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)計方數(shù)的關(guān)系，推算出了不同方數(shù)下的電阻設(shè)計比例。測試了電阻的溫度系數(shù)，測量結(jié)果均小于150×10-6/℃。使用激光調(diào)值機對4種方阻的電阻進行調(diào)值，經(jīng)150 ℃、1 000 h高溫存儲，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，對新一代電路基板散熱能力(即熱導(dǎo)率)的要求也更加嚴格?，F(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，國內(nèi)外對AlN基板用厚膜電阻的相關(guān)報道較少，本文介紹了AlN基板上的電阻制作工藝，并對電阻的性能進行研究。

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)進行試驗，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，并用膜厚測試儀進行測量，燒成后即可對應(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/□，對應(yīng)的漿料型號分別為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)。印刷時將電阻濕膜厚度控制在35 μm，電阻燒成后，對電阻的激光調(diào)值特性、電阻溫度系數(shù)(TCR)及電阻穩(wěn)定性進行考核驗證。

三，燒結(jié)工藝條件

電阻漿料由導(dǎo)電相、粘結(jié)相、有機載體三部分組成。在燒結(jié)過程中，粘結(jié)相流動，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 ℃、保溫時間10 min、燒結(jié)總時間60 min。

圖2為IKTS電阻漿料印刷后的形貌，此時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，此時電阻膜層的阻值很大。在燒結(jié)時，隨著燒結(jié)溫度的升高，膜層中的有機成分逐漸燃燒揮發(fā)(在500 ℃時，有機黏合劑完全排掉)，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)計方數(shù)

為確定AlN基板用電阻阻值與設(shè)計方數(shù)的關(guān)系，設(shè)計了電阻試驗版(如圖4所示)。電阻的長度范圍為：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，測量不同設(shè)計尺寸電阻的阻值。

測量3只基片相同尺寸電阻的阻值，計算該尺寸電阻的設(shè)計方數(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)計為標稱值的80%時，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)計比例(見表1)。

五，電阻調(diào)值工藝

在實際制作厚膜電阻時，即使對漿料成分、印刷工藝、膜厚、燒成、與電極的匹配等嚴格控制，其阻值與目標值的誤差也只能達到±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，激光點距150。對調(diào)值后的刀痕形貌進行分析，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，滿足檢驗文件的相關(guān)要求。

六，電阻溫度系數(shù)測量

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

式中：R1為基準溫度下的電阻值；R2為測試溫度下的電阻值；T1為基準溫度；T2為測試溫度。對AlN基板上的厚膜電阻進行TCR測量，其中高溫溫度系數(shù)(HTCR)測試數(shù)據(jù)見表2，低溫溫度系數(shù)(CTCR)測試數(shù)據(jù)見表3。每種型號的電阻測量兩只設(shè)計尺寸不同的，由測試數(shù)據(jù)可見，設(shè)計尺寸對電阻溫度系數(shù)有一定的影響，所有型號的電阻在此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，較脆弱的導(dǎo)電鏈會斷裂或局部拉長，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，電阻層內(nèi)部的應(yīng)力為壓力。電阻層受壓力作用時，顆粒之間的接觸會更緊密，甚至增加新的導(dǎo)電鏈，從而增強了整個厚膜電阻的導(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，阻值會發(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的變化率也就越大。

按照不同的設(shè)計尺寸，在AlN基板上印刷4種方阻電阻，將電阻進行激光調(diào)值，經(jīng)150 ℃、1 000 h溫度存儲，比較溫度存儲前后阻值的變化情況。每種方阻的電阻測量5只電阻阻值，由表4～表7可見，經(jīng)過高溫存儲的電阻，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德國IKTS公司基于AlN基板開發(fā)的厚膜電阻漿料的性能進行了驗證。研究了電阻的制網(wǎng)、印刷、燒結(jié)及調(diào)值工藝，并對電阻的形貌、設(shè)計比例、溫度系數(shù)、阻值穩(wěn)定性等方面進行驗證，激光調(diào)阻后，電阻切痕寬度大于30 μm，符合外觀檢驗要求，電阻的TCR小于150×10-6/℃，經(jīng)150 ℃、1 000 h高溫存儲，阻值變化率小于1.5%。本文的研究成果，對氮化鋁陶瓷基板厚膜電阻漿料的設(shè)計及應(yīng)用有較好的借鑒作用。

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