在厚膜混合集成電路制造中，燒結(jié)是極其關(guān)鍵的工序。陶瓷基板上經(jīng)印刷、烘干過(guò)的厚膜元件必須經(jīng)過(guò)燒結(jié)，厚膜材料的特性才能得以還原，它們才會(huì)具備一定的電性能。

      實(shí)際上，燒結(jié)是一種熱處理過(guò)程。對(duì)印刷、烘干過(guò)的厚膜元件加熱，在合適的溫度下保溫一定時(shí)間，然后再降溫。在此過(guò)程中，燒結(jié)包括升溫速度、峰值燒結(jié)溫度及在此溫度下的保溫時(shí)間、降溫速度、燒結(jié)氣氛等，它們都對(duì)厚膜元件性能產(chǎn)生重大影響。因此，厚膜燒結(jié)工序是厚膜技術(shù)區(qū)別于薄膜技術(shù)的特征性工序。雖然，厚膜元件的特性主要取決于厚膜材料的性質(zhì)及組成，但是，燒結(jié)是決定性的，只有在最合適的溫度及相應(yīng)條件下燒結(jié)，才能得到厚膜材料的最佳性能。所以說(shuō)，燒結(jié)是賦予厚膜元件“生命”的關(guān)鍵性工序。 

      大部分厚膜材料的燒結(jié)溫度在500℃~1000℃度之間，并且需要在專用燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行。同時(shí)，燒結(jié)的過(guò)程中必須供給適當(dāng)?shù)臍夥占罢_地控制排氣，而且能夠準(zhǔn)確地控制其再現(xiàn)性。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了獲得預(yù)期的性能指標(biāo)，達(dá)到良好的產(chǎn)品合格率，并滿足一定的生產(chǎn)能力，就必須探索燒結(jié)規(guī)律。只有在正確的燒結(jié)規(guī)范指導(dǎo)下，才能保證厚膜產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。

 1 燒結(jié)過(guò)程及現(xiàn)象 

       在燒結(jié)過(guò)程中，厚膜元件內(nèi)部要發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化。在此期間，固體顆粒粉末受熱，柸體內(nèi)的孔穴被排除而體積収縮，在密度和機(jī)械強(qiáng)度大大提高的同時(shí)，使晶體缺陷減少，晶粒長(zhǎng)大，顆粒的比表面積、自由能將相應(yīng)降低。燒結(jié)的主要參數(shù)是峰值溫度、保溫時(shí)間、升溫和降溫速度、燒結(jié)氣氛及其流量。 由于厚膜燒結(jié)過(guò)程十分復(fù)雜，因而不能?chē)?yán)格地劃分其過(guò)程中的每一個(gè)階段。但從實(shí)際生產(chǎn)的角度來(lái)看，其主要變化過(guò)程可以大致劃分如下：

 1.1低溫預(yù)燒階段 

      在此過(guò)程中，主要是有機(jī)粘合劑的揮發(fā)、分解和燃燒。一般發(fā)生在300℃—400℃溫區(qū)，被加熱到500℃時(shí)，漿料中的有機(jī)成分就可以徹底燃燒掉。升溫速度決定著有機(jī)物被排除的速率和徹底成都，為了充分燃盡高分子化合物，同時(shí)避免厚膜表面形成氣泡、鼓起，要求升溫速度不能過(guò)快，通常以50℃—100℃/min為宜。

      對(duì)于釕系厚膜電阻，在燒結(jié)過(guò)程中當(dāng)氧氣供應(yīng)充分時(shí)，有機(jī)物發(fā)生的反應(yīng)為：

     有機(jī)物+O2→CO2↑+H2O 當(dāng)氧氣供應(yīng)不足時(shí)，有機(jī)物發(fā)生的反應(yīng)為： 有機(jī)物+O2→CO2↑+CH4↑+H2O↑→C+CH3OH…… 此生成物將與（Ru）進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如下： RuO2+C→Ru+CO2↑ RuO2+CH3OH→Ru+CO2↑+H2O↑ 很顯然，當(dāng)氧氣供應(yīng)不足時(shí)，厚膜電阻內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)物中就會(huì)有料的單質(zhì)產(chǎn)生，使其電性能惡化，即中毒現(xiàn)象。

 1.2玻璃軟化階段 

       一般當(dāng)溫度升高至480℃—550℃左右，即達(dá)到玻璃的軟化點(diǎn)以后，漿料中的玻璃和軟化物組分開(kāi)始軟化，出現(xiàn)熔結(jié)和致密化現(xiàn)象，逐漸熔融并浸潤(rùn)導(dǎo)電相，使其均勻分布在厚膜中，并與漿料中的其它成分及基片發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)鍵合將厚膜膜體粘結(jié)在陶瓷基板上，同時(shí)還起到覆蓋密封作用。

 1.3厚膜燒結(jié)階段 

      當(dāng)溫度繼續(xù)升高至峰值燒結(jié)溫度下并進(jìn)行保溫時(shí)，由于玻璃熔融后對(duì)導(dǎo)電相顆粒的潤(rùn)濕和塑性流動(dòng)加劇，以及顆粒之間的互相吸附、互相粘結(jié)作用，使固體導(dǎo)電顆粒形成鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 

1.4降溫冷卻階段 

      當(dāng)厚膜元件在最高燒結(jié)溫度下經(jīng)過(guò)保溫一定時(shí)間后，就開(kāi)始按照一定的降溫速度進(jìn)行降溫，使其冷卻到環(huán)境溫度。 在此過(guò)程中，玻璃逐漸硬化，當(dāng)溫度降至550℃~480℃左右基本完全凝固，同時(shí)導(dǎo)電顆粒互相吸引，粘結(jié)在一起構(gòu)成鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并固定下來(lái)，最后成為厚膜，牢固地附著在基板上。降溫速率決定厚膜層和幾片之間得熱應(yīng)力，它們對(duì)厚膜元件及電路的質(zhì)量有著重要的影響，應(yīng)該嚴(yán)格控制。對(duì)于尺寸較大，或者是經(jīng)過(guò)激光劃線或打孔的羈絆，如果降溫速度太快，則降溫過(guò)程中可能出現(xiàn)裂片。因此，通常把降溫速度也控制在50℃—100℃/min以內(nèi)。

 2 厚膜燒結(jié)的機(jī)理 

       從以上燒結(jié)的過(guò)程及從每個(gè)階段所發(fā)生的現(xiàn)象可以看出，厚膜燒結(jié)的過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)是固相反應(yīng)。實(shí)際上，固相反應(yīng)常常有液相或氣相參與，并促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，導(dǎo)致燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程總伴隨著顆粒間發(fā)生的物質(zhì)交換，所以說(shuō)，物質(zhì)交換是燒結(jié)的關(guān)鍵。如果沒(méi)有物質(zhì)遷移過(guò)程，那么柸體內(nèi)的孔穴中孔穴的減少和體積的收縮將不可能實(shí)現(xiàn)。歸納起來(lái)，燒結(jié)主要通過(guò)以下幾個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)： 

       a)在高溫下，各固相顆粒之間通過(guò)接觸點(diǎn)附近的玻璃釉產(chǎn)生粘性或塑性流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)顆粒燒結(jié)。其根本機(jī)理是由于厚膜內(nèi)部應(yīng)力的作用，而使高溫下玻璃釉顆粒軟化產(chǎn)生粘性或塑性流動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)電相顆粒粘結(jié)在一起，并產(chǎn)生體積收縮。其決定性因素是升溫速度和降溫速度。 

       b)各固相顆粒之間通過(guò)表面接觸處的互相擴(kuò)散，以完成物質(zhì)交換而實(shí)現(xiàn)顆粒燒結(jié)。它的根本機(jī)理是，在溫度作用下，固相物質(zhì)的原子從晶格上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)遷移到該晶格或相鄰晶格中的另一個(gè)結(jié)點(diǎn)上。晶格原子的擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系為： D=D0exp 式中：D0—由材料的物理狀態(tài)決定的常數(shù)，與溫度無(wú)關(guān)； k—波爾茲曼常數(shù)；T—絕對(duì)溫度；△E—擴(kuò)散激活能。 擴(kuò)散系數(shù)D表示材料的擴(kuò)散能力。從式中可以看出，隨著溫度T的升高，擴(kuò)散系數(shù)D增大。它表示當(dāng)溫度系數(shù)升高時(shí)，原子的內(nèi)能增加，原子振幅增大，其擴(kuò)散能力增強(qiáng)。 另一方面，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，由于原子的擴(kuò)散劇烈，會(huì)導(dǎo)致晶格點(diǎn)陣的缺陷增加，使燒成膜的性格惡化。它的決定因素是峰值燒結(jié)溫度和在此溫度下保溫時(shí)間。

       c)由于蒸氣壓的差別，易揮發(fā)的材料從固相顆粒凸面蒸發(fā)并淀積在顆粒接觸處的凹面附近，即通過(guò)氣相參與反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)顆粒燒結(jié)。其主要影響因素是燒結(jié)氣氛，因?yàn)槟ず竦臍怏w解析、氧化物的還原和離解、氧化物的分解等都與燒結(jié)氣氛有關(guān)。氣氛與燒結(jié)材料的相互反應(yīng)，形成穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的化合物，即通過(guò)氣相的物質(zhì)遷移、表面擴(kuò)散等，除去雜質(zhì)。 

       d)由于表面張力的差別，易融化的玻璃熔融后，從固相顆粒凸面聚集在顆粒接觸處的凹面附近，即通過(guò)液相參與反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)顆粒燒結(jié)。液相的存在可以促進(jìn)顆粒的燒結(jié)，因?yàn)樗饌鬏斘镔|(zhì)的作用。同時(shí)液相填充柸體內(nèi)的空隙，使燒結(jié)體空氣減少，甚至消失，從而改善厚膜的性能，它對(duì)固相德潤(rùn)世家越好，則燒結(jié)效果越好。 對(duì)于由硼硅酸鉛玻璃組成的厚膜材料系統(tǒng)而言，厚膜燒結(jié)主要是玻璃箱的作用。在高溫下，玻璃釉軟化、熔融、并對(duì)分散在其中的其它固相顆粒潤(rùn)濕。由于表面張力的作用，一方面玻璃顆粒自身燒結(jié)在一起，另一方面將分散的固相顆粒拉近、拉緊，使固相顆粒粘結(jié)起來(lái)，形成鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到了最大的致密度和強(qiáng)度，并具備了一定的電氣特性。

 3 燒結(jié)工藝及其制定原則 

       通過(guò)燒結(jié)，厚膜在外觀上、結(jié)構(gòu)上和性能上都發(fā)生了一系列的變化。為了獲得所需要的性能和良好的再現(xiàn)性，除了選用合適的材料外，必須制定合理的燒結(jié)工藝嚴(yán)格加以控制。 制定厚膜產(chǎn)品的燒結(jié)工藝十分重要，它是厚膜產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)穩(wěn)定性、重復(fù)性的重要保障。它主要包括升溫速度、峰值燒結(jié)溫度、峰值保溫時(shí)間、降溫速度和方式，以及燒結(jié)氣氛等。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，應(yīng)以質(zhì)量好、速度快、燒結(jié)周期短為原則。即在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，力求省時(shí)節(jié)能，提高生產(chǎn)效率。所以說(shuō)，能否獲得優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的厚膜產(chǎn)品，是衡量燒結(jié)工藝合理與否的標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)今白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，這一點(diǎn)尤其重要。 從厚膜燒結(jié)的基本原理出發(fā)，可以找出制定燒結(jié)工藝的方法及基本原則： 

3.1升溫速度 

       由于升溫速度主要影響低溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的各種反應(yīng)，如果升溫太快，有機(jī)物燃燒劇烈揮發(fā)，使燒結(jié)膜產(chǎn)生氣泡和針孔；升溫時(shí)間太短，有機(jī)粘合劑燃燒不完全，燃燒氣體將影響燒結(jié)氣氛，導(dǎo)致厚膜的性能惡化。但是，升溫速度也不能過(guò)慢，否則將影響生產(chǎn)效率。 另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，對(duì)于尺寸較大的基片及多層布線的產(chǎn)品，或者是經(jīng)過(guò)激光劃線的多聯(lián)片、模具多聯(lián)片或打孔的基片，升溫速度要稍慢一些，以免局部溫差過(guò)大、膨脹不一而造成裂片、分層等。一般來(lái)說(shuō)，升溫速度設(shè)置在50℃/min左右為宜。 3.2峰值燒結(jié)溫度及保溫時(shí)間 峰值燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間二者相互制約又相互補(bǔ)償。對(duì)兩者進(jìn)行合理調(diào)整，可得到一次經(jīng)歷生長(zhǎng)成熟、晶界明顯、吳國(guó)分二次結(jié)晶、收縮均勻、氣孔率少、致密度高的厚膜產(chǎn)品。 

3.2.1峰值燒結(jié)溫度的確定

       在厚膜材料的燒制研究中，確定峰值燒結(jié)溫度的主要依據(jù)是線收縮率，因?yàn)樗湍拥臍饪茁省⑾鄬?duì)密度有關(guān)。通過(guò)測(cè)量在不同燒結(jié)溫度下獲得的燒結(jié)膜的氣孔率、相對(duì)密度和限度變化規(guī)律，就可以得到某種材料的最佳燒結(jié)溫度。因此，每一個(gè)廠商的每一種漿料都有推薦的燒結(jié)溫度。 在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)針對(duì)具體所用漿料的推薦燒結(jié)溫度值，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，以選擇最佳的峰值燒結(jié)溫度。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于結(jié)晶能力較弱、燒成溫區(qū)較寬的材料，可選擇溫度范圍的上限，而適當(dāng)縮短保溫時(shí) 間，以節(jié)省能源。 總之，峰值燒結(jié)溫度對(duì)厚膜結(jié)構(gòu)及性能影響較大。確定的原則是，既要保證厚膜結(jié)構(gòu)好，獲得最佳性能，又不至于發(fā)生使厚膜性能惡化的氧化、還原、分解反應(yīng)及晶格畸變、晶粒生長(zhǎng)過(guò)大等現(xiàn)象。 

3.2.2峰值燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間的關(guān)系 

       根據(jù)在燒結(jié)后期的再結(jié)晶過(guò)程主要受擴(kuò)散機(jī)制制約的原理，可得出峰值燒結(jié)溫度Tf與保溫時(shí)間t的關(guān)系：

       t=t0exp 式中，t0=x /v0，v0是頻率因子；x是晶界移動(dòng)的平均距離；b是與激活能有關(guān)的系數(shù)，都可視為常數(shù)。由此可見(jiàn)，保溫時(shí)間與峰值燒結(jié)溫度成指數(shù)關(guān)系，Tf稍一變動(dòng)，t就需要進(jìn)行大的調(diào)整。一般地，保溫時(shí)間直接影響燒結(jié)反應(yīng)是否充分，燒成末是否均勻，以及晶體的生長(zhǎng)情況等。此外，還要考慮在保溫時(shí)間結(jié)束時(shí)，玻璃釉不應(yīng)出現(xiàn)大量結(jié)晶。例如，對(duì)于導(dǎo)體的燒結(jié)來(lái)說(shuō)，保溫時(shí)間以短為好，因?yàn)楸貢r(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使導(dǎo)體漿料中玻璃富裕厚膜表面，降低其可焊性和附著力。而且，該時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，浪費(fèi)能源；過(guò)短，不易準(zhǔn)確控制，也難使溫度均勻。一般要求在燒結(jié)爐內(nèi)不同點(diǎn)的溫度偏差在±2℃以內(nèi)，才能保證厚膜產(chǎn)品性能的一致性。 

3.3降溫速率及方式 

       按照燒結(jié)工藝，在峰值燒結(jié)溫度下保溫一定時(shí)間后，就以一定的速率降溫。與升溫的情況類似，對(duì)于尺寸較大的基片、激光劃線多聯(lián)片、模具多聯(lián)片或打孔的基片及多層布線的產(chǎn)品，如果降溫速度太快，也會(huì)由于局部溫差過(guò)大、收縮不一而造成裂片、分層等。所以，在目前的實(shí)際生產(chǎn)中，主要采用的是緩慢降溫的方式。即根據(jù)燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)，熱容量大小，少量供熱，按規(guī)定的速度緩慢降溫。一般來(lái)說(shuō)，此降溫速度也同樣設(shè)置在50℃/min左右。 

3.4燒結(jié)氣氛 

       氣氛對(duì)厚膜的燒結(jié)有著重要的影響，燒結(jié)氣氛的選擇主要是根據(jù)材料本身的性質(zhì)以及對(duì)燒結(jié)膜的性能要求來(lái)決定的。燒結(jié)氣氛對(duì)厚膜的氣體解吸、氧化物的還原和分解、經(jīng)氣氛和燒結(jié)材料相互作用而形成的穩(wěn)定的與不穩(wěn)定的化合物的出現(xiàn)、雜質(zhì)的去除、通過(guò)氣相的物質(zhì)遷移、表面擴(kuò)散，等等，都會(huì)產(chǎn)生重大影響。

        氣氛可分為氧化性、還原性和中性三類，主要依據(jù)材料本身的氧化/還原反應(yīng)特性及燒結(jié)的反應(yīng)對(duì)性能的影響等因素選擇燒結(jié)氣氛。目前我們所用的大多數(shù)公司的漿料都是在氧化性氣氛中進(jìn)行燒結(jié)的。 實(shí)際生產(chǎn)中，一般用空氣作為所需的氧化性氣氛。送入燒結(jié)爐的空氣，其質(zhì)量一定要得到保證，要求無(wú)水分、無(wú)油污、無(wú)粉塵、無(wú)污染性氣體。

        燒結(jié)時(shí)，完全反應(yīng)所需的空氣數(shù)量可由下式計(jì)算得出： V=P·L·A·W·S 式中：V—燒結(jié)所需要的氣體流的體積，升/min； P—級(jí)偏上印刷漿料面積與基片面積比； L—燒結(jié)爐帶負(fù)荷因子，即基片總面積與燒結(jié)爐傳送帶面積比； A—常數(shù)，是單位面積上厚膜中聚合物焙燒盡所需要的空氣數(shù)量，一般為0.4升/㎝2; W—傳送帶的寬度，㎝； S—傳輸帶的溫度，㎝/min。 例如，級(jí)偏上單面印刷漿料的覆蓋率為70%，燒結(jié)爐載荷為75%，傳輸帶寬度為25英寸，帶速為4.8英寸/分，則按此公式求得有機(jī)燃盡所需要的空氣流量為： V=0.7×2×0.75×0.4×63.5×12.2≈325（升/min）。 

4 燒結(jié)曲線及燒結(jié)工藝

        綜上所述，合理的升溫速度和降溫速度，合適的峰值燒結(jié)溫度以及保溫過(guò)程中的溫度—時(shí)間關(guān)系，就構(gòu)成了完整的厚膜燒結(jié)曲線，它的固化文件就形成了燒結(jié)工藝。不同的厚膜漿料，其燒結(jié)曲線有所不同，但基本形狀大體相同，，燒結(jié)工藝也大體一致。 下圖所示為典型的周期為60分鐘的燒結(jié)曲線。 某些品種的漿料或厚膜產(chǎn)品適合快速燒結(jié)，常用周期為30分鐘的短周期燒結(jié)曲線。與長(zhǎng)周期曲線相比，兩者基本類似，不同之處是升溫速度和降溫速度要苦熬已被，大約為100℃/min。

 5 結(jié)論 

       通過(guò)制定詳細(xì)的燒結(jié)工藝，合理地設(shè)置各項(xiàng)工藝參數(shù)，并加以嚴(yán)格地執(zhí)行和控制，就能得到質(zhì)量令人滿意、生產(chǎn)效率滿足要求的厚膜產(chǎn)品，持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)秩序就能得到保障。