所有物體均發(fā)射與其溫度和特性相關(guān)的熱輻射,環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段,將這種不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的器件是紅外探測器,紅外探測器是衛(wèi)星姿態(tài)控制中不可或缺的一種探測器[1-3].紅外熱敏探測器是紅外探測器的一種,其核心部件為熱敏晶片,晶片材料多為半導體陶瓷,因其具有高的溫度系數(shù),輻射引起的升溫可改變材料的電阻,常稱熱敏電阻.在紅外熱敏探測器的制備過程中,需要在熱敏電阻晶片表面制備金屬化層作為電極,并通過釬焊等方式將電極與外電路進行連接,從而將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電壓信號或電流信號,并通過外電路輸出.
熱敏電阻晶片電極的設(shè)計和制備技術(shù)是紅外探測器制備的關(guān)鍵技術(shù),本文主要介紹國外近年來熱敏電阻晶片電極的設(shè)計與選材思路,同時分析了金屬薄膜電極對熱敏電阻晶片組件所產(chǎn)生的各種應(yīng)力.
熱敏電阻晶片接收到外界的紅外輻射后,自身溫度發(fā)生變化,進而電阻發(fā)生變化,需要將電阻的變化通過電信號輸出,這就需要在熱敏陶瓷晶片表面制備電極,目前最常見的電極制備方式為通過濺射、蒸發(fā)鍍、離子鍍、化學鍍或電鍍等方式在熱敏電阻表面鍍覆一層或多層金屬薄膜[4].電極的制作加工對于所設(shè)計的紅外探測器的性能有很大的影響,是探測器制備的關(guān)鍵技術(shù),通常對探測器的一些性能起決定作用.常見的熱敏電阻晶片的兩端電極由一層或多層浸出薄膜組成,每一層薄膜均發(fā)揮著不同的作用.圖1為幾種倒裝的熱敏電阻晶片的電極結(jié)構(gòu),圖1(a)、(b) 和(c)中的1、11和21分別指熱敏電阻晶片組件,2為熱敏電阻晶片,3和4為金屬薄膜電極,5和6為絕緣層.由圖可以看出,電極3和4可以由兩種或多種金屬薄膜組成,其中3a和4a為緊接熱敏電阻陶瓷的金屬層,一般稱為接觸層,次外層金屬薄膜一般稱為過渡層,最外層金屬薄膜稱為外電極.
圖1 常見熱敏電阻晶片的電極結(jié)構(gòu)
為了保證熱敏電阻性能的穩(wěn)定性和可靠性,其電極材料的選擇極為重要,接觸層、過渡層和外電極材料均應(yīng)遵守一定的選材原則,以實現(xiàn)不同的功能.
(1)接觸層材料的選擇
首先,電極的接觸層金屬與半導體熱敏電阻陶瓷之間必須具有極低的接觸電阻,從而保證電信號的良好輸出,這就要求所制備的薄膜金屬必須與熱敏電阻薄片形成歐姆接觸[5].如果與熱敏電阻接觸的過渡層選擇不當,則金屬電極與半導體陶瓷的接觸電阻會相當大.根據(jù)Sauer分析,半導體陶瓷的表面吸收氧時,導電的電子會減少,則會產(chǎn)生一個正電荷區(qū),這是產(chǎn)生高阻區(qū)的原因[6-7].因此,如果想保證較低的歐姆接觸,接觸層金屬應(yīng)符合以下特征:①Φs(半導瓷的功函數(shù))>Φm(金屬的功函數(shù));②半導瓷表面的富氧狀態(tài)必須被破壞.常見金屬中,Au、Ag、Ni、Ti和Cr等金屬的功函數(shù)Φm分別為5.1、4.26、5.15、4.33和4.5eV,因此滿足歐姆接觸的要求[8].Ti和Cr兩種金屬都能破壞陶瓷表面的富氧狀態(tài),且可在一定條件下與熱敏電阻發(fā)生界面反應(yīng),極大地增加基體與鍍層的結(jié)合力.此外,這些金屬的合金也常常被用于接觸層材料,最常見的為Ni-Cr和Ni-Cu合金薄膜.
(2)外電極材料的選擇
熱敏電阻薄片最外層電極材料主要提供與外電路可靠的連接,需具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性和與釬料良好的潤濕性,所以外電極材料最常用的是Au、Ag、Pd和Pt等金屬及其合金,如Ag-Pd、Au-Sn、Au-Si和Au-Ge合金.因為這些金屬鍍層具有良好的抗氧化性,以及與常見的Pb-Sn和Au-Sn等釬料具有良好的潤濕性.外電極可以與接觸層材料直接組成電極,如圖1(a)所示,如Ti/Au和Cr/Au雙鍍層結(jié)構(gòu).Umadevi等[9]在Mn-Co-Ni-O負溫度系數(shù)陶瓷表面濺射Cr/Au雙鍍層結(jié)構(gòu),其中Cr鍍層為80nm,Au鍍層為300nm.Lee等[10]在研究在SiO2表面制備薄膜型的負溫度系數(shù)Mn-Co-Ni-O陶瓷,在其表面制備了Ti/Au雙鍍層結(jié)構(gòu),其中Ti鍍層厚度為100nm,Au鍍層厚度為400nm.
(3)過渡層材料的選擇
為了加強熱敏電阻晶片焊點的可靠性,往往在接觸層與外電極之間增加一層過渡層,如圖1(b)所示,過渡層金屬薄膜的主要是起擴散阻擋層的作用,過渡層金屬往往為Ni和Cu.例如,所用的釬料為Pb-Sn焊料,則釬焊過程中外電極的Au會很快溶解于釬料中,進而釬料中的Sn會與Ni(或Cu)發(fā)生界面反應(yīng),生成Ni3Sn4或Cu3Sn等金屬間化合物,從而使釬料無法穿透Ni或Cu等金屬形成的過渡層,保證了焊點的可靠性.美國的US006433666B1、US6184772B1、US6040755、US6606783B1、US6368734B1和US6400251B1等專利描述了多種三鍍層結(jié)構(gòu),三種鍍層結(jié)構(gòu)所選用材料如表1所示[4,11-15].在某些情況下,熱敏電阻電極可以為4層,如圖1(c)所示.以NiCr/Cu/Au電極結(jié)構(gòu)為例,為了增強Cu過渡層在電鍍時與接觸層NiCr合金薄膜的結(jié)合力,可以在NiCr薄膜與Cu過渡層之間通過濺射或蒸發(fā)制備一層Au、Ag、Pt和Pd等金屬及其合金.
表1 三層薄膜構(gòu)成的熱敏電阻的電極材料
(4)絕緣層材料的選擇
在圖1(b)和(c)中,在兩電極之間和熱敏電阻晶片背面制備了一層結(jié)緣層材料,其主要作用有如下幾點:1) 增加元件的抗潮濕環(huán)境的能力;2) 改善電阻薄片的溫度特性;3) 降低了3和4兩個電極短路的風險;4) 保護電極,防止在后續(xù)焊接過程中對電極的破壞.絕緣層材料常常選用樹脂材料.
同微電子封裝領(lǐng)域一樣,近年來紅外熱敏傳感器中熱敏電阻晶片的電極形式也不斷更新,國外設(shè)計和制造了各種形狀和類型的熱敏探測器,如薄膜型、陣列型和多層陶瓷探測器.紅外探測器的封裝形式也不斷發(fā)生變化,從傳統(tǒng)的金屬-玻璃封接形式已逐漸發(fā)展成倒裝晶片的封接形式,從單一晶片的封裝向高密度集成的方向發(fā)展.圖2列舉了31和41兩種熱敏電阻晶片組件,其他形式的電極還有很多.
圖2(a)和圖2(b)中所示結(jié)構(gòu)均可以看做是圖1(a)所示結(jié)構(gòu)的一種變異,只是圖2(a)中電阻晶片的上下兩個表面均有電極.圖2(b)這種設(shè)計的特點在于同一體積的電阻薄片可以具有不同的阻值,其中3a和4a為接觸層,3b和4b為外電極材料.
與塊體材料不同,薄膜材料內(nèi)含有大量的晶界、位錯及空位等點缺陷,因此在薄膜材料中原子遷移所需要的擴散激活能比塊體材料要低很多,因此,即使在較低的溫度下,也可能具有很高的遷移率.以Cu-Ni擴散偶為例,塊體材料所組成的擴散偶在300℃時,Cu在Ni中的擴散速率為3.8×10-26m/s,即Cu原子穿透100nm厚 Ni薄膜的時間為20萬年,而實驗表明所需時間少于1h[16].紅外探測器中熱敏電阻晶片電極的制備工藝也必須考慮不同金屬薄膜之間的擴散問題,以常見的Cr/Cu/Au三鍍層結(jié)構(gòu)為例,這種結(jié)構(gòu)也存在很嚴重的固態(tài)擴散的問題.采用磁控濺射方法在陶瓷制備金屬電極薄膜時,往往需要提高濺射的溫度,使濺射層金屬與陶瓷產(chǎn)生比較牢固的結(jié)合.然而在接近200℃時,Cu可以通過晶界迅速擴散穿透Cr過渡層,從而對Cr/陶瓷界面結(jié)合力產(chǎn)生不利影響,同時Cu層可以向外擴散穿透Au,并且在Au的表面形成氧化物,這樣又會對Pb-Sn焊料與Au層的潤濕性產(chǎn)生不利影響.因此,在熱敏電阻電極的設(shè)計與制備過程中,必須確立合適的薄膜厚度和熱處理制度等工藝參數(shù).
如前所述,熱敏電阻為半導體陶瓷,其晶體結(jié)構(gòu)和熱膨脹系數(shù)等方面與金屬存在巨大差異,所以在熱敏電阻表面制備金屬薄膜電極時必然存在各種應(yīng)力,而紅外探測器的晶片一般小于100μm,不能承受較大應(yīng)力.因此,電極的制備過程中產(chǎn)生的應(yīng)力對熱敏電阻晶片及焊點的可靠性影響較大,是紅外探測器失效的重要原因之一.綜合來講,紅外熱敏電阻的電極結(jié)構(gòu)中往往存在殘余應(yīng)力、濺射溫度引起的應(yīng)力及本征應(yīng)力等方面.
(1)殘余應(yīng)力
在非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)中,如半導體陶瓷-金屬鍍層結(jié)構(gòu),如果其經(jīng)歷了某些機械或熱加工過程,由于不同材料或材料不同部位發(fā)生非均勻的彈性變形,當卸掉外部載荷時,這種非均質(zhì)材料或結(jié)構(gòu)無法恢復到最初狀態(tài),從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力.以紅外熱敏電阻為例,一般所使用的半導體陶瓷小于100μm, 當在其表面濺射一層金屬鍍層并在不同的溫度進行熱處理后,由于應(yīng)力作用,鍍層與陶瓷均會產(chǎn)生彎曲,如圖3所示,此時內(nèi)應(yīng)力可以由Stoney公式進行計算[17].其中,Es和νs為電阻薄片的彈性模量和泊松比,ds為熱敏電阻的厚度,df為鍍層的初始厚度,R為熱敏電阻彎曲時的曲率半徑.
(1)
(2)濺射金電極的過程中會產(chǎn)生應(yīng)力
在Au電極的制備工藝中,其濺射溫度為200℃,由于Au電極薄膜與電阻薄片的熱膨脹系數(shù)不一致,所以在其降溫的過程中會產(chǎn)生應(yīng)力.一般來講,只要薄膜的沉積不在室溫下進行,薄膜與基體間就會產(chǎn)生應(yīng)力.假設(shè)E為薄膜材料的楊氏模量,ν為泊松比,α為熱膨脹系數(shù).假設(shè)E和ν與溫度無關(guān),則濺射后Au薄膜與電阻薄片之間的應(yīng)力可由式(2)計算[18].
(2)
圖3 薄膜-基體間應(yīng)力分析
(3)本征應(yīng)力
除了上述因鍍層與基體的熱膨脹系數(shù)等因素造成的內(nèi)應(yīng)力外,薄膜還存在本征應(yīng)力,這是因為薄膜在生長過程中,由于存在大量的缺陷,各個無序結(jié)構(gòu)存在重排和收縮,或源于晶粒之間的相互作用力.不同的金屬膜具有不同的本征應(yīng)力,表2列出了使用蒸鍍工藝制備的100nm金屬膜的本征應(yīng)力[16].同時,不同的制備方法下金屬薄膜的本征應(yīng)力也會不一樣,例如,真空蒸發(fā)鍍膜與磁控濺射的薄膜具有不同的應(yīng)力,因為磁控濺射中存在工作氣氛和復雜的等離子體的作用.
表2 蒸發(fā)鍍膜的本征應(yīng)力
此外,薄膜的本征應(yīng)力與薄膜的厚度有關(guān),研究表明,薄膜的厚度小于10nm時,應(yīng)力極小,當薄膜厚度大于10nm時,應(yīng)力逐漸增加,直至薄膜厚度達到60nm左右.當薄膜厚度大于60nm時,應(yīng)力不再明顯增加.這是因為薄膜生長過程中,首先形成島狀結(jié)構(gòu),所以初始應(yīng)力小,在其逐漸形成完整的薄膜的過程中,應(yīng)力會逐漸增加,當形成完整的薄膜以后應(yīng)力增加就不明顯了.
采用Mn-Co-Ni-O系半導體陶瓷作為熱敏電阻晶片材料,電極形式采用Ti/Au雙鍍層結(jié)構(gòu)、焊點采用Au漿燒結(jié)而成.復合電極中 Ti過渡層的厚度范圍為60~160nm,Au薄膜厚度范圍為300~1100nm,燒結(jié)溫度選用500~800℃,最高溫度保溫時間為20~60min,燒結(jié)氣氛選用空氣氣氛.
圖4為一定厚度的Ti/Au復合電極在不同溫度下與金漿進行燒結(jié),并保溫不同的時間,所得到的熱敏電阻噪聲系數(shù)隨溫度或時間的變化規(guī)律.由圖可知,對于一定厚度的Ti/Au復合電極,隨著燒結(jié)溫度的升高,噪聲系數(shù)會降低,當降低到一定程度,會維持穩(wěn)定,由圖可知在650~800℃范圍內(nèi)燒結(jié)可得到較低的噪聲系數(shù).同時,隨著最高溫度保溫時間的延長,從20min延長至60min,熱敏電阻的噪聲系數(shù)略有增加.圖5為具有Ti/Au雙鍍層熱敏電阻的界面形貌,可以看出,焊點界面結(jié)合良好,沒有裂紋等缺陷產(chǎn)生.因此,若采用適當厚度的Ti/Au雙層結(jié)構(gòu)的熱敏電阻電極,并選擇合適的工藝參數(shù),可使熱敏電阻達到理想的噪聲系數(shù),并具有良好的界面結(jié)合強度.
圖4 燒結(jié)溫度及保溫時間對熱敏電阻噪聲系數(shù)的影響規(guī)律
圖5 具有Ti/Au復合電極的熱敏電阻的Au焊點截面圖
紅外探測器的熱敏電阻晶片電極結(jié)構(gòu)多選擇兩層或多層金屬薄膜構(gòu)成,其中接觸層金屬需與熱敏電阻晶片形成歐姆接觸,并與晶片具有較強的結(jié)合力;次外層金屬薄膜起擴散阻擋層的作用,保證焊點的可靠性;最外層金屬需具有良好的抗氧化性,及與釬料具有良好的潤濕性.在電極選材時,還需綜合考慮金屬薄膜的制備工藝、膜層厚度、熱處理制度等工藝參數(shù),確保熱敏電阻晶片焊點的應(yīng)力較低,才能保證紅外探測器的性能及其可靠性.實驗結(jié)果表明,若采用適當厚度的Ti/Au雙層結(jié)構(gòu)的熱敏電阻電極,并選擇合適的工藝參數(shù),可使熱敏電阻達到理想的噪聲系數(shù),并具有良好的界面結(jié)合強度.
參 考 文 獻
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