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    厚膜燒結工藝概述

    來源:西安欣貝電子科技有限公司 作者:超管 時間:2021/8/26 11:32:38 瀏覽:929 << 返回

    本文闡述燒結現象及燒結過程,從燒結工藝原理出發,提出制定燒結規范的方法和有關原則,為獲得良好的成品率,提供最佳燒結條件。

    一、前言

    在厚膜混合集成電路制造中,燒結是十分重要的工序。在基片上干燥過的厚膜元件必須經過燒結,才具備一定的電性能。例如,厚膜電阻在印刷、干燥后,如果不經過燒結,并不具有電阻的特性,即無一定的電阻值。因此,燒結工序是厚膜技術區別于薄膜技術的特性工序。雖然,厚膜電阻的特性主要取決于厚膜材料的性質及組成,但是,燒結是決定性的。其重要條件是燒結溫度。只有在最適宜的條件下燒結,才能得出所用材料的最佳性能。因此,燒結時賦予厚膜元件“生命”的關鍵性工序。所以,厚膜元件及其集成電路的各種特性,絕大部分取決于燒結。

    各種厚膜元件的燒結溫度在600~1000℃之間。而且必須在短時間內達到燒結溫度。在生產中,為了得到預定的性能指標,并獲得良好的成品率,應當探求燒結規律,且能準確地控制其再現性;同時,正確地供給空氣或其它氣氛,和控制排氣,使揮發燃燒的有機物不致污染厚膜,惡化其性能。

    二、燒結及其現象

    燒結,主要是指固態物質的燒結。在燒結中要產生復雜的物理化學變化過程,當固態顆粒被置于適當高的溫度下時,由于燒結的作用,使其產生收縮,多孔性大大減少,密度和機械強度大大提高,如圖1所示。

    圖1 厚膜在工藝中的變化

    燒結過程中,固體顆粒受熱,柸體內的空隙被排除而體積收縮,在密度和機械強度得到提高的同時,使晶體缺陷減少,晶粒長大,而且晶粒的比表面,自由能將相應降低。所以,一般以收縮率,氣孔率、表面狀態等,作為衡量燒結質量的指標。

    歸納起來,燒結現象有以下幾點:

    (1)          由于被燒結體在燒結過程中要發生一系列物理和化學變化,因而燒結體在外觀、結構、性能方面都要發生變化。

    (2)          在燒結時,燒結體的各種變化速度不一樣,各種變化對燒結的各個因素的敏感性也各不相同。因此,為得到良好的性能及重復性,必須嚴格控制燒結條件。

    (3)          在燒結時,燒結體的變化十分復雜。因此不同的材料和原件的燒結條件各不相同。應該指出,最佳燒結條件并不容易掌握和控制,對于具體材料,原件要具體分析,最佳燒結條件需要通過多次試驗才能加以確定。

    (4)          燒結對材料的要求有三:①要選擇對燒結因素變化不敏感的材料,以獲得優良的重復性,方便生產。②要選擇適當的材料組成,以獲得良好的工藝性,以縮短生產周期。③要考慮設備和工藝條件的可能性,應盡量選擇那些燒結溫度不太高的材料,以節省能源,降低成本。

    (5)          對于厚膜元件厚膜混合集成電路的燒結,并不是一般粉末的燒結。不但要求它成為最大密度和最高機械強度的整塊結合,而且要求它牢固地附著于基片上,并且有一定的電性能。顯然,厚膜的電性能取決于厚膜結構和成分。因此,厚膜燒結與一般的粉末燒結雖無本質區別,但要求和表現卻不相同,這就是厚膜燒結的特殊性。

    (6)          從工藝上平價燒結質量的好壞,主要依據厚膜元件的特點和對其性能的要求。在生產中,通常測定使用有決定意義的性能參數,據此判斷是否燒結良好,或是否達到預期燒結目的。

    (7)          對于粉末燒結,粉末特性相當重要。同一組成的材料,如果粉末的制取方法和處理工藝不同,燒結后的材料性能也不同。在大多數情況下,燒結后的性能并不決定于所用材料,而決定于粉末的性質。粉末性質包括粒度,粒度分布,顆粒的形狀,表面狀態及內部的晶格結構等。

    三、燒結過程

    燒結過程分為四個階段:如RuO2和Pb2Ru2O6電阻漿料和燒結。

    1.       燃燒階段

    在此過程中主要粘合劑的揮發,分解和燃燒。一般在300~400℃溫度區或到350℃就基本完成。

    電阻在燒結過程中當氧氣供應充足時,有機物反應如下:

    有機物+O2→CO2↑+H2O

    當空氣不足時有機物的反應如下:

    有機物+O2→CO↑+CH4↑+H2O=C+CH3OH……

    上述生成物將與(Ru)發生化學反應,反應如下:

    RuO2+C→Ru+CO2↑

    RuO2+2CH3OH→3Ru+2CO2+4H2O

    因此,電阻燒結時,為了滿足這一特定條件下的反應,必須供給充足氧氣。為了充分燒盡高分子化合物,避免厚膜表面形成氣泡、鼓起,升溫速度不能太快,通常以50~100/為宜。

    2.       玻璃軟化階段

    當溫度升高到玻璃軟化點后,玻璃料開始軟化,逐漸融熔融,一般溫度為480~550℃左右。玻璃釉熔融并浸潤導電相,使它均勻分布在厚膜中,還將厚膜粘結在基片上,并起覆蓋密封作用。

    3.   電阻燒成階段

    玻璃熔融后,由于玻璃對導電相顆粒的濕潤和塑性流動,顆粒之間的吸附,顆粒相互“粒結”起來,構成了所謂的“鏈狀結構”。如圖2所示。

    微信圖片_20210826110404.jpg

    4.   冷卻階段

    經過最高燒結溫度保溫一定時間后,可以按降溫速度降溫,使其冷卻至環境溫度。在此過程中,玻璃逐漸硬化,到550℃左右基本完全凝固。將膜固定并牢固附著在基體上。

    四、燒結工藝

    確定厚膜產品的燒結規范十分重要,在規范中主要包括升速度,最高燒結溫度,保溫時間,將速度和方式,以及氣氛等。這些條件的確定除與原料成分、加工粉碎情況、成膜方式、固相反應過程有關外,還與燒結爐結構,加熱方式、裝爐情況有關。

    合理的燒結規范,應以燒結速度快,周期短,質量好為原則。在保證厚膜產品質量的前提下,力求省時節能,所以,能否獲得優質廉價的厚膜產品,是評價燒結規范合理與否的標準。

    現從工藝原理出發,提出及制定燒結規范的方法和有關原則。

    1、 升溫度速度

    在厚膜燒結中,從室溫升至最高燒結溫度的敬意,稱為升溫時間,在保證厚膜性能要求的情況下,升溫期盡可能短。由于升溫速度主要影響燒結的各種反應,所以升溫太快,有機物劇烈揮發,形成氣泡和針孔。由于升溫時間太短,有機物燃燒不盡,影響膜的性能和性質。不過,升溫速度也不能太慢,否則將影響生產率。

    一般是,對于大片,結構復雜和多層厚膜產品,升溫速度慢一些,以免局部溫差過大,脹縮不一而導致變形、分層、龜裂等。對于多片疊燒或埋燒的小片產品,由于傳熱比較均勻,升溫度可快一些。

    2、 最高燒結溫度與保溫時間

    最高燒結溫度與保溫時間二者相互制約又相互補償。調整兩者數值,可達到一次經歷發展成熟,晶界明顯,無過分二次結晶,收縮均勻,氣孔極少,致密度最高等。

    1) 最高燒結溫度的確定

    在實際生產或燒制研究中,對厚膜漿料高燒結溫度的確定,主要依據綜合熱分析實驗數據。因為厚膜漿料的成分,顆粒的粗細,配比,成膜與密度,摻雜相與用量等的混合與分布情況,都與其最高燒結溫度密切相關。

    應在一定范圍內選擇最高燒結溫度。對于結晶能力強,燒成溫區窄的厚膜,先用范圍的下限,且適當增長保溫時間;對于組成復雜,結晶能力較弱,燒成溫區較寬的厚膜,可選擇溫度范圍的上限,而適當縮短保溫時間,節約能源。

    2) 最高燒結溫度與保溫時間的關系

    對于多數厚膜元件,在燒結后期的再結晶過程,主要受擴散傳質機構制約,其粒界移動速度V與絕對溫度T成指數關系:

    V=V0esp(-b /T)

    式中:V0—頻率因子,與界面能,界面曲率等關系密切,與溫度關系不太大。

          b—激活能有關的系數。如果一次晶粒長大時,粒界移動的平均距離為X,則:

    X=Vt=V0texp(-b /T)

    式中:t—擴散時間,可認為是相應的燒結時間。如將上式中的T換為T0,則可得出最高燒結溫度T0與保溫時間t的關系:

    t=t0exp(-b /Tf)

    式中:t0=X /V0可見,保溫時間與最高燒結溫度成指數關系,當要求粒界移動相同距離時,T0稱一變動,t就要大調整。一般,保溫時間直接影響燒結反應是否充分,厚膜結構是否均勻,以及晶體的生長情況等。對于含玻璃的導體保溫時間以短為好。因為保溫時間太長,會使導體漿料中的玻璃浮于厚膜表面,降低其可焊性和附著力。

    3、 降溫速度及其方式

    按照燒結規范,在最高燒結溫度下保溫一定時間以后,以一定速度降溫,降溫方式是指厚膜產品燒結保溫后的冷卻速度及其有關問題。因為對厚膜產品性能的要求不一,根據冷卻速度的快慢,常見的降溫方式有三種:

    1)  緩慢降溫:主要根據燒結爐子的結構,熱容量大小,采取少量供熱,按規定的速度緩慢降溫。

    2)  隨爐降溫:在保溫時間后,切數能源,隨爐自然保溫。

    3)  急速降溫:是為了使高溫時的晶相結構能盡量保持下來,避免在慢速降溫中可能出現的化合物分解,固溶體脫落,玻璃相減少,粒界過分移動、晶粒進一步長大,多晶轉變,繼續氧化還原反應,某些物質的擴散等。

    4、 燒結曲線

    改變最高燒結溫度和保溫時間,對厚膜的性能影響很大。圖3為聊算鹽系長的燒結曲線,在800~900℃范圍內燒結的效果最好,最高燒結溫度為850℃,保溫時間為9-10min,燒結周期為60分鐘。

    微信圖片_20210826110412.jpg

    4是兩種不同周期的燒結溫度變一時間的曲線圖。

    b)為短周期燒結曲線,周期為30 min最高燒結溫度為850℃,長溫速度在300~500℃之間,為100/min?,F漿料分廠引進的ISTU燒結爐采用上述曲線。

    五、影響燒結的因線

    影響燒結過程和燒結效果的因素很多,主要有:最高燒結溫度,保溫時間,燒結時的環境氣氛,以及固相顆粒的特性。

    上一篇:厚膜燒結曲線和燒結氣氛的設置
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