7]。所以直接将应用于Al2O3基板的材料体系及制作工艺照搬至AlN基板的制作工艺是不可行的,国内外对AlN基板用厚膜电阻的相关报道较少,本文介绍了AlN基板上的电阻制作工艺,并对电阻的性能进行研究。

通过调研,知名的浆料厂商ESL、Dupont、Heraeus等公司开发了部分导体浆料,但尚未有成熟的商用电阻浆料,只有德国IKTS公司有商用的AlN基板用的电阻浆料,其电阻方阻范围在1 Ω/□~1 kΩ/□,电阻烧结温度为850 ℃。

二,氮化铝陶瓷基板电阻制作研究

根据电阻的推荐厚度(12 μm)进行试验,制作电阻的网版选用孔径为75 μm的不锈钢丝网,菲林膜厚度为25 μm。丝网印刷过程中,通过调整印刷参数,可调整电阻的膜层厚度。湿膜、烘干膜及烧成膜之间有一定的对应关系,通过压力、印刷速度、网间距等印刷参数调整,可以控制印刷电阻浆料的湿膜厚度,并用膜厚测试仪进行测量,烧成后即可对应湿膜与干膜的相应关系。

金瑞欣采用的大部分板材是华清的,在福建华清AlN基板上,使用4种方阻的电阻浆料包括1 Ω/□、10 Ω/□、100 Ω/□和1 kΩ/□,对应的浆料型号分别为FK9931M、FK9611、FK9621和FK9631。采用厚膜工艺制作金导体、电阻及低温介质(如图1所示)。印刷时将电阻湿膜厚度控制在35 μm,电阻烧成后,对电阻的激光调值特性、电阻温度系数(TCR)及电阻稳定性进行考核验证。

试验工艺方案.png

三,烧结工艺条件

电阻浆料由导电相、粘结相、有机载体三部分组成。在烧结过程中,粘结相流动,在后续降温过程中,固化成膜,附着于陶瓷基板表面,起到与陶瓷基板粘结及支撑导电链的作用。根据技术资料推荐,将AlN基板的电阻烧结工艺确定为:峰值温度850 ℃、保温时间10 min、烧结总时间60 min。

2为IKTS电阻浆料印刷后的形貌,此时的电阻膜是由松散的氧化钌(或钯、银)在具有一定黏合力的有机树脂作用下粘结形成,具有凹凸不平的表面,由于粘结剂的绝缘作用,此时电阻膜层的阻值很大。在烧结时,随着烧结温度的升高,膜层中的有机成分逐渐燃烧挥发(在500 ℃时,有机黏合剂完全排掉),使氧化钌颗粒逐步拉聚,相互联接形成连续的导电通路,电阻烧结后的形貌如图3所示,烧结后的膜层明显收缩致密。

图2.png

图3副本.png

四,电阻设计方数

为确定AlN基板用电阻阻值与设计方数的关系,设计了电阻试验版(如图4所示)。电阻的长度范围为:500~2 000 μm,电阻的宽度范围为:500~2 500 μm。分别在AlN基板上印刷四种方阻的电阻,850 ℃温度下烧结成膜,测量不同设计尺寸电阻的阻值

图四副本.png

测量3只基片相同尺寸电阻的阻值,计算该尺寸电阻的设计方数,平均3只电阻的阻值,形成4种方阻的阻值与方数关系图(如图5所示)。 

图5.png 

电阻印刷的初值一般设计为标称值的80%时,最利于调值及成品率的提高,结合阻值与方数关系图,推算出四种方阻的设计比例(见表1)。

表一.png

五,电阻调值工艺

在实际制作厚膜电阻时,即使对浆料成分、印刷工艺、膜厚、烧成、与电极的匹配等严格控制,其阻值与目标值的误差也只能达到±20%。为了在已经制成的厚膜电阻体的基础上,获得所需要精度的电阻值,只能通过调值。且从提高成品率和阻值的精度来讲,调值是必不可少的重要技术。

AlN基板上电阻调值的工艺参数为:电流14.5 A,Q频率2 500 Hz,激光点距150。对调值后的刀痕形貌进行分析,由图6可见,4种方阻的电阻切痕宽度大于30 μm,切痕内无电阻及基片碎屑,满足检验文件的相关要求。

图6.png

六,电阻温度系数测量

电阻温度系数(TCR)表示电阻器在试验温度下的直流电阻值对基准温度下的直流电阻值的相对变化程度,即试验温度与基准温度之间的每1 ℃温度引起电阻值的相对变化量ΔTCR:

公式.png

    

式中:R1为基准温度下的电阻值;R2为测试温度下的电阻值;T1为基准温度;T2为测试温度。AlN基板上的厚膜电阻进行TCR测量,其中高温温度系数(HTCR)测试数据见表2,低温温度系数(CTCR)测试数据见表3。每种型号的电阻测量两只设计尺寸不同的,由测试数据可见,设计尺寸对电阻温度系数有一定的影响,所有型号的电阻在此AlN基板上均具有正的温度系数,FK9931M的TCR小于150×10-6/℃,其余型号均小于100×10-6/℃。

表二.png

表三.png

七,电阻稳定性考核

电阻可以看作是由许多导电链组成的三维网络结构,电阻层受到张力作用时,较脆弱的导电链会断裂或局部拉长,使整体导电能力下降,阻值增大。反之,当电阻层的热膨胀系数明显小于基板的热膨胀系数时,电阻层内部的应力为压力。电阻层受压力作用时,颗粒之间的接触会更紧密,甚至增加新的导电链,从而增强了整个厚膜电阻的导电能力,宏观上表现为阻值下降。由于厚膜电阻与基板结合牢固,应力释放较缓慢,因此厚膜电阻在一定温度下存放时,阻值会发生变化。厚膜电阻与基板的热膨胀系数相差越大,厚膜电阻内部的应力越大,厚膜电阻在高温下存放时的变化率也就越大。

按照不同的设计尺寸,在AlN基板上印刷4种方阻电阻,将电阻进行激光调值,经150 ℃、1 000 h温度存储,比较温度存储前后阻值的变化情况。每种方阻的电阻测量5只电阻阻值,由表4~表7可见,经过高温存储的电阻,阻值变化率<1.5%。

表四.png

表五.png

表6.png

八,结语:

采用厚膜工艺技术,在福建华清氮化铝基板上对德国IKTS公司基于AlN基板开发的厚膜电阻浆料的性能进行了验证。研究了电阻的制网、印刷、烧结及调值工艺,并对电阻的形貌、设计比例、温度系数、阻值稳定性等方面进行验证,激光调阻后,电阻切痕宽度大于30 μm,符合外观检验要求,电阻的TCR小于150×10-6/℃,经150 ℃、1 000 h高温存储,阻值变化率小于1.5%。本文的研究成果,对AlN基板上厚膜电阻浆料的设计及应用有较好的借鉴作用。

参考文献:

[1] 苏杜煌,何小琦.混合集成电路金铝键合退化与控制研究动态[J].电子元件与料,2008,27(12):5-7.

[2] 刘志平.氮化铝陶瓷及其表面金属化研究[D].天津:天津大学,2008.

[3] 陈寰贝,梁秋实,刘玉根,等.厚薄膜混合氮化铝多层基板技术研究[J].真空电子技术,2015(4):9-11.

[4] 徐亚新,赵飞,何超,等高可靠性氮化铝基功率负载加工工艺研究[J].电子工艺技术,2020(2):99-102.

[5] 罗庭碧,张晓民.AlN基板用厚膜浆料发展评述[J].电子元件与材料,2007,26(3):5-8. 

[6] 王莉莉.AlN厚膜金属化浆料用Au/Pt粉体的制备[D].天津:天津大学,2010.

[7] 丁利文.高热导率AlN陶瓷的制备及性能研究[D].武汉:华中科技大学,2017.

 

 

 


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