專(zhuān)利名稱(chēng)：用紅外線(xiàn)爐制造銅厚膜導(dǎo)體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于厚膜電路或厚膜網(wǎng)絡(luò)的制造方法。用絲網(wǎng)印刷或掩膜把含導(dǎo)電材料的漿料涂在陶瓷基片上，隨后送入紅外線(xiàn)爐，在大氣中和高溫下干燥、焙燒，使?jié){料固化在基片上。
用厚膜技術(shù)形成的微電子電路，是用包括所配制的導(dǎo)體材料，電阻器材料和絕緣材料漿料制成的。這些漿料是用金屬粉、玻璃料、粘合劑和溶劑配制而成的。按照選定的圖形放置或澆注(例如用絲網(wǎng)印刷)在絕緣基片上(例如陶瓷、涂瓷鋼片、玻璃等)、然后干燥、使?jié){料中所含溶劑揮發(fā)掉，再進(jìn)行焙燒，使?jié){料燒結(jié)或熔化，使構(gòu)成的膜粘接在基片上。
過(guò)去，為使電流所受阻力最小，導(dǎo)體是用一種或幾種貴金屬、如鉑、鈀、銀或金組合配制而成的貴金屬導(dǎo)電漿料制成的。
厚膜微電子電路工業(yè)已開(kāi)始用銅導(dǎo)體代替貴金屬導(dǎo)體。但由此產(chǎn)生的問(wèn)題是，含有聚合物、玻璃料、金屬銅及帶有其它金屬氧化物的銅導(dǎo)體漿料必須在以氮為基礎(chǔ)的氣氛中處理，以防止銅過(guò)度氧化。上述使用貴金屬導(dǎo)體由于無(wú)氧化問(wèn)題，可以在爐內(nèi)氣氛中焙燒。焙燒過(guò)程中，爐內(nèi)氣氛缺氧對(duì)聚合物和玻璃料的狀態(tài)影響極大，進(jìn)而影響燒成的導(dǎo)體的電性能和物理性能。由于沒(méi)有足夠的氧，使碳基聚合物不能有效地氧化，并阻止了各種金屬氧化物還原和聚合物或金屬成分的熱分解或揮發(fā)，因而不會(huì)有熏黑爐內(nèi)和元件的問(wèn)題。汽化了的溶劑和鉍之類(lèi)的揮發(fā)金屬會(huì)凝結(jié)在燒結(jié)爐的冷卻器表面。熏黑和凝結(jié)對(duì)厚膜生產(chǎn)造成兩個(gè)問(wèn)題，首先必須定期清除附著在爐內(nèi)壁上的凝結(jié)聚合物，使焙燒爐自身的內(nèi)壁露出，以防止凝結(jié)物滴落在傳送帶上或所加工的零件上。第二煙灰和凝結(jié)物會(huì)沉積在銅導(dǎo)體和陶瓷基片的表面上。為了解決第一個(gè)問(wèn)題，焙燒爐必須冷卻以便清理，從而減少了焙燒爐的有效生產(chǎn)時(shí)間。第二個(gè)問(wèn)題使導(dǎo)體表面的沉積物影響外觀(guān)，并在以后電路連接或焊接加工工序中會(huì)損害電路的質(zhì)量，因此在基片封裝之前必須用某種方法清理基片，這導(dǎo)致生產(chǎn)費(fèi)用增加。
由于爐內(nèi)氣氛沒(méi)有足夠的氧，致使銅厚膜漿料中所含玻璃料在金屬銅微粒與陶瓷基片間不能形成必需的接合面。接合面缺陷或不完全使導(dǎo)體與陶瓷基片的粘接強(qiáng)度達(dá)不到要求、隨之電阻率增大。
為了消除溶劑的熔化問(wèn)題，并獲得最佳的物理性能和電性能，生產(chǎn)廠(chǎng)家目前已取得了一些進(jìn)展。其中一種方法是，在厚膜元件生產(chǎn)中通用的一般紅外線(xiàn)爐或近紅外線(xiàn)爐的預(yù)熱區(qū)或熄火區(qū)噴射添加少量氧(最大量為1%，通常為百萬(wàn)分之5至15)。在這些爐子的預(yù)熱區(qū)，溫度低，駐留時(shí)間短，氧氣的氧化作用不象在較高溫度下那樣劇烈，但可使一些碳基溶劑氧化，并提供一個(gè)很小的氧化勢(shì)，以形成所需的玻璃狀接合面。反應(yīng)物處在低溫中可能是這種技術(shù)不夠理想的原因。如果將供氧移到爐子的加熱區(qū)，銅也會(huì)氧化，使導(dǎo)體損壞。還有一種方案是，改變爐子的物理性能，普遍采用紅外線(xiàn)或近紅外線(xiàn)，以便在預(yù)熱區(qū)更有效地消除反應(yīng)產(chǎn)物。雖然這些方法對(duì)從爐中清除溶劑取得了一些有限的成功，但要使用大量氣體致使產(chǎn)品成本增加。另一種方案是改變漿料配方，以消除熏黑問(wèn)題，使成品具有最佳導(dǎo)電性，可焊性和附著力。迄今為止，這些方法均不理想。
美國(guó)專(zhuān)利4622240說(shuō)明書(shū)對(duì)厚膜電元件的制造方法有更完整的論述，可供參考。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，用普通漿料印刷技術(shù)，或其他已知的電路印刷方法或技術(shù)，如噴漿印刷或用光刻膠技術(shù)制成的賤金屬厚膜電元件，在紅外爐或近紅外爐中焙燒期間、向爐內(nèi)氣氛添加少量水蒸汽(例如100到300ppm)，可以使厚膜導(dǎo)體中揮發(fā)出的溶劑氧化。氧化物(如一氧化碳和二氧化碳)很容易由爐內(nèi)氣氛從爐中清除?？梢栽跔t子的預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)或同時(shí)在兩個(gè)區(qū)加水。根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利4622240所述方法，用上述注水法可在爐內(nèi)加熱區(qū)和/或預(yù)熱區(qū)形成的一氧化二氮更好地清除溶劑。正如所希望的一樣，在普通的非紅外線(xiàn)爐中，在不降低導(dǎo)體與基片粘合力的情況下也能很好地清除有機(jī)物。
當(dāng)厚膜電元件生產(chǎn)中要處理大量銅厚膜漿料時(shí)，用連續(xù)的傳送帶爐在氮基氣氛中焙燒對(duì)獲得具有理想的物理性能和電性能的產(chǎn)品起著關(guān)鍵性作用。但在含極少量的氧和水分的氮?dú)夥罩兄瞥龅脑?，?jīng)常會(huì)使導(dǎo)體的一個(gè)或多個(gè)性能，如電阻值，可焊性、初始粘合力和老化粘合力以及表面清潔度等達(dá)不到要求。普通焙燒爐或紅外輻射爐中焙燒銅導(dǎo)體的過(guò)程中，如果向爐內(nèi)添加的氧化劑不足或不適當(dāng)(如氧、一氧化二氮、二氧化碳等)，除導(dǎo)致表面清潔度不好外還會(huì)使初始粘合力及老化粘合力低到不符合要求的程度。但任何一種添加劑過(guò)量也會(huì)導(dǎo)致很差的粘合力、可焊性和導(dǎo)電性。本發(fā)明將紅外或近紅外輻射爐的應(yīng)用與惰性氮?dú)夥罩锌刂扑奶砑恿肯嘟Y(jié)合，制出具有優(yōu)良電性能和物理性能的銅厚膜電元件。在普通加熱爐的惰性氣氛中按同樣方法控制水蒸汽的添加量會(huì)制出劣質(zhì)銅厚膜。紅外線(xiàn)爐、近紅外線(xiàn)爐和普通爐的區(qū)別在于爐的熱源采用的主要輻射波長(zhǎng)，如下所列爐型波長(zhǎng)(埃)普通＞100000紅外線(xiàn)＞20000＜100000
近紅外線(xiàn)＞7000＜20000按照本發(fā)明的方法，銅厚膜導(dǎo)體是用絲網(wǎng)印刷印在陶瓷基片上(如96%的三氧化二鋁)，然后將印好的部件送入傳送帶式紅外線(xiàn)爐或近紅外線(xiàn)爐，按以下方式處理爐溫保持在850℃至1000℃之間，部件經(jīng)加熱處理后冷卻，整個(gè)處理過(guò)程為10至30分鐘。在焙燒溫度下(850℃至1000℃)的總時(shí)間約為1至7分鐘。加拿大Cerritos輻射技術(shù)公司出產(chǎn)的Cu-900型爐用于該工序。這種爐采用鎢絲石英燈為輻射源，波長(zhǎng)在4000至100000埃之間，但基本波長(zhǎng)在4000至45000埃之間。爐內(nèi)氣氛含氮，加熱區(qū)或預(yù)熱區(qū)水的添加量為百萬(wàn)分之100至300之間。預(yù)熱區(qū)的含氧量應(yīng)低于500ppm，加熱區(qū)的含氧量低于100ppm。氬氣可以代替氮?dú)庾鰹槎栊詺庠础?br> 根據(jù)本發(fā)明，按上述方法制成的銅厚膜導(dǎo)體，在普通爐和紅外爐中焙燒，作多次測(cè)試試驗(yàn)比較，其結(jié)果如表1所列
表1所列測(cè)試結(jié)果中，初始粘合力是在元件出爐后立即測(cè)量的，老化粘合力是元件在850℃，相對(duì)濕度為85%在空氣中經(jīng)過(guò)24小時(shí)老化后測(cè)量的。請(qǐng)注意在表1所列測(cè)試結(jié)果中，測(cè)試ICF至VCF是在普通爐(如熱源輻射波長(zhǎng)大于100000埃)中處理的。測(cè)試ICF表示普通爐內(nèi)的基本條件，沒(méi)有有意向氣氛中添加水蒸汽，也沒(méi)有意向氣氛中添加氧。測(cè)試ⅢCF至VCF表示逐漸向爐中氣氛添加水蒸汽。測(cè)試ⅡCF表示向爐內(nèi)氣氛添加氧而不添加水蒸汽。值得注意的是，在爐內(nèi)氣氛中加入水蒸汽時(shí)，所得到的銅厚膜元件的粘合性能不合格。而在爐內(nèi)氣氛中添加氧，不但能影響粘合性，還會(huì)破壞可焊性，因?yàn)楹细竦目珊感宰钚≈禐?.40。
測(cè)試結(jié)果IIF至VIF表明在基本條件(IIF)下老化粘合力比測(cè)試ICF明顯下降。當(dāng)測(cè)試中逐漸添加水蒸汽(測(cè)試ⅢIF至VIF)可以發(fā)現(xiàn)老化后下降的粘合力是合格的，同時(shí)這些元件的可焊性也是合格的。由于在普通爐中添加相同數(shù)量的水會(huì)使老化粘合力急劇下降，根據(jù)本發(fā)明制成的樣品能獲得合格的粘合力是意想不到的。在樣品ⅡIF中向爐內(nèi)添加氧，顯示出高的粘合力，但由于沒(méi)添加水，出現(xiàn)了不合格的可焊性。
表1所列全部測(cè)試結(jié)果中，值得注意的是在測(cè)試IIF至VIF中均未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品上和爐內(nèi)有沉積的煙灰，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
根據(jù)以上說(shuō)明和表1，按本發(fā)明的方法向紅外線(xiàn)爐或近紅外線(xiàn)爐的惰性氣氛中添加水，在大的濃度范圍內(nèi)能生產(chǎn)出合格的厚膜元件。使用者可以按本發(fā)明的方法將水和其他添加劑如一氧化二氮和氧結(jié)合使用，以獲得理想的結(jié)果。此外，在保證厚膜導(dǎo)體物理性能和電性能的同時(shí)還降低了氣體消耗，消除了聚合物和金屬沉積。
此外，按照本發(fā)明的方法，為獲得優(yōu)質(zhì)元件，在向爐的加熱區(qū)和/或預(yù)熱區(qū)噴水的同時(shí)可噴百萬(wàn)分之10至20000的一氧化二氮。
本發(fā)明的方法不需頻繁清理焙燒爐?？s短了停爐時(shí)間增加了生產(chǎn)能力。生產(chǎn)出清潔的電子陶瓷電路，免去了進(jìn)行下一步工序之前元件清潔處理所需的額外時(shí)間，減少了由煙灰或聚合物沉積在陶瓷或銅導(dǎo)體上造成的廢品量。還免去了爐子的重復(fù)設(shè)計(jì)，將焙燒銅厚膜電路所需的爐內(nèi)氣流總量減至最小，以降低生產(chǎn)成本，在不犧牲其他任何性能的條件下制造出具有優(yōu)良物理性能和電性能(如可焊性，導(dǎo)電性、粘合力，清潔度等)的銅厚膜電路。
在對(duì)本發(fā)明作出描述之后，對(duì)下列權(quán)利要求請(qǐng)求專(zhuān)利保護(hù)。
權(quán)利要求
1.制造厚膜電元件的方法，將一種合適的漿料用普通絲網(wǎng)印刷技術(shù)涂在陶瓷基片上，干燥上述已印刷好的基片，并用具有波長(zhǎng)大于4000埃小于100000埃的輻射源加熱爐，在高溫下焙燒上述基片和漿料制成上述電元件，其改進(jìn)包括將所說(shuō)的漿料和基片組合物放在上述加熱爐的加熱區(qū)中，保持溫度在850℃至1000℃，在添加100至3000ppm水的惰性氣體氣氛中焙燒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，上述輻射能源的波長(zhǎng)在4000至25000埃之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，上述輻射能源的波長(zhǎng)在25000至100000埃之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，上述水的添加量體積在100至2000ppm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，上述漿料和陶瓷部件在上述爐內(nèi)加熱區(qū)中存留的時(shí)間周期在1至7分鐘之間變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，爐子能對(duì)上述漿料及陶瓷組合物基片預(yù)熱，在加熱區(qū)焙燒及冷卻處理，整個(gè)處理時(shí)間在10至30分鐘之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，惰性氣體氣氛為氮?dú)狻?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，惰性氣體氣氛為氬氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，在所述爐中加熱區(qū)的惰性氣體-水氣氛中添加10至20000ppm的一氧化二氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述爐子有一個(gè)維持在惰性氣體氣氛下的預(yù)熱區(qū)，該預(yù)熱區(qū)添加100至3000ppm的水。
全文摘要
向用紅外線(xiàn)或近紅外線(xiàn)輻射源加熱的爐中加水，用于焙燒厚膜電元件，使制成的元件具有理想的物理性能，電性能和表面清潔度。
文檔編號(hào)C04B35/64GK1035396SQ8810758
公開(kāi)日1989年9月6日 申請(qǐng)日期1988年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月24日
發(fā)明者小愛(ài)德華·安德魯·海德克, 戴維·羅伯特·塔什勒, 沃爾特·弗朗西斯·耶斯特 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司