厚膜银导体银离子迁移的试验设计要点分析

廉大桢 王社教

摘 要：文章对厚膜银导体银离子迁移试验的基本考核条件和试验方法进行了系统分析，由试验结果可知，在直流电场660 V/mm的强度下，经过介质材料和基片材料的更换，能够对银离子的迁移现象产生一定的抑制作用，实现电路可靠性的逐步提高，在具体的厚膜混合电路中，银离子迁移主要是表面界面现象的一种体现，且会直接受到材料表面界面性能等因素的影响。

关键词：厚膜银导体；银离子迁移；设计要点

中图分类号：TQ153.16 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）18-0179-02

因为银导体工艺性能和导电性，银导体通常用于厚膜混合集成电路的功率电路中，然而，因为直流、高湿、高温的电场条件下，银导体会产生因银离子迁移造成电路短路现象，进而影响电路的正常使用。，通常情况下，银离子迁移能够利用水滴试验结果进行验证，但在具体的电路运行中，怎样对银离子迁移的发生程度进行判断，仍然缺乏较为深入的研究。

1 试验设计

在偏置电场以及高温、高湿的环境下，阳极的金属银能够在化学反应的作用下逐步转化为银离子，并经迁移通道向阴极部位迁移，银离子能够在阴极处逐步生长，进而诱发漏电流过大、电路短路、飞弧或介质击穿等严重的失效现象。图1为实际应用电路产生银离子迁移现象的实例。

在具体的电路工作过程中，银离子迁移一般需要耗费较长的时间才得以产生宏观的扩散和生长现象，为了对银离子的迁移速度进行进一步的验证分析，利用水滴试验的方法进行观察分析。因为在具有较高可靠性和实际应用价值的电路中，材料表面的水汽吸附能力与水膜的实际性能具有较大的差异，同时迁移通道也较为丰富，各个类型材料的表面界面结构也不存在较大的差别，所以，模拟实际环境对银离子迁移的影响程度是一种较为合理的试验手段，实际环境主要涉及考核条件、水汽含量、迁移通道、偏置电场等。

1.1 迁移的判定依据

首先是通过电流保护进行判断，在电流达到一定水平后，电路会自动断开，依据实际情况可选择0.2 A的电流大小，也可使用较低的电流保护开关或是熔断丝。其次是直接方法对阴极的银离子生长情况进行观察，若电路阴极存在典型的离子生长现象或是电路发生断开，则可以确定银离子发生迁移，若未见上述情况，则可排除银离子迁移的可能。

1.2 考核条件

在-65℃～150℃的温度条件下进行100次循环，后在150℃的高温条件下连续1 000 h加电试验。

1.3 设置迁移通道

在偏置电压保持不变的银导体条件下，银离子迁移的唯一潜在影响因素为银离子迁移通道的材料类型，在厚膜电路中，一方面可能是玻璃、介质和基片等烧结后的界面，另一方面也可能是介质或是基片的粗糙表面，通常情况下，按照工艺条件的不同，通常包括下述几种银离子迁移通道：96%A12O3表面为A组，96%A12O3与介质1界面为A1组，96%A12O3与玻璃1界面为A2组，96%A12O3与玻璃2界面为A3组，99%Beo表面为B组，介质2表面为C组，96%A12O3与介质2界面为C1组，介质2与玻璃2界面为C2组。

需要注意的是，上述全部的银离子迁移通道在试验时都需要在1个标准大气气氛下进行充分暴露，并将相对湿度控制在50%至85%之间。在厚膜工艺实施过程中，96%A12O3表面通常是由96%A12O3基片上银导带烧结印制而成，在A12O3与空气进行充分接触后，96%A12O3与介质1界面则指的是96%A12O3基片上银导带烧结印制后，经介质1再次烧结印制而成的，介质1的布线范围通常在上文所述的0.3 mm通道范围之内。

1.4 偏置电压与导体间距

偏置电压通常为恒定直流电，通常在200 V以上，导体的工艺制作水平与导体的间距之间存在直接联系，通常情况下在0.3 mm以下。为了对银离子迁移现象进行观察分析，偏置电场的强度应控制在600 V/mm以上[3]。

2 试验结果

在150℃条件下连续进行1 000 h以上的试验，试验结果证实，A、A1、A2组在试验300～700 h时会发生烧毁熔断丝现象，但在A3、B、C、C1、C2组试验时却未发生熔断现象。完成试验后，观察结果证实，A3组的导带仍然会发生银离子生长现象，然而，银离子生长现象的发生仅仅限于具有较强电场的部位，与A、A1、A2组的银离子阴极扩散生长过程不同。但是B、C、C1、C2组却无法看到典型的银离子生长现象。

3 讨论与总结

由本文所述的试验结果可知，在直流660 V/mm电场强度下，通过连续1 000 h的150℃加电试验，氧化铝与玻璃、氧化铝基片与介质1界面、96%氧化铝基片表面等都会发生程度不同的银离子迁移现象，这一迁移现象的发生会造成电路的失效。银离子迁移现象不仅仅与氧化铝基片表面粗糙度和表面电子状态存在直接联系，而且还直接受到介质玻璃材料和氧化铝基片材料界面密度的影响，因此，这些缺陷中银离子迁移扩散现象的发生率更高。事实上，在这类结构和材料中，即便降低电场强度到100 V/mm以下，但在长时间加电处理的基础上，电阴极仍然会发生一定程度的银离子迁移扩散现象。

但是，在介质2基片表面和99%BeO基片表面中，在上文所述的条件下，电迁移通常可以忽略不计，在上述两种材料表面中，即便覆盖一层能够对银离子迁移产生完全抑制作用的玻璃，但仍然不会影响其性能，但在96%氧化铝表面，介质2能够得到较为理想的抗迁移效果，上述两种材料的界面性能和表面性能仍然有待于进一步的研究。

为了消除厚膜混合集成电路中银离子的迁移现象对电路可靠性的影响，首先在厚膜电路印刷版图设计时，避免在关键元件之间加有偏置电压，加有偏置电压的导体之间间隙在允许范围内应尽量的大一些；其次应采用银和贵金属（如钯和铂）的合金，合金中的贵金属可降低银离子形成的速度；还应尽量选择那些具有较好表面性能以及能够避免银离子迁移的介质和基片材料；加工、储存和密封厚膜电路时，尽量在无湿气、无污染的环境中进行；电路表面可用玻璃钝化层保护有机涂覆或无定型包封等，以隔绝水气凝聚于厚膜电路表面；使用应尽量避免高湿、高温环境等。

参考文献：

[1] 陈原，关志成.合成绝缘子的离子迁移试验研究[J].华北电力技术，1998，（2）.