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厚膜銀導(dǎo)體銀離子遷移的試驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2013-04-29 21:00:59廉大楨王社教
關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)要點(diǎn)

廉大楨 王社教

摘 要:文章對(duì)厚膜銀導(dǎo)體銀離子遷移試驗(yàn)的基本考核條件和試驗(yàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析,由試驗(yàn)結(jié)果可知,在直流電場(chǎng)660 V/mm的強(qiáng)度下,經(jīng)過介質(zhì)材料和基片材料的更換,能夠?qū)︺y離子的遷移現(xiàn)象產(chǎn)生一定的抑制作用,實(shí)現(xiàn)電路可靠性的逐步提高,在具體的厚膜混合電路中,銀離子遷移主要是表面界面現(xiàn)象的一種體現(xiàn),且會(huì)直接受到材料表面界面性能等因素的影響。

關(guān)鍵詞:厚膜銀導(dǎo)體;銀離子遷移;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類號(hào):TQ153.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2013)18-0179-02

因?yàn)殂y導(dǎo)體工藝性能和導(dǎo)電性,銀導(dǎo)體通常用于厚膜混合集成電路的功率電路中,然而,因?yàn)橹绷?、高濕、高溫的電?chǎng)條件下,銀導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生因銀離子遷移造成電路短路現(xiàn)象,進(jìn)而影響電路的正常使用。,通常情況下,銀離子遷移能夠利用水滴試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,但在具體的電路運(yùn)行中,怎樣對(duì)銀離子遷移的發(fā)生程度進(jìn)行判斷,仍然缺乏較為深入的研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在偏置電場(chǎng)以及高溫、高濕的環(huán)境下,陽極的金屬銀能夠在化學(xué)反應(yīng)的作用下逐步轉(zhuǎn)化為銀離子,并經(jīng)遷移通道向陰極部位遷移,銀離子能夠在陰極處逐步生長,進(jìn)而誘發(fā)漏電流過大、電路短路、飛弧或介質(zhì)擊穿等嚴(yán)重的失效現(xiàn)象。圖1為實(shí)際應(yīng)用電路產(chǎn)生銀離子遷移現(xiàn)象的實(shí)例。

在具體的電路工作過程中,銀離子遷移一般需要耗費(fèi)較長的時(shí)間才得以產(chǎn)生宏觀的擴(kuò)散和生長現(xiàn)象,為了對(duì)銀離子的遷移速度進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證分析,利用水滴試驗(yàn)的方法進(jìn)行觀察分析。因?yàn)樵诰哂休^高可靠性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的電路中,材料表面的水汽吸附能力與水膜的實(shí)際性能具有較大的差異,同時(shí)遷移通道也較為豐富,各個(gè)類型材料的表面界面結(jié)構(gòu)也不存在較大的差別,所以,模擬實(shí)際環(huán)境對(duì)銀離子遷移的影響程度是一種較為合理的試驗(yàn)手段,實(shí)際環(huán)境主要涉及考核條件、水汽含量、遷移通道、偏置電場(chǎng)等。

1.1 遷移的判定依據(jù)

首先是通過電流保護(hù)進(jìn)行判斷,在電流達(dá)到一定水平后,電路會(huì)自動(dòng)斷開,依據(jù)實(shí)際情況可選擇0.2 A的電流大小,也可使用較低的電流保護(hù)開關(guān)或是熔斷絲。其次是直接方法對(duì)陰極的銀離子生長情況進(jìn)行觀察,若電路陰極存在典型的離子生長現(xiàn)象或是電路發(fā)生斷開,則可以確定銀離子發(fā)生遷移,若未見上述情況,則可排除銀離子遷移的可能。

1.2 考核條件

在-65℃~150℃的溫度條件下進(jìn)行100次循環(huán),后在150℃的高溫條件下連續(xù)1 000 h加電試驗(yàn)。

1.3 設(shè)置遷移通道

在偏置電壓保持不變的銀導(dǎo)體條件下,銀離子遷移的唯一潛在影響因素為銀離子遷移通道的材料類型,在厚膜電路中,一方面可能是玻璃、介質(zhì)和基片等燒結(jié)后的界面,另一方面也可能是介質(zhì)或是基片的粗糙表面,通常情況下,按照工藝條件的不同,通常包括下述幾種銀離子遷移通道:96%A12O3表面為A組,96%A12O3與介質(zhì)1界面為A1組,96%A12O3與玻璃1界面為A2組,96%A12O3與玻璃2界面為A3組,99%Beo表面為B組,介質(zhì)2表面為C組,96%A12O3與介質(zhì)2界面為C1組,介質(zhì)2與玻璃2界面為C2組。

需要注意的是,上述全部的銀離子遷移通道在試驗(yàn)時(shí)都需要在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣氣氛下進(jìn)行充分暴露,并將相對(duì)濕度控制在50%至85%之間。在厚膜工藝實(shí)施過程中,96%A12O3表面通常是由96%A12O3基片上銀導(dǎo)帶燒結(jié)印制而成,在A12O3與空氣進(jìn)行充分接觸后,96%A12O3與介質(zhì)1界面則指的是96%A12O3基片上銀導(dǎo)帶燒結(jié)印制后,經(jīng)介質(zhì)1再次燒結(jié)印制而成的,介質(zhì)1的布線范圍通常在上文所述的0.3 mm通道范圍之內(nèi)。

1.4 偏置電壓與導(dǎo)體間距

偏置電壓通常為恒定直流電,通常在200 V以上,導(dǎo)體的工藝制作水平與導(dǎo)體的間距之間存在直接聯(lián)系,通常情況下在0.3 mm以下。為了對(duì)銀離子遷移現(xiàn)象進(jìn)行觀察分析,偏置電場(chǎng)的強(qiáng)度應(yīng)控制在600 V/mm以上[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在150℃條件下連續(xù)進(jìn)行1 000 h以上的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果證實(shí),A、A1、A2組在試驗(yàn)300~700 h時(shí)會(huì)發(fā)生燒毀熔斷絲現(xiàn)象,但在A3、B、C、C1、C2組試驗(yàn)時(shí)卻未發(fā)生熔斷現(xiàn)象。完成試驗(yàn)后,觀察結(jié)果證實(shí),A3組的導(dǎo)帶仍然會(huì)發(fā)生銀離子生長現(xiàn)象,然而,銀離子生長現(xiàn)象的發(fā)生僅僅限于具有較強(qiáng)電場(chǎng)的部位,與A、A1、A2組的銀離子陰極擴(kuò)散生長過程不同。但是B、C、C1、C2組卻無法看到典型的銀離子生長現(xiàn)象。

3 討論與總結(jié)

由本文所述的試驗(yàn)結(jié)果可知,在直流660 V/mm電場(chǎng)強(qiáng)度下,通過連續(xù)1 000 h的150℃加電試驗(yàn),氧化鋁與玻璃、氧化鋁基片與介質(zhì)1界面、96%氧化鋁基片表面等都會(huì)發(fā)生程度不同的銀離子遷移現(xiàn)象,這一遷移現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)造成電路的失效。銀離子遷移現(xiàn)象不僅僅與氧化鋁基片表面粗糙度和表面電子狀態(tài)存在直接聯(lián)系,而且還直接受到介質(zhì)玻璃材料和氧化鋁基片材料界面密度的影響,因此,這些缺陷中銀離子遷移擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生率更高。事實(shí)上,在這類結(jié)構(gòu)和材料中,即便降低電場(chǎng)強(qiáng)度到100 V/mm以下,但在長時(shí)間加電處理的基礎(chǔ)上,電陰極仍然會(huì)發(fā)生一定程度的銀離子遷移擴(kuò)散現(xiàn)象。

但是,在介質(zhì)2基片表面和99%BeO基片表面中,在上文所述的條件下,電遷移通??梢院雎圆挥?jì),在上述兩種材料表面中,即便覆蓋一層能夠?qū)︺y離子遷移產(chǎn)生完全抑制作用的玻璃,但仍然不會(huì)影響其性能,但在96%氧化鋁表面,介質(zhì)2能夠得到較為理想的抗遷移效果,上述兩種材料的界面性能和表面性能仍然有待于進(jìn)一步的研究。

為了消除厚膜混合集成電路中銀離子的遷移現(xiàn)象對(duì)電路可靠性的影響,首先在厚膜電路印刷版圖設(shè)計(jì)時(shí),避免在關(guān)鍵元件之間加有偏置電壓,加有偏置電壓的導(dǎo)體之間間隙在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量的大一些;其次應(yīng)采用銀和貴金屬(如鈀和鉑)的合金,合金中的貴金屬可降低銀離子形成的速度;還應(yīng)盡量選擇那些具有較好表面性能以及能夠避免銀離子遷移的介質(zhì)和基片材料;加工、儲(chǔ)存和密封厚膜電路時(shí),盡量在無濕氣、無污染的環(huán)境中進(jìn)行;電路表面可用玻璃鈍化層保護(hù)有機(jī)涂覆或無定型包封等,以隔絕水氣凝聚于厚膜電路表面;使用應(yīng)盡量避免高濕、高溫環(huán)境等。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳原,關(guān)志成.合成絕緣子的離子遷移試驗(yàn)研究[J].華北電力技術(shù),1998,(2).

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