导电电极对电阻浆料阻值的影响

鹿 宁,陈向红,王 妮,党丽萍,殷 美

(西安宏星电子浆料股份有限责任公司,陕西 西安 710000)

随着信息技术的飞速发展,集成电路已成为当今发展的主力军。厚膜混合集成电路是集成电路的重要组成部分。厚膜电路是一种将电子浆料经丝网印刷、烧结等工艺在基片上制作电阻、电感等具有特定功能的电路单元[1-2]。与薄膜混合集成电路相比,厚膜电路设计更灵活,工艺简单,成本低[3]。因此,厚膜电路在混合电路产业中的应用也越来越广泛。电子浆料是厚膜电路的核心所在,在厚膜电路中导体浆料和电阻浆料配套使用,导体浆料和电阻浆料的性能决定了整个集成电路的可靠性。电子浆料印刷膜厚、烧结工艺、导电相等方面成为近年来研究的热点[4-6]。Pang等[7]用固相合成法制备的Fe3Si 合金为导电相,研究了Fe3Si 基厚膜电阻浆料中固含量、玻璃粉含量、烧结工艺、导电相的粒度对电阻浆料方阻和温度系数的影响。Tang 等[8]用铜作为导电相来替代银以及其他贵金属浆料,使用铜纳米颗粒和微粒的混合物开发了一种用于氧化铝的铜厚膜浆料,该浆料具有稳定的电性能。除此之外还有用铂、铜镍以及氧化铜等改变导电相来改善电阻浆料阻值的稳定性[9-11]。在集成电路中选择不同的导体浆料和电阻浆料决定了集成电路的使用可靠性,目前使用的导体浆料主要有金导体浆料、银导体浆料和银钯导体浆料,电阻浆料主要为钌系电阻浆料[12-15]。在集成电路中频繁出现电阻浆料阻值不稳定所导致的整个产品的性能失效的问题。关于三种导体浆料与钌系电阻浆料搭接使用对整个电路阻值的影响方面还没有相关的研究。

鉴于此,为了研究导体电极与电阻浆料搭接时对电阻浆料阻值的影响,本文基于传统厚膜钌系电阻浆料,以低、中、高三个阻段厚膜电阻浆料为研究对象,研究了不同导体电极(金导体、银钯导体、银导体)和电阻浆料印刷宽度对电阻浆料阻值的影响,探究了最佳的导体浆料和电阻浆料以及印刷的宽度,对集成电路在理论和实际运用上都具有重要意义。

1 实验

实验所用的电子浆料为西安宏星电子浆料生产的R-8200 系(R-8210、R-8213、R-8216)厚膜电阻浆料和导体浆料。将金导体浆料、银钯导体浆料及银导体浆料分别经丝网印刷在氧化铝基片上,印刷后的湿膜于带式干燥炉120 ℃烘干10 min,在各预定峰值温度下通过带式烧结炉,峰值温度850 ℃,峰值时间为10 min,烧结后备用。

上述电极烧结完成后,将R-8210(阻值1 Ω)、R-8213(阻值1 kΩ)和R-8216(阻值1 MΩ)分别经丝网印刷在电极图案上,湿膜于带式干燥炉120 ℃烘干10 min,然后在各预定峰值温度下通过带式烧结炉进行烧结,峰值温度850 ℃,峰值温度下烧结时间为10 min,图1 是浆料印刷制备的工艺流程图。

图1 浆料印刷制备工艺流程Fig.1 Printing preparation process

用精度为0.001 Ω 的直流电阻电桥(QJ57 型)测量烧结膜阻值的变化,用扫描电镜(JSM-840)分析样品表面微观形貌的变化。

2 结果与讨论

2.1 同一电极时,不同宽度对阻值的影响

图2 是当金导体为电极时,宽度对R-8210、R-8213、R-8216 三种厚膜电阻浆料阻值的影响。从图2(a)可以看出,当金导体为电极、低阻段(R-8210)为电阻浆料,电阻宽度为1.5 mm 时,随着长度的增加,电阻浆料的阻值变化较小;电阻宽度为1 mm 时,随着长度的增加,电阻浆料的阻值明显增大。从图2(b)可以看出,当R-8213 为电阻浆料,随着长度的增加,电阻宽度为1.5 mm 和1 mm 的阻值逐渐接近。从图2(c)可以看出,当R-8216 为电阻浆料,随着长度的增加,电阻宽度为1.5 mm 和1 mm 的阻值基本保持一致,且阻值稳定。随着电阻浆料阻值的增大,电阻浆料印刷的宽度对阻值变化影响逐渐减弱。

图2 金导体为电极时,电阻宽度对电阻浆料阻值的影响Fig.2 Effects of the resistance width on the resistance of the resistance paste when the gold conductor is the electrode

图3 是当银钯导体为电极时,宽度对R-8210、R-8213、R-8216 三种厚膜电阻浆料阻值的影响。从图3(a)可以看出,当银钯导体为电极、电阻浆料为R-8210(阻值1 Ω)时,随着长度的增加,电阻宽度为1.5 mm 时电阻浆料阻值的变化明显大于宽度为1 mm时阻值变化。在长度小于1 mm 时,两者的阻值接近,随着长度的增加,电阻宽度为1.5 mm 和1 mm 时阻值差距逐渐增大。从图3(b)和(c)可以看出,当电阻浆料阻值为1 kΩ 和1 MΩ 时,随着长度的增加,宽度为1.5 mm 和1 mm 时阻值的变化接近。

图3 银钯导体为电极时,电阻宽度对电阻浆料阻值的影响Fig.3 Effects of the resistance width on the resistance of the resistance pastes with silver palladium conductor as electrode

图4 是当银导体为电极时,宽度对R-8210、R-8213、R-8216 三种厚膜电阻浆料阻值的影响。从图4(a)可以看出,当银导体为电极、电阻浆料为R-8210,宽度为1.5 mm 时,随着长度的增加,电阻浆料阻值变化最大,明显大于宽度为1 mm 时阻值的变化。由图4(b)和(c)中可以看出,电阻浆料为R-8213和R-8216 时,随着长度的增加,宽度为1.5 mm 与1 mm 的阻值变化基本一致。这主要是由于低阻值时,电阻浆料中的银离子对阻值有着较大的影响,同时银离子迁移后会导致电阻浆料中银离子增加,进而影响了阻值的变化;而在中高阻值时银离子的存在对电阻浆料的阻值影响较小,银离子的迁移也不会对阻值产生较大的波动,因此电阻浆料为R-8213 和R-8216时,随着长度的变化,电阻宽度为1.5 mm 和1 mm 时阻值变化基本一致[16]。

图4 银导体为电极时,电阻宽度对电阻浆料阻值的影响Fig.4 Effects of the resistance width on the resistance of the resistance paste when the silver conductor is the electrode

2.2 同一尺寸,不同电极对阻值的影响

图5 是宽度为1 mm 时,金导体、银钯导体、银导体三种导体对R-8210、R-8213、R-8216 三种厚膜电阻浆料阻值的影响。从图5(a)可以看出,当导体电极为金导体,R-8210 电阻的宽度为1 mm 时,随着电阻长度的增加,电阻浆料的阻值基本稳定(从1.6 Ω 变化到1.65 Ω);当银钯导体为电极时,随着长度的增加,电阻浆料的阻值变化较大(从1.15 Ω 变化到1.6 Ω);当银导体为电极时,随着长度的增加。电阻浆料的阻值变化最大(从0.96 Ω 变化到1.6 Ω)。当金导体作为电极与电阻浆料搭接,电阻浆料阻值稳定性最好,银钯导体作为电极与电阻浆料搭接时,电阻浆料的阻值不稳定,银导体作为电极时,电阻浆料阻值的稳定性最差。

图5 导电电极对电阻浆料阻值的影响Fig.5 Effects of conductive electrode on the resistance of resistance paste

同时,将R-8210 替换为R-8213(阻值为1 kΩ)和R-8216(1 MΩ)进行对比实验,从图5(b)和(c)可以看出电阻长度在1～5 mm 变化时,金导体浆料作为电极时电阻浆料阻值变化最小,进一步验证金导体与电阻浆料搭接时集成电路的阻值稳定性最好,其主要原因是由于金导体中的金不会渗透到电阻浆料中。银钯导体作为电极时,R-8210 电阻浆料的阻值变化较大,是由于银钯导体中存在银离子,银离子会发生迁移。相比于银导体而言,银钯导体对电阻阻值影响较小的主要原因是钯在电阻浆料中的渗透最少,同时对银离子的迁移有阻碍作用[17]。银导体为电极时,R-8210电阻浆料的阻值变化最大,是由于导体中大量的银离子迁移到电阻浆料中,因此导致了电阻浆料阻值发生变化,从而影响了整个集成电路的可靠性。

2.3 形貌分析

对三种不同电极与电阻浆料R-8210 搭接的断面进行扫描电镜分析。图6 为金导体、银钯导体、银导体作为电极,R-8210 为电阻浆料时,电极与电阻浆料断面处的形貌特征。从图6(a)可以看出,金导体与电阻浆料的微观形貌存在着明显的界线,中间金导体电极膜层较薄而致密,上面部分为电阻浆料在两者中间搭接的部分,可以明显地看出并没有因银离子的迁移形成银堆积的形貌特征。从图6(b)可以看出,中间的银钯电极膜层较厚且比较疏松,在银钯电极与电阻浆料的中间存在一层较薄的膜层,这可能是由于银钯导体浆料中部分银离子迁移至电阻浆料所致。从图6(c)可以看出,电阻浆料与银导体搭接的部分已形成一体,这是由于银导体中存在着大量的银离子,与电阻浆料搭接时,在电场的作用下电阻浆料中银离子的存在加速了银导体浆料中的银离子迁移,因此银导体与电阻浆料搭接时,电阻浆料的阻值发生了较大的变化。

图6 电阻R-8210 与三种金属电极搭接的断面形貌Fig.6 Cross section morphology of resistance R-8210 overlapping with three kinds of metal electrodes

3 结论

本文以R-8210(阻值1 Ω)和R-8213(阻值1 kΩ)以及R-8216(阻值1 MΩ)为电阻浆料,以金导体、银钯导体、银导体作为电极,研究了三种导体电极和电阻浆料印刷宽度对电阻浆料阻值的影响。

当电阻浆料为低阻值时,金导体为电极与电阻浆料搭接,电阻浆料的阻值最为稳定,其阻值变化在3%以内;银钯导体对电阻浆料的阻值影响较大,电阻浆料阻值的变化为39%;银导体对电阻浆料阻值的影响最大,电阻浆料的阻值变化为66%。当电阻浆料为中高阻值时,金导体、银钯导体、银导体对电阻浆料阻值的影响相差较小。在低阻值时,印刷宽度为1.5 mm 对电阻浆料阻值影响较大,远大于印刷宽度为1 mm 时电阻浆料阻值的变化。

综上所述,在集成电路的应用中推荐金导体作为导电电极,选择阻值较小的厚膜电阻浆料和宽度较小的印刷尺寸,是提高电阻浆料阻值稳定性的有效手段。