成熟的POP（Package on Package，叠层封装技术/堆叠封装技术）

封装工艺流程

熟悉封装工艺流程是认识封装技术的前提，是进行封装设计、制造和优化的基础。

芯片封装和芯片制造不在同一工厂完成

它们可能在同一工厂不同的生产区、或不同的地区，甚至在不同的国家。许多工厂将生产好的芯片送到几千公里以外的地方去做封装。芯片一般在作成集成电路的硅片上进行测试。在测试中，先将有缺陷的芯片打上记号（打一个黑色墨点），然后在自动拾片机上分辨出合格的芯片。

1、封装工艺流程概况

流程一般可以分成两个部分：在用塑料封装之前的工序称为前段工序，在成型之后的操作称为后段工序。成型工序是在净化环境中进行的，由于转移成型操作中机械水压机和预成型品中的粉尘达到1000级以上（空气中0.3μm粉尘达1000颗/m3以上）。

现在大部分使用的封装材料都是高分子聚合物，即所谓的塑料封装。上图所示的塑料成型技术有许多种，包括转移成型技术、喷射成型技术、预成型技术，其中转移成型技术使用最为普遍。

2、芯片切割

2.1、为什么要减薄

半导体集成电路用硅片4寸厚度为520μm，6寸厚度为670μm。这样就对芯片的切分带来困难。因此电路层制作完成后，需要对硅片背面进行减薄，使其达到所需要的厚度，然后再进行划片加工，形成一个个减薄的裸芯片。

2.2、减薄工艺

硅片背面减薄技术主要有：

磨削、研磨、化学抛光、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子增强化学腐蚀、常压等离子腐蚀等。

减薄后硅片粘在一个带有金属环或塑料框架的薄膜（常称为蓝膜）上，送到划片机进行划片。现在划片机都是自动的，机器上配备激光或金钢石的划片刀具。切割分部分划片（不划到底，留有残留厚度）和完全分割划片。对于部分划片，用顶针顶力使芯片完全分离。划片时，边缘或多或少会存在微裂纹和凹槽这取决于刀具的刃度。这样会严重影响芯片的碎裂强度。

先划片后减薄和减薄划片两种方法

在背面磨削之前，将硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再进行磨削。

在减薄之前先用机械的或化学的方法切割出一定深度的切口，然后用磨削方法减薄到一定厚度后，采用常压等离子腐蚀技术去除掉剩余加工量。

这两种方法都很好地避免了或减少了减薄引起的硅片翘曲以及划片引起的边缘损害，大大增强了芯片的抗碎能力。

2.3、芯片贴装

芯片贴装，也称芯片粘贴，是将芯片固定于封装基板或引脚架芯片的承载座上的工艺过程。

• 贴装方式

1. 共晶粘贴法

2. 焊接粘贴法

3. 导电胶粘贴法

4. 玻璃胶粘贴法

2.3.1.1共晶粘贴法

共晶反应

指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相反应。例如，含碳量为2.11%-6.69%的铁碳合金，在1148摄氏度的恆温下发生共晶反应，产物是奥氏体（固态）和渗碳体（固态）的机械混合物，称为“莱氏体”。

一般工艺方法

陶瓷基板芯片座上镀金膜-将芯片放置在芯片座上-热氮气氛中（防氧化）加热并使粘贴表面产生摩擦（去除粘贴表面氧化层）-约425℃时出现金-硅反应液面，液面移动时，硅逐渐扩散至金中而形成紧密结合

预型片法

此方法适用于较大面积的芯片粘贴。优点是可以降低芯片粘贴时孔隙平整度不佳而造成的粘贴不完全的影响。

2.3.1.2焊接粘贴法

焊接粘贴法是利用合金反应进行芯片粘贴的方法。优点是热传导性好。

一般工艺方法

将芯片背面淀积一定厚度的Au或Ni，同时在焊盘上淀积Au-Pd-Ag和Cu的金属层。然后利用合金焊料将芯片焊接在焊盘上。焊接工艺应在热氮气或能防止氧化的气氛中进行。

• 合金焊料：

1. 硬质焊料

2. 软质焊料

硬质焊料：金-硅、金-锡、金-锗。

优点：塑变应力值高（“内应力”指组成单一构造的不同材质之间，因材质差异而导致变形方式的不同，继而产生的各种应力。当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。

材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力．把分布内力在一点的集度称为应力。物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。

按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力σ 和切应力τ，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。按照载荷作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力，具有良好的抗疲劳与抗潜变特性。

缺点：因材质的热膨胀系数不同而引发应力破坏。

软质焊料：铅-锡、铅-银-銦。

在焊接前先在芯片背面制作多层技术薄膜，目的是利用焊料的润湿。

使用软质焊料可消除硬质焊料的缺点。

2.3.1.3、导电胶粘贴法

导电胶是银粉与高分子聚合物（环氧树脂）的混合物。银粉起导电作用，而环氧树脂起粘接作用。

导电胶有三种配方：

（1）各向同性材料，能沿所有方向导电。

（2）导电硅橡胶，能起到使器件与环境隔绝，防止水、汽对芯片的影响，同时还可以屏蔽电磁干扰。

（3）各向异性导电聚合物，电流只能在一个方向流动。在倒装芯片封装中应用较多。无应力影响。

三种导电胶的特点是：化学接合、具有导电功能。

导电胶贴装工艺

膏状导电胶：

用针筒或注射器将粘贴剂涂布到芯片焊盘上（不能太靠近芯片表面，否则会引起银迁移现象），然后用自动拾片机（机械手）将芯片精确地放置到焊盘的粘贴剂上，在一定温度下固化处理（150℃ 1小时或186℃ 半小时）。

固体薄膜：

将其切割成合适的大小放置于芯片与基座之间，然后再进行热压接合。采用固体薄膜导电胶能自动化大规模生产。

导电胶粘贴法的缺点是热稳定性不好，高温下会引起粘接可靠度下降，因此不适合于高可靠度封装。

2.3.1.4、玻璃胶粘贴法

与导电胶类似，玻璃胶也属于厚膜导体材料（后面我们将介绍）。不过起粘接作用的是低温玻璃粉。它是起导电作用的金属粉（Ag、Ag-Pd、Au、Cu等）与低温玻璃粉和有机溶剂混合，制成膏状。

在芯片粘贴时，用盖印、丝网印刷、点胶等方法将胶涂布于基板的芯片座中，再将芯片置放在玻璃胶之上，将基板加温到玻璃熔融温度以上即可完成粘贴。由于完成粘贴的温度要比导电胶高得多，所以它只适用于陶瓷封装中。在降温时要控制降温速度，否则会造成应力破坏，影响可靠度。

2.4、芯片互连

芯片互连是将芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上的金属焊区相连接。

• 芯片互连常见的方法：

1. 打线键合（WB wire bonding）

2. 倒装芯片键合(FCB flip chip bonding，C4)

3. 载带自动键合（TAB tape automate bonding）

这三种连接技术对于不同的封装形式和集成电路芯片集成度的限制各有不同的应用范围。

打线键合适用引脚数为3-257；载带自动键合的适用引脚数为12-600；倒装芯片键合适用的引脚数为6-16000。可见C4适合于高密度组装。

图2.3  各种连接技术依IC集成度区分的应用范围

2.4.1、打线键合技术

超声波键合（Ultrasonic Bonding ,U/S bonding）

热压键合（Thermocompression Bonding T/C bonding）

热超声波键合（Thermosonic Bonding,T/S bonding）

（1）超声波键合

优点：

键合点尺寸小，回绕高度低，适合于键合点间距小、密度高的芯片连接。

缺点：

所有的连线必须沿回绕方向排列（这不可能），因此在连线过程中要不断改变芯片与封装基板的位置再进行第2根引线的键合。从而限制了打线速度。

（2）热压键合

先将金属线穿过毛细管状的键合工具（称为瓷嘴或焊针），该工具是由碳化钨或氧化铝等耐高温材料制成；然后再电子点火或氢焰将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力作用使线的末端灼烧成球（直径约为金属线直径的2-3倍），键合工具再将金属球压至已经预热到150-250℃的第一金属焊垫上进行球形键合。

此时球形键合点受压稍有变形，其目的：

一是增加键合面积；

二是穿破表面氧化层，以形成紧密键合。球形键合完成后，键合工具升起并引导金属线至第二键合点上进行楔形接合（不需要烧成金属球，而是将金属线直接压到焊区上）。

由于键合工具顶端是圆锥形的，所以得到的焊点通常为新月状。

由于热压焊是在高温下进行的，通常使用的金属线为金线（抗氧化性强）。为降低成本有时也用铝线。铝线的2个焊接点是楔形的。原因是铝线不易在线的末端灼烧成球。

热压键合的过程

（3）热超声波键合

热超声波键合是热压键合与超声波键合的混合技术。在工艺过程中，先在金属线末端成球，再使用超声波脉冲进行金属线与金属接垫之间的接合。

此过程中接合工具不被加热，仅给接合的基板加热(温度维持在100-150℃)。其目的是抑制键合界面的金属间化合物（类似于化学键，金属原子的价电子形成键）的成长，和降低基板高分子材料因高温产生形变。

打线键合的线材与可靠度

（1）合金线材

铝合金线

因纯铝线材太软很少使用。铝合金线标准线材是铝-1%硅。另外一种是含0.5-1%镁的铝导线。其优点是抗疲劳性优良，生成金属间化合物的影响小。

金线

纯金线的纯度一般用4个9。为增加机械强度，往往在金中添加5-10ppm 铍或铜。金线抗氧化性好，常用于超声波焊接中。

（2）影响打线键合可靠度因素

• 可靠度因素

1. 封胶和粘贴材料与线材的反应

2. 金属间化合物的形成

3. 可靠度常用拉力试验和键合点的剪切试验测试检查

2.4.2、载带自动键合技术

载带自动键合技术是在类似于135胶片的柔性载带粘结金属薄片，（像电影胶片一样卷在一带卷上，载带宽度8-70mm。

在其特定的位置上开出一个窗口。窗口为蚀刻出一定的印刷线路图形的金属箔片（0.035mm厚）。

引线排从窗口伸出，并与载带相连，载带边上有供传输带用的齿轮孔。

当载带卷转动时，载带依靠齿孔往前运动，使带上的窗口精确对准带下的芯片。再利用热压模将导线排精确键合到芯片上。

可见TAB技术与一般的压丝引线技术不同。

后者的特点是将一根、一根的引线先后分立的快速的键合到搭接片上。TAB技术中内引线键合后还要做后道工序，包括电学测试、通电老化，外引线键合、切下，最后进行封装工艺。这些都在载带上完成。

过去，TAB技术不受重视的原因

（1）TAB技术初始投资大；

（2）开始时TAB工艺设备不易买到，而传统的引线工艺已得到充分的发展，且其生产设备也容易买到；

（3）有关TAB技术资料和信息少。但是随着芯片信息容量及随之而来的引脚数的增加，传统的分立引线工艺显得力不从心。为降低引线成本的需要，TAB技术越来越受到人们的青睐，促使许多半导体厂家积极开发研究。

TAB技术较之常用的引线工艺的优点：

（1）对高速电路来说，常规的引线使用圆形导线，而且引线较长，往往引线中高频电流的趋肤效应使电感增加，造成信号传递延迟和畸变，这是十分不利的。TAB技术采用矩形截面的引线，因而电感小，这是它的优点。

（2）传统引线工艺要求键合面积4mil2，而TAB工艺的内引线键合面积仅为2mil2这样就可以增加I/O密度，适应超级计算机与微处理器的更新换代。

（3）TAB技术中使用铜线而不使用铝线，从而改善器件的热耗散性能。

（4）在芯片最终封装前可进行预测试和通电老化。这样可剔除坏芯片，不使它流入下一道工序，从而节省了成本，提高了可靠性。

（5）TAB工艺中引线的键合平面低，使器件薄化。

2.4.2、载带自动键合技术

TAB技术的关键材料

基带材料：要求耐高温，与金属箔粘贴性好，热匹配性好，抗化学腐蚀性强，机械强度高，吸水率低。例如，聚酰亚胺（PI）、聚乙烯对本二甲酸脂（PET）和苯并环丁烯（BCB）

TAB金属材料：要求导电性能好，强度高，延展性、表面平滑性良好，与各种基带粘贴牢固，不易剥离，易于用光刻法制作出精细复杂的图形，易电镀Au、Ni、Pb/Sn焊接材料，例如，Al、Cu。

芯片凸点金属材料：一般包括金属Au、Cu、Au/Sn、Pd/Sn。

• TAB的关键技术

。芯片凸点制作技术

。TAB载带制作技术

。载带引线与芯片凸点的内引线焊接和载带外引线焊接技术

TAB的关键技术--芯片凸点制作技术

IC芯片制作完成后其表面均镀有钝化保护层，厚度高于电路的键合点，因此必须在IC芯片的键合点上或TAB载带的内引线前端先长成键合凸块才能进行后续的键合，通常TAB载带技术也据此区分为凸块化载带与凸块化芯片TAB两大类。

地状金属凸块；单层载带可配合铜箔引脚的刻蚀制成凸块，在双层与三层载带上，因为蚀刻的工艺容易致导带变形，而使未来键合发生对位错误，因此双层与三层载带较少应用于凸块载带TAB的键合。

凸块式芯片TAB，先将金属凸块长成于IC芯片的铝键合点上，再与载带的内引脚键合。预先长成的凸块除了提供引脚所需要的金属化条件外，可避免引脚与IC芯片间可能发生短路，但制作长有凸块的芯片是TAN工艺最大的困难。

芯片凸点制作技术

凸点因形状不同可分为两种

蘑菇状凸点一般用光刻胶做掩膜制作，电镀时，光刻胶

以上凸点除了继续升高以外，还横向发展，凸点越来越高，横向也越来越大，所以凸点形状像蘑菇。随着横向发展电镀电流密度的不均匀性使得最终得到的凸点顶部成凹形，且凸点的尺寸也难以控制。

直状凸点制作是使用厚膜抗腐蚀剂做掩膜，掩膜的厚度与要求的凸点高度一致，所以始终电流密度均匀，凸点的平面是平整的。

金凸块制作的传统工艺:

第一步，对芯片进行清洁处理

第二步，通过真空溅散的方法，在芯片键合的上表面形成粘着层和阻挡层。粘着层提供IC芯片上的铝键合点与凸块间良好的键合力与低的接触电阻特性。常用的材料是Ti、Cr、和Al，这几种金属的与铝和氧化硅的粘着性很好。扩散阻挡层的作用是阻止芯片上的铝与凸块材料之间的扩散反应而形成金属间化合物。

金属层做好后、接着涂25微米后的光刻胶，然后用电镀的方法制作金属凸块。凸块制作完成后在其顶面电镀一层25微米的金（凸块金属不是金的情况），目的是起抗氧化作用。

金凸块制作的传统工艺

凸块转移技术

一般的凸块制作工艺流程，可以看出，它的制作工艺复杂，技术难度大，成本高。因此改进凸块制作技术成为一项研究的热门课题。

日本Matsushita公司开发了凸块转移技术。

这种技术分2次键合：

第1次是将在玻璃基板上做成的凸块，转移到载带内引脚前端与芯片键合点相对应的位置。

第2次键合。在引脚前端有凸点的载带由专门的制造商提供，这样就避免了在芯片焊区制作凸点的麻烦，降低了生产成本。

凸块转移技术

TAB载带制作技术

单层结构载带

双层结构载带

三层结构载带

• 载带引线与芯片凸点的内引线焊接和载带外引线焊接技术

1. 芯片上的凸点和载带制作完成后，接下来要进行引线的焊接，这又分内引线焊接和外引线焊接。

2. 内引线焊接是引线与芯片焊接，外引线焊接是将引线焊接到外壳或基板焊区。

（1）单层结构载带

这仅为一铜带，其上腐蚀出引线图案以及支撑结构。方法是将光刻胶涂在铜带的两侧。将要刻蚀掉的部分曝光，腐蚀后留下引线图案。带上可事先制备出凸点，这种情况下可选用不带凸点的芯片。再将载带上的引线排与芯片的I/O键合点键合。单层结构的缺点是全部引线与金属支撑架相连接，妨碍了带上器件的测试检验和通电老化。

（2）双层结构载带

双层结构载带可用两种方法制作。用液体聚酰亚胺涂敷铜带（1.4mil厚），然后再干燥处理。聚酰亚胺的厚度为2-3mil。将聚酰亚胺进行光刻，然后窗口和齿孔用KOH或NaOH腐蚀出来，再用FeCl3铜标腐蚀液将铜带上所需图形腐蚀出来。

（3）三层结构载带

所用载带厚度为5mil，比双层带厚，因而更稳定。它的制作方法是：用粘接剂涂敷12或24英寸的Kapton带，再将带条分裂成TAB产品所需要的合适宽度。窗口和齿孔用硬工具冲制而成。然后将铜带与Kapton带进行叠合处理，使铜带压合在齿孔机的Kapton。最后光刻铜带，形成引线排。三层结构的优点是胶带和铜之间有很高的结合强度，且绝缘性能好，吸湿性低。

将载带引线图形指端与芯片焊接到一起的方法主要有热压焊和再流焊。当芯片凸点是 Au、Au/Ni、Cu/Au，而载带Cu箔引线也是镀这类凸点金属时，使用热压焊；而载带Cu箔引线镀层为Pb/Sn时，或者芯片凸点具有Pb/Sn，而载带Cu箔引线是上述硬金属时就要用热压再流焊。完全使用热压焊焊接温度高，热压再流焊的温度低。

这两种焊接方法都是使用自动或半自动化的引线焊接机进行多点一次焊接的。

主要工艺操作是对位、焊接、抬起、芯片传送4部分。

内引线焊接

对位 给做成电路的晶圆片上的芯片进行测试，给坏芯片打上标记—用划片机划片—将划过片的大圆片（晶圆片的背面有粘着层，经划片后仍呈大圆片状）放置在焊接机的承片台上—按设计程序将性能好的IC芯片置于载带引线图形下面，使载带引线图形对芯片凸点进行精确对位。

焊接 落下加热的热压焊头，加压一定时间，完成焊接。

抬起 抬起热压焊头，焊接机将压焊到载带上的IC芯片通过链轮步进卷绕到卷轴上，同时下一个载带引线图形也步进到焊接对位的位置上。

芯片传送 供片系统按设定程序将下一个好的IC芯片移到新的载带引线图形下方进行对位，从而完成了程序化的完整的焊接过程。

TAB内引线焊接技术,焊接程序

焊接工艺条件：

焊接温度T=450-500℃；焊接压力 P=50g；焊接时间t=0.5-1秒。此外，焊头的平行度、平整度要好，焊接时的倾斜度要合适，否则会影响焊接效果。凸点的高度和载带引线图形的厚度的一致性也会影响焊接质量。

完成内引脚键合与电性能测试后，芯片与内引脚面或整个IC芯片必须再涂上一层高分子胶材料保护引脚、凸块与芯片，以避免外界的压力、震动、水汽等因素造成破坏。

封胶的材料：

一般为环氧树脂(Epoxy)和硅橡胶(Silicone)。环氧树脂用盖印或点胶的方法涂布，可覆盖整个芯片或仅涂布完成内引脚键合的芯片表面。在烘烤硬化时应注意加温条件，避免气泡和预应力的产生。

外引线焊接技术

经过老化、筛选、测试的载带芯片可以用于各种集成电路。

对于微电子封装的引线框架或在生产线上连接安装载带芯片的电子产品，可使用外引线压焊机将卷绕的载带芯片连接进行外引线焊接，焊接时要及时应用切断装置，将每个焊点外沿处将引线和聚酰亚胺（PI）支撑框架以外的部分切断并焊接。

倒装焊（FCB）芯片，放置面朝下。

借助于凸点与基板焊区直接焊接。这样就省略了互连线，由互连线产生的杂散电容和电感要比WB和TAB小得多，因此适合于高频、高速电路和高密度组装的应用。

倒装焊的典型例子是IBM公司的C4(Controlled-Collapse Chip Connection，可控塌陷芯片连接)技术。

C4技术的凸缘制备主要通过电子束蒸发、溅散等工艺，将UBM(Under Bump Metallurgy)或BLM(Ball Limiting Metallurgy)沉积在芯片的铝焊盘上。UBM一般有三层，分别为铬/铬-铜（50%-50%）/铜。

凸点芯片的类型。在多层化金属上可用多种方法形成不同尺寸和高度要求的凸点金属，其分类可按凸点材料分类，也可按凸点结构形状进行分类。

按凸点材料分类：Au凸点、Ni/Sn凸点、Cu凸点、Cu/Pb-Sn凸点In凸点Pb/Sn凸点(C4)

按凸点结构分类：周边形、面阵形

按凸点形状分类：蘑菇状、直状、球形、叠层

• 凸点芯片的制作工艺：

。蒸发/溅散凸点制作法

。电镀凸点制作法

。置球及模板印刷制作焊料凸点

蒸发/溅散凸点制作法

这是早期常用的方法，因为它与IC工艺兼容，工艺简单成熟。多层金属和凸点金属可以一次完成。

工艺流程：

制作掩模板-Si圆片安装制作好的掩模板-Si圆片光刻掩模孔-蒸发/溅射各金属层-蒸发/溅射凸点金属-去掩模板、去除光刻胶，剥离多余的金属层-形成凸点。

缺点:

是形成的凸点大且低。如果形成一定高度的凸点需要的时间长，真空溅散设备应是多源多靶的，价格贵。成本高效率低，不适合大批量生产。

电镀凸点制作法

这是目前国际上普遍采用的方法，工艺成熟。加工过程少，工艺简单易行，适合大批量制作各种类型的凸点。

基本工序：

Si3N4钝化，用激光烧毁不合格的芯片- 蒸发/溅散Ti-W-Au-涂光刻胶-光刻电极窗口-腐蚀大面积Au-W-Ti-去胶，保留窗口多层电极-闪溅金属层（Au）-贴厚光刻胶（膜）-套刻出凸点窗口-电镀Au凸点-去除厚胶（膜）-腐蚀闪溅Au。

植球及模板印刷制作焊料凸点

工艺流程：

· 钝化好的圆片-〉

· 覆盖并固定掩模板-〉

· 植Pb-Sn焊料球-〉

· H2或N2保护气氛下焊料球再流-〉

· 焊料冷却收球-〉

· 取下掩模板-〉

· Pb-Sn焊料芯片凸点形成-〉

凸点芯片的技术

制作的凸点芯片既可用于厚膜陶瓷基板上进行FCB又可在薄膜陶瓷基板上进行FCB,还可在PWB上直接焊芯片FCB。这些基板既可以是单层的，也可以是多层的，而凸点芯片要倒装在基板上层的金属化焊区上。

（1）互连基板的金属焊区制作

要使FCB芯片与各类基板互连达到一定的可靠性要求，关键是安装互连FCB芯片的基板顶层金属焊区要与芯片凸点一一对应，与凸点金属具有良好的压焊或焊料浸润特性。

（2）工艺方法

工艺方法主要有以下几种，即热压FCB法、再流FCB法(C4)、环氧树脂光固化FCB法和各向异性导电胶粘接FCB法。

热压法

使用倒装焊接机完成对各种凸点，如Au凸点、Ni-Al凸点、Cu-Pb-Sn凸点的FCB。

倒装焊接机是由光学摄像对位系统、检拾热压超声焊头、精确定位承片台及显示屏等组成的精密设备。

将欲基板放置在承片台上，用检拾焊头检拾带有凸点的芯片，面朝下对着基板，一路光学摄像头对着凸点芯片面，一路光学摄像头对着基板上的焊区，分别进行调准对位，并显示在屏上。待调准对位达到要求的精度后，即可落下压焊头进行压焊。压焊头可加热，并带有超声，同时承片台也对基板加热，在加热、加压、超声到设定的时间后就完成所有凸点与基板焊区的焊接。

与基板的平行度非常重要，如果它们不平行，焊接后的凸点形变将有大有小，致使拉力强度也有高有低，有的焊点可能达不到使用要求。

再流FCB法

这种焊接方法专对各类Pb-Sn焊料凸点进行再流焊接，俗称再流焊接法。这种FCB技术最早起源于于美国IBM公司，又称C4技术，即可控塌陷芯片连接。

C4技术倒装焊的特点是：

1）C4除具有一般凸点芯片FCB的优点外，它的凸点还可整个芯片面阵分布，再流时能够弥补基板的凹凸不平或扭曲等，所以，不但可与光滑平整的陶瓷/硅基板金属焊区互连，还能与PWB上的金属焊区互连。

2）C4的芯片凸点使用高熔点的焊料（如90%Pb-10%Sn）,而PWB上的焊区使用低熔点的常规37%Pb-63%Sn焊料，倒装焊再流时，C4凸点不变形，只有低熔点的焊料熔化，这就可以弥补PWB基板的缺陷（如凹凸扭曲等）产生焊接不均匀问题。

3）倒装焊时Pb-Sn焊料熔化再流时较高的表面张力会产生“自对准效果，这就使C4芯片倒装焊时对准精度要求大为宽松。

环氧树脂光固化倒装焊法

这是一种微凸点FCB法。日本曾用这种方法对6mm×6mm芯片成功进行倒装焊，Au凸点仅为5μm×5μm，节距只有10μm，载有2320个微凸点。与一般倒装焊截然不同的是，这里利用光敏树脂光固化时产生的收缩力将凸点与基板上机械焊区牢固地互连在一起，不是“焊接”，而是“机械接触”。

各向异性导电胶

在大量的液晶显示器(LCD)与IC芯片连接的应用中，典型的是使用各向异性导电胶薄膜（ACAF）将TAB的外引线焊接（OLB）到玻璃显示板的焊区上，但最小外引脚焊接（OLB outer lead bonding）的节距为70μm。而使用各向异性导电胶(ACA)可以直接倒装焊在玻璃基板上，称为玻璃上芯片(COG)技术。

ACA有热固型、热塑型和紫外光(UV)固化型几种，而以UV型最佳，热固型次之。

UV型的固化速度快，无温度梯度，故芯片和基板均不需加热，因此不需考虑由UV照射固化产生的微弱热量引起的热不匹配问题。

UV的光强可在1500mW/cm2以上，光强越强，固化时间越短。一般照射数秒后，让ACA达到“交联”，这时可去除压力，继续光照，方可达到完全固化。光照时需加压，100μm×100μm的凸点面积，需加压0.5N/凸点以上。

为了制作更小、精度更高的LCD，就要不断缩小IC芯片的凸点尺寸、凸点节距或倒装焊节距。例如小于50μm凸点尺寸或节距，这样使用ACA常规倒装焊方法，将使横向短路的可能性随之增加。为了消除这种不良影响，使用ACA倒装焊方法要加以改进，其中设置尖峰状的绝缘介质坝就是一种有效的方法。

倒装焊接后的芯片下填充

倒装焊后，在芯片与基板间填充环氧树脂，不但可以保护芯片免受环境如湿汽、离子等污染，利于芯片在恶劣环境下正常工作，而且可以使芯片耐受机械振动和冲击。特别是填充树脂后可以减少芯片与基板（尤其PWB）间膨胀失配的影响，即可减小芯片凸点连接处的应力和应变。

倒装焊芯片下填充环氧树脂填料要求：

应小于倒装焊芯片与基板间的间隙，以达到芯片下各处完全填充覆盖。

①填料应无挥发性，因为挥发能使芯片下产生间隙，从而导致机械失效。

②应尽可能减小乃至消除失配应力，填料与倒装芯片凸点连接处的z方向CTE(Coefficient of Thermal Expansion 热膨胀系数)应大致匹配。

③为避免PWB产生形变，填料的固化温度要低一些。

④要达到耐热循环冲击的可靠性，填料应有高的玻璃转化温度。

⑤对于存储器等敏感器件，填充α放射性低的填料至关重要。

⑥填料的粒子尺寸

⑦在填充温度操作条件下的填料粘滞性要低，流动性要好，即填料的粘滞性应随着温度的提高而降低。

⑧为使倒装焊互连具有较小的应力，填料应具有较高的弹性模量和弯曲强度。

⑨在高温高湿环境条件下，填料的绝缘电阻要高，即要求杂质离子（Cl-、Na＋、K＋等）数量要低。

⑩填料抗各种化学腐蚀的能力要强。

填料的填充方法

实际填充时，将倒芯片和基板加热到70-75℃，利用加有填料、形状如同“L”的注射器，沿着芯片的边缘双向注射填料。

由于毛细管虹吸作用，填料被吸入，并向芯片-基板的中心流动。一个12.7mm见方的芯片，10分钟可完全充满缝隙，用料大约0.03ml。

填充后要对环氧树脂进行固化。可在烘箱中分段升温，待达到固化温度后，保温3-4小时，即可达到完全固化。

2.5、成型技术

芯片互连完成之后就到了塑料封装的步骤，即将芯片与引线框架包装起来。这种成型技术有金属封装、塑料封装、陶瓷封装等，但从成本的角度和其它方面综合考虑，塑料封装是最为常用的封装方式，它占据90%左右的市场。

2.5.1、塑料封装的种类和材料

塑料封装的成型技术有多种，包括转移成型技术、喷射成型技术、预成型技术等，但最主要的是转移成型技术。转移成型使用的材料一般为热固性聚合物。

热固性聚合物是指低温时聚合物是塑性的或流动的，但将其加热到一定温度时，即发生所谓的交联反应，形成刚性固体。若继续加热，则聚合物只能变软而不可能熔化、流动。

2.5.2、转移成型工艺流程

· 将已贴装芯片并完成引线键合的框架带置于模具中;

· 将塑封的预成型块在预热炉中加热（预热温度在90-95℃之间）;

· 放入转移成型机的转移罐中；

· 在转移成型压力下，塑封料被挤压到浇道中，经过浇口注入模腔（整个过程中，模具温度保持在170-175℃）；

· 塑封料在模具中固化，经过一段时间的保压，使模块达到一定的硬度，然后用顶杆顶出模块，就完成成型过程。

2.5.3、转移成型设备

• 转移成型技术设备

。预加热器

。压机

。模具和固化炉

在自动化生产设备中，产品的预热、模具的加热和转移成型操作都在同一台设备中完成，并由计算机实施控制。也就是说预热、框架带的放置、模具放置等工序都可以达到完全自动化。

2.6、去飞边毛刺

塑料封装中塑封料树脂溢出、贴带毛边、引线毛刺等统称为飞边毛刺现象。

去飞边毛刺主要工序：

用介质去飞边毛刺时，是将研磨料（如颗粒状的塑料球）与高压空气一起冲洗模块。在去飞边毛刺过程中，介质会将框架引脚的表面轻微擦磨，这将有助于焊料和金属框架的粘连。

用水去飞边毛刺工艺是利用高压的水流来冲击模块，有时也会将研磨料与高压水流一起使用。用溶剂来去飞边毛刺通常只适用于很薄的毛刺。溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)或双甲基呋喃（DMF）。

2.7、上焊锡

封装后要对框架外引线进行上焊锡处理，目的是在框架引脚上做保护层和增加其可焊性。上焊锡可用二种方法，电镀和浸锡。

电镀工序：

清洗-在电镀槽中进行电镀-冲洗-吹干-烘干（在烘箱中）

浸锡工序：

去飞边-去油-去氧化物-浸助焊剂-热浸锡（熔融焊锡，Sn/Pb=63/67）-清洗-烘干

二种方法比较：

浸锡容易引起镀层不均匀，中间厚，边上薄（表面张力作用）。电镀中间薄角周围厚（电荷集聚效应）。电镀液还会造成离子污染。

2.8、切筋成型

切筋工艺是指切除框架外引脚之间的堤坝以及在框架带上连在一起的地方；成型工艺则是将引脚弯成一定形状，以适合装配的需要。

切筋成型通常是两道工序，但同时完成（在机器上）。有的公司是分开做的，如Intel公司。先切筋，然后完成上焊锡，再进行成型工序，其好处是可以减少没有上焊锡的截面面积，如切口部分的面积。

2.9、打码

打码就是在封装模块的顶面印上去不掉的、字迹清楚的标识，包括制造商的信息、国家、器件代码等。最常用印码方式是油墨印码和激光印码两种。

油墨打码

工艺过程有些像敲橡皮图章，因为是用橡胶来刻制打码标识。油墨是高分子化合物，是基于环氧或酚醛的聚合物，需要进行热固化，或使用紫外光固化。油墨打码对表面要求较高，表面有污染油墨则打不上去。另外油墨也容易擦去。为了节省生产时间，在模块成型之后先打码，然后将模块进行固化，也就是塑封料和油墨一起固化。粗糙的表面油墨的粘附性好。

激光印码

利用激光就是在模块表面写标识。现有激光打码机。激光打码最大的优点是印码不易擦除，工艺简单。缺点是字迹较淡。

2.10、元器件的装配

元器件装配在基板上的方法有两种:

波峰焊，波峰焊主要在插孔式PTH(plated through-hole 镀金属通孔)封装型元器件装配，表面贴装式SMT及混合型元器件装配则大多使用回流焊。

回流焊也叫再流焊（其核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化而再次流动浸润以完成电路板的焊接），是伴随着微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术，它最适合表面贴装元器件，也可以用于插孔式元器件与表面贴装器件混合电路的装配。

回流焊工艺流程：

丝网印刷焊膏-贴片-回流焊

其核心是丝网印刷的准确性。贴片元器件是通过焊膏固定的。回流焊是在回流焊设备中进行的。将贴好元器件的电路板进入再流焊设备，传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域，焊膏经过了干燥、预热、熔化、冷却，将元器件焊接到电路板上。

回流焊的焊接原理:

当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚，焊膏软化、塌落无铅波峰焊、覆盖了焊盘、回流焊元器件端头和引脚与氧气隔离→计算机B进入保温区时，PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件→当电脑B进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点→PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。

按加热方式的不同，分为气相回流焊（焊剂(锡膏)在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接；因为是气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的，所以叫“回流焊）、红外回流焊、远红外回流焊、红外加热风回流焊和全热风回流焊。另外根据焊接特殊需要还有充氮回流焊。目前常见设备有台式回流炉和立式回流炉。

厚膜与薄膜的概念

相对于三维块体材料，从一般意义上讲，所谓膜，由于其厚度尺寸小，可以看着是物质的二维形态。在膜中又有薄膜和厚膜之分。

按膜厚的经典分类认为，小于1μm的为薄膜，大于1μm的为厚膜。

另一种认为，厚膜与薄膜的概念并不单指膜的厚度，而主要是还是指制造工艺技术的不同。厚膜是通过丝网印刷（或喷涂）和烧结（聚合）的方法，而薄膜是通过真空蒸发、溅散、气相化学淀积、电镀等方法而形成。

厚薄膜技术

3.1、厚膜技术

厚膜技术是用丝网印刷或喷涂等方法，将导体浆料、电阻浆料和介质浆料等涂覆在陶瓷基板上制成所需图形，再经过烧结或聚合完成膜与基板的粘接。它的基本内容是印刷和烧结，但目前已发展成综合性很高的一种技术。它的范围和内容越来越广泛，包括互连技术，制造元器件技术和组装封装技术。

厚膜技术的主要工序

浆料，也称涂料，它是由金属或金属氧化物粉末和玻璃粉分散在有机载体中而制成的可以印刷的浆状物或糊状物。其中的有机载体是由有机溶剂和树脂配制而成的。

1.制法：

根据不同的浆料（导体、电阻、介质等）的成分和配方，将各种固体粉料先均匀混合，再加入适量载体，使粉料均匀分散于载体中，然后再进行研磨，便获得结构均匀的分散体系，即厚膜浆料。

2.印刷

印刷是厚膜浆料在基板上成膜的基本技术之一。厚膜中最常用的印刷是丝网印刷。

这种印刷技术先用丝绸、尼龙或不锈钢丝编织成的网绷紧在框架上，再将刻有导体或电阻图形的有机膜或金属箔（称掩模）贴到丝网上。印刷时，将基板放在丝网下面，而将浆料放在丝网上面，然后用橡胶或塑料制成的刮板以一定的速度和压力在丝网上移动，使它通过掩模上的开孔图形而漏印到基板上，于是在基板上便得到该浆料印出的所需图形。

3.干燥

印好的图形要经过“流延”，又称“流平”一段时间，通常为5-15分钟。主要是使丝网筛孔的痕迹消失，某些易挥发的溶剂在室温下挥发。

4.烧结

烧结也称烧成，它是厚膜技术中的主要工序之一。印好的厚膜浆料只有经过烧结工序后，才具有一定的电性能，才能成为所需要的厚膜元件。

烧结过程的阶段：升温、最高烧结温度（或称峰值温度）的保温和降温三个阶段。

厚膜元件的质量与烧结条件（包括升、降温速率，最高烧结温度和保温时间—统称烧成曲线等有密切的关系，所以要严格进行控制。

4.微调

微调是厚膜元件烧结后，对其阻值或容量进行微量调整的一种方法。

微调的原因是：因为厚膜电阻或电容在烧结后其阻值和容量通常还不能完全达到所要求的数值精度，所以还需要进行调整。

调整的方法：用喷砂或激光等方法来切割电阻或电容图形，以改变他们的几何尺寸。使阻值或容量发生变化，从而达到预定的标称值和所需的精度。微调对电阻来说，通常是阻值上升，而电容器较多的是容量下降。

5.封装

封装是把制成的厚膜电路或组合件保护在一定的外壳中或采取其它防护措施，如印刷一层保护层，以达到防潮、防辐射和防止周围环境气氛等影响。

3.3 厚膜材料

厚膜材料包括基板、导体材料、电阻材料、介质材料。

• 厚膜基板：

。陶瓷

。金属

。树脂

陶瓷基板包括：

氧化铝陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板、特种陶瓷基板（高介电系数的钛酸盐、锆酸盐，和具有铁磁性的铁氧体陶瓷等，主要作传感器和磁阻电路用）、氮化铝基板和碳化硅陶瓷基板。

氧化铝陶瓷基板

目前用的比较多的基板，它的主要成分是Al2O3，基板中Al2O3的含量通常为92-99.9%，Al2O3的含量愈高基板的性能愈好，但与厚膜的附着力较差，因此一般采用94-96% Al2O3的陶瓷。

这种氧化铝陶瓷板要在1700℃以上高温下烧成，因而成本比较高。所以国内外也有采用85%和75% Al2O3陶瓷的，虽然它们的性能稍差些，但成本低，在一般的电路生产中可采用。

多层陶瓷基板

所谓多层陶瓷基板，就是呈多层结构，它是用来作多层布线用的。目前用的最多的主要是氧化铝多层陶瓷基板。多层化的方法有三种：

1. 厚膜多层法—用烧成的Al2O3板

2. 印刷多层法—用未烧成（生）的基板

3. 生板（片）叠层法—用生板（带有通孔）

厚膜多层法

厚膜多层法是在烧成的氧化铝基板上交替地印刷和烧结厚膜导体（如Au、Ag-Pd等）与介质浆料而制成，导体层之间的连接是在介质层上开孔并填入导体浆料，烧结后而相互连接起来。

印刷多层法

它是在生的氧化铝陶瓷基板上印刷和干燥Mo、W等导体层，然后再其上印刷和干燥与基板成分相同的Al2O3介质浆料，反复进行这种工序到所需层数，再将这种基板在1500-1700的还原气氛中烧成，基板烧成后，在导体部分镀镍、金以形成焊区，焊接外接元件。

生板（片）叠层法

它是在冲好通孔的氧化铝生片上印刷Mo、W等导体，然后将这种印好导体图形的生片合叠到所需层数，在一定的压力和温度下压紧，再放到1500-1700℃的还原气氛中烧结成一个坚固的整体。

以下进行三种多层化方法的比较

厚膜多层法

特点：

制造灵活性大，介质浆料可以用多种成分，不一定用基板成分。可以在空气中烧结，温度在1000℃以下。

烧结后基板上的导体不需要电镀，用金或银-钯可直接焊接。

基板内部可以制作电阻、电容等厚膜元件。

制作过程容易实现自动化。

缺点：

制造很细的线（微细线）困难。因烧成的介质上印导线容易渗开。

可焊性、密封性和散热性没其它二种好。

印刷多层法和生片叠层法

二者是利用生片容易吸收浆料中的溶剂的特点来制造的，它们的优点：

· 线条不会渗开变粗，可以印出分辨率很高的微细线。

· 容易实现多层化，进行高密度布线。即层数可以制得很多，尤其是生片叠层法可以做到30层以上。

· 导体和绝缘介质烧成整体，密封性好，可靠性高。

· 基板只需一次烧成，导体采用Mo、W等贱金属材料，因而成本低。

缺点：

设计和制造灵活性差，生产周期长，烧结温度高，要在还原性气氛中烧结等。

厚膜导体与材料：

Ag、Ag-Pd、Cu、Au等能较好地满足上述要求，实际采用较多。

Ag 银导体

Ag浆料的最大特点是电导率高，但其与基板的附着强度、焊接特性等存在问题。

焊接后的Ag厚膜导体，随时间加长及温度上升，其与基板的附着强度下降。这是由于Ag与玻璃层间形成Ag-O键，以及与焊料扩散成分生成Ag3Sn所致。为了防止或减少Ag3Sn的发生，或者使Ag膜加厚，或者在Ag上电镀Ni。

Ag导体的最大缺点是容易发生迁移。这是由于Ag与基板表面吸附的水分相互作用，Ag＋与OH-生成AgOH。AgOH不稳定，容易被氧化而析出Ag，从而引起Ag的迁移。为了抑制Ag的迁移，一般都要在浆料中添加Pd或Pt。

Ag-Pd 银-钯导体：

Ag中添加Pd，当Pd/(Pd+Ag)＞0.1左右时即产生效果，但当Pd的添加量较多时，在300-760℃范围内发生氧化反应而生成PdO，这不仅使焊接性能变差，而且造成导体电阻增加。因此，Ag/Pd比一般要控制在（2.5：1）～（4.0：1）。

为了提高Ag-Pd导体的焊接浸润性，以及导体与基板间的接合强度，需要添加Bi2O3。在烧成过程中，部分BiO2O3溶入玻璃中，在玻璃的相对成分增加的同时，它与Al2O3基板发生如下反应：

Al2O3+ Bi2O3→2（Bi·Al）2O3

随Bi含量增加，膜的结合强度增大。

焊接时要对膜加热，加热时间增加，金属粒界与玻璃之间分散的Bi2O3会发生如下还原反应：

2Bi2O3+3Sn→4Bi+3SnO2

使用Ag-Pd导体时，通常进行下述试验：

①测定电阻值 （按需要有时也包括TCR）

②浸润性。测量导体膜上焊料液滴的展宽直径。

④迁移性。在导体图形间滴上水滴，并施加一定电压测量达到短路今后经过的时间。

⑤结合强度。在导体膜焊接引线，沿垂直于膜面方向拉伸，测量拉断时的强度，确定破断位置，分析断面形貌结构等。

⑥热老化后的强度。焊接后，在150℃下放置48小时，测量导线的结合强度等。

Cu 铜导体：

与贵金属相比，铜具有很高的电导率，可焊性、耐迁移性、耐焊料浸蚀性都好，而且价格便宜。但是，铜在大气中烧成会氧化，需要在氮气中烧成，其中的氧含量应控制在几个ppm(即10-6)以下。此外在多层工程中与介质体共烧时容易出现分层和微孔等。

二步烧成法：

即先在氧化气氛中，后在还原气氛中对铜浆料进行烧成。这样既可全部排除有机粘结剂，又可提高附着力、可焊性、电导等性能。首先在N2中掺入（10-1000）ppm的O2在此气氛下，在900℃烧制10分钟，而后在N2中混入1%H2的气氛中，在250～260℃，烧制10分钟，即告完成。两步烧成法制成的Cu厚膜可采用不含银的63Sn/37Pb焊接，导体的结合强度也很高。

烧成法也适用于多层化，并已用于MCM基板的制作。先在Al2O3上印刷CuO浆料，干燥后，印刷硼硅酸玻璃（SiO3-B2O3-Al2Al3-CaO-MgO）绝缘体浆料，再干燥，干燥条件是125℃，10分钟。重复操作若干次，然后在大气中烧结30分钟排胶，再在约含10%H2的气氛中，在450℃还原，接着在非活性气氛中1000℃烧成。

Au 金导体

在金浆料中有玻璃粘结型、无玻璃粘结型、混合型三种。

玻璃粘结剂将Au与玻璃粉末分散于有机溶剂中制成的。但这种浆料再烧成时玻璃易浮到膜层表面，从而有使引线键合变难的倾向。

代替玻璃而加入TiO2、CuO、CdO等，与基板反应，生成CuAl2O4、Al2O4Cd等化合物，成为导体膜与基板之间的界面。这种化合物与基板形成化学结合，也属于不用玻璃粘结剂而实现导体膜与基板结合的浆料，但化合物生成温度高是难点，为此，开发了加入玻璃及Bi2O3等富于流动性的物质，使烧成温度降低的混合结合型浆料。

金属有机化合物浆料

（metallo-organic paste;MO 浆料）

通称树脂浆料，由这种有机金属化合物浆料可最终制取金属膜层。目前已有满足电子工业领域各种不同要求的各类树脂浆料。一般是在Au、Ag、Pd、Pt等有机金属的导电材料中添加Bi、Si、Pb、B等有机金属添加剂，做成液体状的Au、Ag、Pt、Au-PtPd浆料等市场出售。

树脂浆料

厚膜电阻与材料：

厚膜电阻与材料

厚膜电阻与厚膜导体、厚膜基板一样，也是厚膜电路发展最早，工艺最成熟、应用最广泛的元件之一。而制造厚膜电阻用的浆料，在电路中的应用仅次于导体浆料。目前，电阻浆料的方阻范围很宽，从1Ω/□～10MΩ/□，电性能也很好，因而可以用来制造所有阻值的厚膜电阻器，电性能和稳定性都特别优良。

厚膜电阻的结构和导电机制

结构

厚膜电阻的结构是不均匀的相结构，因为均匀的分散相，则导电颗粒被绝缘颗粒隔开，就没有电导，如果导电相浓度上升，相互连接的电导将大大地上升，出现突变。无法改变成分含量来改变阻值，故必须采用不均匀的分散相。其办法是使用玻璃粉的颗粒要求比导电颗粒要粗，这样，在湿的浆料中，每个玻璃颗粒被许多小的导体颗粒所包围。这就需要其中的玻璃在烧结过程中不完全熔化和产生流动，这时才使膜中的导电颗粒保持

链状结构。

导电机制

由于RuO2的优越性能，常用作为厚膜电阻的材料。低阻值厚膜电阻体中的RuO2在烧结过程中相互连接，形成网络结构，构成导电通路。但在高阻值情况下RuO2并不连接在一起。

厚膜电阻的主要参数及基本性能

• 厚膜电阻器电特性的主要参数：

1. 方电阻

2. 电阻温度系数

3. 非线性

4. 噪声和稳定性

方电阻

方电阻简称方阻，也称膜电阻。它是指厚度均匀的一块正方形膜，电流从一边流向另一边时所具有的阻值。用Rs表示，单位为Ω/方或Ω/□。

根据上面的方阻定义，可以得出方阻Rs与膜厚度t及材料电阻率ρ的关系。对于下图所示的任意一块厚膜，其电阻值R可用下式来表示：

ρ为电阻膜的体积电阻率（Ω•cm）；l为膜的长度；s为膜的横截面积；w和t分别为膜的宽度和厚度。

如果膜的长宽相等，即为正方形时，l=w,则上式变为 根据方阻的定义，此时膜的电阻R即为方阻Rs，因此

方阻的大小只与膜材料的性质（ρ）有关，而与正方形膜的尺寸大小，即正方形的大小无关，因而方阻Rs表征了厚膜的电阻特性。引入方阻后，3.1式的电阻值可写成：

式中：N是电阻膜的长宽比，称为方数。

一般厚膜电阻的阻值由材料的方阻Rs和膜的几何尺寸决定，可以通过不同方阻值的厚膜材料和不同尺寸大小来达到所需的阻值。

对于一种厚膜电阻材料，例如RuO2电阻材料，希望它的方阻范围越宽越好，这样可以满足电路中各种阻值的要求。

电阻温度系数

电阻温度系数是表征厚膜电阻器阻值稳定性的一个重要的参数，它反映了阻值随温度变化的特性。电阻温度系数通常用TCR来表示，它表示温度每变化1℃Rs时，电阻值的相对变化，即：

式中，R1、R2分别为温度T1和T2时的阻值。T1通常为+25℃，而T2目前规定为+125℃或-55℃。

+25℃～+125℃范围测量的TCR称为正温TCR，而在+25℃～-55℃范围测得的TCR为负温TCR。温度系数单位用ppm/℃（即10-6/℃,百万分之几来表示）。

希望材料或电阻器的TCR绝对值愈小愈好，最好接近于零。这样，阻值几乎不随温度而变，因而性能稳定。TCR的大小与多种因素有关，主要有：

①厚膜材料的种类、性质；

②制造工艺；

③测量温度范围；

④基板的热膨胀系数等有关。

方阻低的浆料，TCR具有较大的正值（因为导电材料含量较多，玻璃含量较少，所以温度特性以金属导电颗粒的TCR作用为主），高阻浆料，TCR有较大的负值（因为玻璃含量多，温度特性以玻璃层的势垒电阻的负TCR为主要作用），而中等方阻的浆料，TCR有较小的正值或负值（两种电阻（颗粒和势垒电阻）的TCR作用接近）。

电阻温度系数跟踪

所谓温度系数跟踪，或跟踪温度系数，是指在电路的工作温度范围内，电路中各电阻器间TCR之差。例如，电路中两个电阻器R1和R2之间TCR跟踪，即为两个电阻器TCR之差：TCR1-TCR2。

跟踪温度系数的大小反映了电路中各个电阻器的阻值随温度变化的一致性是否良好。如果各电阻器间阻值随温度变化的一致性好，则跟踪温度系数（或温度系数跟踪）就小，反之则大。

为了使电路中的电阻间的跟踪温度系数小，应尽量采用阻值-温度特性相一致的浆料。

厚膜电阻的非线性

厚膜电阻的非线性是指加在电阻器上的电压与通过电阻器的电流不成线性关系（即正比关系）的一种特性。

电压U与电流I的比值 不是常数（不符合欧姆定律），这时电阻的阻值 与外加电压有关，在厚膜电阻器中，R通常随外加电压的增加而减小。其原因是上面所讲的厚膜电阻器的导电机制所决定。厚膜电阻的非线性可用三次谐波衰减和电压系数来衡量。电压系数的定义是：在规定的外加电压范围内，电压每变化1伏时，阻值的平均相对变化，

式中，R1和R2分别为电压V1和V2时的阻值；V2为电阻器的额定电压（由电阻器的功率和最高工作电压：     ）而V1=0.1V2。

厚膜电阻的噪声

电阻器的噪声是一种电噪声，它是产生在电阻器中的一种不规则的微小电压起伏。这种噪声对正常信号是一种干扰，通过声-电系统转换后，就成为我们耳朵所能听到的噪声。

电阻器的种类不同，产生的噪声也不同，即热噪声、1/f噪声和突发噪声。

①热噪声

热噪声是由导体中自由电子不规则的热运动所产生的一种噪声。这种噪声是因为电子的热运动引起的，故称热噪声。

②1/f噪声

1/f噪声是厚膜电阻器在音频范围内产生的一种噪声，由于单位频带宽度中的噪声电势（称为噪声频谱密度）与频率f成反比，故称1/f噪声。这种噪声也称电流噪声或接触噪声，因为它在颗粒状结构的导体或存在接触电阻的情况下，并且只有在通过电流时才产生。

1/f噪声产生是由电阻器导电链中，导电颗粒之间隧道电流的涨落（起伏）造成的，而隧道电流的涨落由隧道势垒高度的起伏所引起。这是因为导电颗粒之间的玻璃薄层在厚膜电阻器的烧成过程中存在大量缺陷，因而大量电阻陷阱，能够不断地俘获和释放电子，在外电场存在而产生电流时，这种起伏便构成了电流噪声或1/f噪声。

1/f噪声与非线性一样，与电阻器的材料、种类和结构有关，它反映了电阻器制造质量的好坏，因而通过1/f噪声的大小也可判断电阻质量的好坏。

③突发噪声

厚膜电阻器中除了热噪声和1/f噪声外，还有一种突发噪声。这种噪声实际上是一些不规则的脉冲波，它主要产生在电阻膜中的高场区或高电阻率（高方阻）的厚膜材料中。

原因：

导电链中导电颗粒之间存在所谓的“临界导电玻璃层”，所谓临界导电玻璃层是指这种玻璃层比一般的玻璃薄层厚，而不完全导电，处于导电与不导电临界状态。故称为临界导电玻璃层或临界导电绝缘层。当导电颗粒被这种玻璃层隔开时，导电链主要取决于这种玻璃层。它在低场强下显示出很高的电阻，而在高场强下，这种电阻就大大减小，呈现出较大的非线性。如果这种玻璃层中存在能够释放和俘获电子的产生-复合中心，那么产生-复合中心释放和俘获电子的结果，便会使势垒发生变化，在局部高电场存在时，引起隧道电流的涨落，产生突发噪声。

电阻器的热噪声和1/f噪声称为正常噪声，突发噪声主要跟厚膜电阻材料和电阻器制造工艺有关，它通过混合和分散均匀可以减小和消除。

厚膜电阻材料

• 厚膜电阻材料可分为

。贵金属

。贱金属

。聚合物

Pd-Ag电阻材料

最早的一种玻璃釉电阻材料

组成：Pd粉、Ag粉和硼硅酸玻璃粉混合制成。

各成分的作用：

Pd粉在烧成过程中生成PdO,PdO起主要的导电作用，它的生成决定了电阻器的性能。Ag粉的加入有二个作用：i.改善电阻器的性能（可减小TCR和噪声）；ii.降低阻值获得低阻。玻璃用作粘结剂，可用来稀释导电相，调整阻值，另外对TCR也有影响。

Pt族电阻材料

Pt族电阻材料主要是指用Pt、Ir（銥）、Rh（铑）等贵金属作电阻的材料。

这类贵金属材料由于性能稳定，所以制成的电阻器性能也很好。在各方面都比Pd-Ag电阻好。但由于价格很贵，所以只在一些特殊场合使用。

RuO2电阻材料

为了降低成本，还出现了钌酸盐材料，如钌酸铋、钌酸铅等

贱金属厚膜电阻材料

以贱金属作厚膜电阻的材料种类较多，主要有各种贱金属氧化物，MoO2、SnO2等、氮化物，如TaN-Ta、TiN-Ti等，硅化物，如MoSi2、TaSi2等，碳化物，如WC-W等。但这些材料的性能大部分还不大理想，制成后的性能也不够好，有些材料还要在中性或还原性气氛下烧成。总体来讲能够实用性的还不多。现大多采用RuO2材料。

聚合物厚膜电阻材料

聚合物电阻材料是非金属碳为导电相，树脂为粘结剂的一种电阻材料。它跟前面导体材料中的聚合物导体材料类似。浆料低温聚合固化，工艺简单，可用各种基板，成本很低并使用于自动化生产，目前不仅在民用产品中获得广泛应用，而且也应用到军用产品中。

①材料组成

导电相通常采用碳黑和石墨，低阻中掺入少量银粉。不同方阻除了改变碳黑和石墨及树脂含量外，还应选用不同种类的碳黑材料。

②特点

方阻范围宽（10Ω～1MΩ）；TCR较小（≤-300ppm）,噪声和耐磨性好；成本低，大大低于玻璃釉电阻器。

厚膜介质材料

1）用途

厚膜介质主要用来作：①厚膜电容介质；②多层布线和交叉布线介质（即隔离介质）；③电路中的保护层和包封介质等。

2）要求

厚膜介质中，各类介质用途不同，对其要求也不同，但总的有一些共同的要求：①绝缘强度高；②绝缘电阻大；③损耗小；④电容温度系数小；⑤适合丝网印刷；⑥多次烧结不变形，气孔率小；⑦热膨胀系数与其它的相匹配，多次烧结不变形；⑧和导体相容性好；⑨粘附性好等。

3）组成

厚膜介质浆料是由陶瓷粉、玻璃粉和有机载体等组成。陶瓷粉是功能相，起介电作用的材料，而玻璃除作粘结剂外，还起到减小介质膜的气孔作用（含量多会减少介电常数。载体的作用与其它相同。

4）交叉和多层布线介质的构成和作用

在高密度布线中，交叉和多层布线用的比较多，因厚膜电路中多层基板三层以上成品率就开始急剧下降。从而成本增加。超过三层以上多用厚膜多层法。用于交叉和多层布线介质大多是结晶玻璃或者玻璃-陶瓷介质。

晶化玻璃（结晶玻璃）是在玻璃基质中加一定的氧化物添加剂。

这种玻璃加热到高于软化点温度时，氧化物添加剂使玻璃成为不透明的。当介质膜第一次被加热到玻璃的软化点和烧结后，在冷却固化时，产生微晶而玻璃变成不透明的，当再次加热时，玻璃的软化点因微晶存在而提高，因而不再流动，除非加热温度超过原来的烧结温度。

晶化玻璃常用的材料是钡硅酸铅玻璃，加入钛或铝的氧化物溶于其内，将来分离出来的结晶相为铝硅酸钡和钛酸铝。晶化玻璃是在玻璃相中产生晶相而形成的，它将使玻璃介质的软化温度范围变窄，以及产生无定形玻璃相所不能获得的优点：①热膨胀系数小；②机械强度大；③电性能提高等。

釉面材料

介质釉面材料是在较低温度（550℃左右）下烧结的非晶玻璃，它是对制成的厚膜元器件（厚膜电阻、电容等）提供保护，以免受到机械碰伤或外界环境的污染（如水汽）。将制成的厚膜元器件或整个厚膜电路印刷一层釉面浆料，烧成后便形成一层保护层。

3.4、薄膜技术

薄膜技术是一种减法技术，在整个基板上覆几层金属膜，一些不需要的部分被光刻掉。用光刻工艺形成的图形比厚膜工艺能够形成的线条更窄、边缘更清晰。这个特性促进了薄膜技术在高密度和高频领域的应用。

典型的薄膜电路是由在一个基板上的三层材料组成。底层有两个功能：一方面它是电阻材料；另一方面它提供了与基板的粘结。中间层是通过改善导体的粘结或是通过防止电阻材料扩散到导体而引起电阻层与导体层之间界面作用。顶层起导体层作用。

溅射

溅射也称溅散是在基板上淀积薄膜常用的方法。溅散是一种物理过程，靶（作阴极）被高能正离子轰击，转变能量，进行能量传递，把靶材的粒子弹出。这种溅射的粒子在阳极或接地的支架夹持着的基片上淀积成薄膜。

蒸发

蒸发淀积是在较高的真空中加热一种材料，以至于它的蒸发压力超过周围环境的压力，使它能很快地蒸发。

从一个点状源蒸发，蒸发出来的原子密度可以认为距法线呈余弦分布。所形成的膜中间厚，边缘薄。所以待成膜的基板放在转盘上，以获得厚度均匀的膜层。

蒸发与溅射工艺的比较

薄膜溅射明显地优于蒸发淀积，并且正迅速地作为商业生产工艺取代蒸发淀积。其优点如下：

①溅射膜比蒸发淀积膜对基片有更强的附着力。这是由于溅射原子撞击基片时有很高的动能；

②溅射膜更密、更均匀；

③溅射工艺更通用。靶材除了纯金属外，可以是合金或复合材料。例如，可以使用镍铬靶的各种比例作为各种面电阻率的电阻膜。与蒸发淀积不同，溅散很少有或不会有分镏发生（组成合金的各金属由于蒸发温度不一样，蒸发温度低的蒸发快，造成蒸发膜的成分与合金成分不同）；

④导体（金属、合金）或非导体，介质、绝缘体（要用射频溅射设备）膜都可以淀积；

⑤此工艺也可逆向使用，用于清洁基片表面或刻蚀细线。在这种情况下，基片短期作为阴极。

⑥淀积速率、膜的厚度和膜的均匀性能更好地控制。

电镀

电镀是把待镀的金属作为阳极，将欲镀此金属的零件作为阴极，悬挂在内有导电溶液的电解槽中当施加外电压时，在阳极电子离开金属电极，形成金属离子，并进入到溶液中，在电场的作用下向阴极运动，在阴极零件表面上的电子中和了溶液中镍离子上的正电荷，最终的结果是金属镍沉积到零件表面。用这种方法可以把大多数金属镀在导电表面上。

典型的电镀过程包括电镀前零件表面的清洗和漂洗，以去除零件表面的污染物（如油污等）。清洗质量，也就是说表面的洁净状况直接影响镀层质量。另一个影响镀层的因素电流密度分布。

在电镀过程中，可以发现零件上镀层的厚度不一样。距阳极较近的部分镀层将会较厚。在图中所示电力线从阳极流向阴极，在靠近边缘的地方和零件外角的地方较密集而在零件底部和内角处较稀疏。这些电力线代表了电流密度或电缆集中的程度。要想在整个阴极上获得均匀的电流分布是极端困难的，在实际电镀中很难实现。盒型零件的外角处的电流密度可能是内角处的10倍之多，因而金属层的厚度可能相差10倍。

光刻

在光刻工艺中，基板上涂一层光敏材料，紫外线透过在玻璃上形成的图案对光敏材料进行曝光。光刻胶可以是正性或负性，正性光刻胶较为常用，因为它对于蚀刻剂材料有更高的抗蚀性。不需要的材料，即没有被光刻胶保护的部分，可以通过“湿法”（化学）刻蚀来去除，也可以通过“干法”（溅散）刻蚀去除。

化学刻蚀仍然是薄膜刻蚀的最常用的方法，但许多制造商用采用溅射刻蚀。在这项技术中，基板覆盖上光刻胶，与化学刻蚀完全一样的方法露出图形。接着将基板放置于等离子体内，加上电位。实际上，在溅散刻蚀过程中基板起靶的作用，气体离子轰击薄膜的暴露部分除去不需要的材料。光刻胶膜比溅散的薄膜厚很多，故它是不受影响的。

溅射刻蚀比化学刻蚀有两大显著优点：

①不存在薄膜的钻蚀问题。气体离子近似地以余弦分布即相对于基板成法线方向轰击基板。也就是说实际上没有离子切线地轰击薄膜。这样膜的侧面平直。而化学刻蚀工艺在切线方向上刻蚀速度同法线方向的一样，从而导致与薄膜厚度相等的钻蚀。

②不再需要刻蚀膜的化学物品，减少了对人的危害和环保处理。

薄膜材料

薄膜电阻

用来制作薄膜电阻的材料必须扮演双重角色，即它们还必须提供对基板的粘结，这样，就会减少对那些形成氧化物材料的选择。

电阻膜开始形成时，是处于基板的瑕疵或不规则处附近的单独点，这些地方可能存在过剩的断氧键。这些点扩大成为岛，接着形成连续的膜。这些岛接触区域称为晶界，是电子碰撞的来源。存在的晶界越多，TCR越负。

此外，激光调阻在这种没有玻璃结构里也不会造成裂纹，并且在薄膜中不存在电阻漂移的固有机制。因此薄膜电阻比厚膜电阻有更好的稳定性、噪声水平及TCR特性。

最常用的电阻材料镍铬耐热合金（NiCr,这种材料也常作为电炉丝材料）、氮化钽（Ta2N）和二硅化铬。

尽管NiCr优良的稳定性和TCR特性，如果不用溅散的石英或蒸发的一氧化硅（SiO）钝化，它对潮湿引起的腐蚀非常敏感。

Ta2N可以通过直接把膜在空气中烘烤几分钟就可以钝化，这个特点已经使Ta2N代替NiCr合金的使用增加，特别是在军事领域。钝化的Ta2N的稳定性可与NiCr合金相比，但TCR稍差，除非在真空中退火几个小时以消除晶界的影响。

Ta2N工艺由于其稳定性很高而得到最广泛的应用。按照这种工艺，在溅散过程中在Ar中掺N2，这样氮与钽原子反应生成Ta2N。在大约425℃把膜在空气中加热10分钟，在Ta2N上形成TaO膜，可以在相当高的温度下减少氧的进一步扩散。这层膜有助于维持Ta2N膜的成分并使电阻值稳定。

阻挡材料

当金用作导体材料时，金与电阻之间需要一种阻挡材料，因为金直接淀积在NiCr合金上时，Cr具有一种通过金扩散到表面的倾向，既影响引线键合，也影响芯片的共晶键合。为了减轻这个问题，在NiCr上淀积薄薄一层纯镍，同时镍还可以显著改善表面的可焊性。

金与Ta2N2的粘接是非常差的，为了提供必需的粘结性，可以在金与Ta2N之间加入薄薄一层90Ti/10W。

导体材料

金有很高的化学稳定性，因而是薄膜混合电路中最常用的导体材料。在某些情况下，也常常用到铝和铜。它们可以直接与陶瓷基板粘结，而金需要一个或几个 中间层，因为它并不能形成粘结所必需的氧化物。

薄膜基板

虽然在薄膜淀积过程中，也要给基板升温，但这个温度相比于厚膜烧结温度要低得多。这样，就使薄膜工艺可选择的基板材料更多，可以使用像玻璃和低温陶瓷这类材料。

最好的材料是高纯（99.5%）氧化铝，即蓝宝石，氧化铝的一种，使用在重要的高频领域。用作薄膜基板必须具有比厚膜更平整的表面，CLA（表面粗糙度的中线平均值）大约0.6～1.02μm。烧结后的基本要优于抛光的基板，因为在抛光过程中往往带来表面的麻坑。

光洁的表面对得到一致和可靠的产品是分成关键的。因为即使是达到0.6～1.02μm，淀积膜的厚度仍远远小于表面起伏，这样电阻的稳定性就会变差。此外，导体在有污点的地方会比较薄，将导致引线键合和芯片粘结的失效。

某些新材料，例如AlN，一开始更适合用在薄膜工艺中，因为不需要对基板进行特殊处理。

厚膜与薄膜的比较

尽管薄膜工艺提供了较好的线条边缘清晰度，更小的线条几何尺寸以及更优良的电阻特性，但是它与厚膜比较而言有以下几个缺点：

①由于要增加更多的操作，薄膜工艺几乎总比厚膜贵。只有当许多薄膜电路能够制造在单个基板上时才能使薄膜工艺在价格上有竞争力。

②很难制作多层结构。它们能够用多层淀积和刻蚀工艺，但这种工艺十分昂贵，并且是劳动密集型工艺，因此只限于很少的应用中。

③在大多数情况下，由于受限于单一的方电阻率，这样制造大阻值和小阻值的电阻时都需要大面积的区域。一是薄膜材料的方电阻率本身低，二是更换其它合适的方电阻率材料不如厚膜那么容易，花费的成本也高。

常用的做法是在厚膜基板上的性能或空间有局限的地方利用薄膜电路。