影响厚膜导体附着力的几种因素

杨伊杰，吴润霖

（甘肃天水七四九电子有限公司，甘肃 天水 741000）

1 引言

厚膜混合集成电路以其组件参数范围广、精度和稳定度高、电路设计灵活性大、研制生产周期短、适合于多种小批量生产等特点，与半导体集成电路相互补充、相互渗透，已成为集成电路的一个重要组成部分。厚膜混合集成电路基板采用Al2O3陶瓷、BeO陶瓷等，散热性能极好。另外，厚膜导体还具有以下优势，因而得到广泛运用，市场前景越来越好：（1）电导率高，膜层厚，导体方阻小，在大电流冲击下引线损耗小；（2）厚膜导体附着力好，尤其在大功率芯片烧结、共熔焊、再流焊和锡焊等组装工序和电路老化后，厚膜导体附着力仍然符合要求；（3）可焊性好，可满足芯片烧结、丝焊、共熔焊、再流焊和锡焊等多道组装工序的要求；（4）在长期电流冲击下，机电性能仍然良好；（5）厚膜混合集成电路集成度高，附着力强，组装灵活，生产周期短，制造成本低。

公司的厚膜混合集成电路产品在做剪切强度测试时曾经出现了焊盘脱落现象，这使我们的厚膜混合集成电路产品合格率大大下降，对厚膜混合集成电路产品质量带来很大隐患，直接关系到厚膜电路组件的使用寿命，后果相当严重。为了解决附着力变差的问题，技术人员做了大量的工作，进行了技术攻关，从选择厚膜导体浆料、印刷工艺、烧结工艺、焊接工艺、清洗工艺等入手，终于找到了原因。

2 厚膜导体浆料

厚膜导体浆料的主要功能是在信号线中导通电流，在导体层之间、在元器件和电路线之间形成电通路。厚膜导体浆料中含有多种成份，对厚膜导体附着力及可焊性都起着决定性作用，但有时也相互矛盾。比如，在厚膜导体浆料银钯中，银含量增加，电阻率降低，可焊性提高，抗焊料侵蚀能力（附着力）下降，成本降低；钯含量提高，抗银离子迁移能力增强，抗焊料侵蚀能力（附着力）提高，电阻率增大，成本增大。

对用于厚膜混合集成电路和电阻网络的厚膜导体浆料的主要性能要求是：印刷性好、可焊性好、附着力强、与电阻浆料匹配性好、细线分辨率高。因此，选择合适的厚膜导体浆料是很重要的。我们用杜邦的6177银钯浆料跟合肥圣达的SD1210（20% Pd）在2mm×2mm焊区上都做了附着力试验并进行比较。结果发现，这两种浆料的附着力都大于58.8N（厂家要求的老化前的附着力为39.6N），而且焊盘没有脱落现象。经过长期使用比较，杜邦的6177银钯导体浆料（15%Pd）、5715H（Au）印刷性好、可焊性好、附着力强、与电阻浆料匹配性好、细线分辨率高，可以满足厚膜混合集成电路和电阻网络产品的性能要求。

3 印刷工艺和烧结工艺

印刷厚膜导体浆料是厚膜混合集成电路制造工艺的第一步。厚膜导体浆料印得越薄，其导体附着力越低；反之，厚膜导体浆料印得越厚，其导体附着力越高，但要增加制造成本。一般，银钯导体的干膜厚度都控制在15μm～20μm，金导体的厚度控制在11μm～15μm，。

3.1 烘干、烧结工艺

厚膜导体浆料经印刷后,放置5min（流平）后,置于150℃的带式隧道炉中烘干，时间约为15min；再置于850℃带式隧道烧结炉中烧结。600℃以上保持30min，800℃以上保持20min，850℃保持8 min～10min。在高温时保持时间不宜太长，否则玻璃上浮到厚膜导体表面，会降低厚膜导体附着力和可焊性。

有些情况下，新印完的基片在提高温度干燥前，室温下晾干一到几小时能得到更好的结果。这样可平缓地去掉溶剂并流平，减小浆料的流动和尺寸的变化，避免产生气泡。

印刷厚膜导体浆料、介质浆料和电阻浆料后，要进行流平、烘干及烧结，其工艺及作用原理如表1。

为了确定烧结曲线是否合适，我们做了烧结炉 的温度曲线，从温度曲线上看出最高温度为856℃，850℃以上温度保持时间为9.8min，都在规定的范围之内。而且，经过计量，烧结炉的显示温度跟实际温度基本一致。从所做的温度曲线也可以验证显示的炉温是正常的。

3.2 瓷片的清洗

在这次试验中，我们还做过瓷片清洗的对照试验。公司的瓷片清洗一直用的是Ⅰ号洗液，离子水:双氧水:氨水=5:2:1（体积比），由于怀疑使用的氨水和双氧水是否合格，公司临时从其他厂调换了一些氨水和双氧水，然后跟原来的试剂进行清洗对比试验，经附着力试验后发现这两种牌子的试剂清洗后没有明显的变化。由此排除了瓷片清洗的问题。

从以上所做的试验可以看出，我们的瓷片清洗、烧结炉的温度曲线都没有问题，这几种可能影响导体附着力的因素都被一一排除了。下面我们将重点放在再流焊的焊接工艺上。

4 再流焊焊接工艺

厚膜混合集成电路进行再流焊时，其焊膏应选择含银的焊膏，含银的焊膏可大大减少“吃银”现象。因为，含银的焊膏可大大避免厚膜导体中银粒子扩散、侵蚀、迁移到再流焊焊膏中去。一般可选择含银2%左右的焊膏。

厚膜混合集成电路再流焊焊接温度应按照再流焊焊膏的技术要求和再流焊炉的具体情况设定，比如，熔点为180℃的再流焊焊膏，厂家给的参考温度是220℃～230℃，但经过我们大量的试验和摸索，再流焊焊接温度应设定在210℃左右，不能过高和过低。再流焊焊接温度过高，容易使厚膜混合集成电路在焊接时“吃银”；而再流焊焊接温度过低，焊接性能不好，则容易出现厚膜混合集成电路产品假焊，留下质量隐患。

厚膜混合集成电路在焊接时，再流焊焊接速度也是影响厚膜导体“吃银”的重要方面，再流焊焊接速度过低，则厚膜导体附着力降低，特别要防止在焊接时，将厚膜混合集成电路产品停留在再流焊传送带上焊接、返修；而再流焊焊接温度过高，焊接性能不好，则容易出现厚膜混合集成电路产品假焊。一般，厚膜混合集成电路再流焊焊接速度应保持在200mm/min～300mm/min。

再流焊完成后，我们按照GJB548方法2019做组件的剪切强度试验，剪切强度的示意图如图1所示。

表2～表5是在不同的温度和链速下焊接后做剪切强度试验的数据。

（1）红外再流焊炉炉温250℃，链速标值2.6，0805片式组件，见表2。

总共有36个焊盘，其中一个焊盘脱落的有12个，占总焊盘的33.3%；两个焊盘都脱落的有3个，占总焊盘的8.3%。

（2）红外再流焊炉炉温230℃，链速标值2.6，0805片式组件，见表3。

总共有36个焊盘，其中一个焊盘脱落的有8个，占总焊盘的22.2%；两个焊盘都脱落的有2个，占总焊盘的5.5%。

（3）红外再流焊炉炉温210℃，链速标值2.8，0805片式组件，见表4。

总共有36个焊盘，没有焊盘脱落。

（4）红外再流焊炉炉温185℃，链速标值2.8，0805片式组件，见表5。

总共有36个焊盘，其中一个焊盘脱落的有13个，占总焊盘的36.1%；两个焊盘脱落的有9个，占总焊盘的25%。

从以上的数据我们可以看出，温度和链速确实对导体膜的附着力有很大的影响，温度过高和过低都是不行的。这是因为焊膏的融化是瞬间的，只要在适宜的温度下能充分融化，它就在焊膏和导体膜之间形成一层合金层，它的剪切力就能达到要求；如果温度过高，链速太慢，导体膜在高温区停留的时间过长，焊膏就不断侵蚀下面的导体膜层，也就是不断地“吃银”，直到吃完，所以在做剪切强度测试的时候焊盘就脱落了；同样，如果温度过低就容易形成假焊，导体膜也容易脱落，剪切力也会不合格。一般来说，导体膜在高温区的时间不超过10s。

现在我们使用的再流焊炉温设置在200℃～220℃，链速标值设置在2.6～2.8。我们在实际使用过程中，需要根据焊接组件的多少及瓷片的大小设置一个合适的值。而且，焊膏的熔点随着Sn含量的不同而稍有不同，在每次来了新焊膏以后，我们都必须重新调试焊接温度，以保证产品质量的一致性。

5 超声清洗

在成膜基片焊接完无源组件后要进行超声清洗，从我们此次的工艺攻关看，超声清洗对导体膜的附着力也有一定的影响，清洗后附着力会变差。在此就不详细列举了。

6 结论

从前面的分析可以看出，影响导体膜附着力的因素很多：瓷片的清洗、印刷的膜厚、烧结温度曲线的设置、焊接温度和速度、超声清洗等都会影响导体膜附着力。在具体使用过程中，我们要根据实际情况，灵活设置参数，就可以使导体膜的附着力大大提高。

［1］James J.Licari，Leonard R.Enlow.混合微电路技术手册[M].北京：电子工业出版社，2004.

［2］GJB 548.微电子器件试验方法和程序[S].