本文闡述燒結(jié)現(xiàn)象及燒結(jié)過(guò)程，從燒結(jié)工藝原理出發(fā)，提出制定燒結(jié)規(guī)范的方法和有關(guān)原則，為獲得良好的成品率，提供最佳燒結(jié)條件。

一、前言

在厚膜混合集成電路制造中，燒結(jié)是十分重要的工序。在基片上干燥過(guò)的厚膜元件必須經(jīng)過(guò)燒結(jié)，才具備一定的電性能。例如，厚膜電阻在印刷、干燥后，如果不經(jīng)過(guò)燒結(jié)，并不具有電阻的特性，即無(wú)一定的電阻值。因此，燒結(jié)工序是厚膜技術(shù)區(qū)別于薄膜技術(shù)的特性工序。雖然，厚膜電阻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。其重要條件是燒結(jié)溫度。只有在最適宜的條件下燒結(jié)，才能得出所用材料的最佳性能。因此，燒結(jié)時(shí)賦予厚膜元件“生命”的關(guān)鍵性工序。所以，厚膜元件及其集成電路的各種特性，絕大部分取決于燒結(jié)。

各種厚膜元件的燒結(jié)溫度在600~1000℃之間。而且必須在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到燒結(jié)溫度。在生產(chǎn)中，為了得到預(yù)定的性能指標(biāo)，并獲得良好的成品率，應(yīng)當(dāng)探求燒結(jié)規(guī)律，且能準(zhǔn)確地控制其再現(xiàn)性；同時(shí)，正確地供給空氣或其它氣氛，和控制排氣，使揮發(fā)燃燒的有機(jī)物不致污染厚膜，惡化其性能。

二、燒結(jié)及其現(xiàn)象

燒結(jié)，主要是指固態(tài)物質(zhì)的燒結(jié)。在燒結(jié)中要產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，當(dāng)固態(tài)顆粒被置于適當(dāng)高的溫度下時(shí)，由于燒結(jié)的作用，使其產(chǎn)生收縮，多孔性大大減少，密度和機(jī)械強(qiáng)度大大提高，如圖1所示。

圖1 厚膜在工藝中的變化

燒結(jié)過(guò)程中，固體顆粒受熱，柸體內(nèi)的空隙被排除而體積收縮，在密度和機(jī)械強(qiáng)度得到提高的同時(shí)，使晶體缺陷減少，晶粒長(zhǎng)大，而且晶粒的比表面，自由能將相應(yīng)降低。所以，一般以收縮率，氣孔率、表面狀態(tài)等，作為衡量燒結(jié)質(zhì)量的指標(biāo)。

歸納起來(lái)，燒結(jié)現(xiàn)象有以下幾點(diǎn)：

（1）          由于被燒結(jié)體在燒結(jié)過(guò)程中要發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，因而燒結(jié)體在外觀、結(jié)構(gòu)、性能方面都要發(fā)生變化。

（2）          在燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)體的各種變化速度不一樣，各種變化對(duì)燒結(jié)的各個(gè)因素的敏感性也各不相同。因此，為得到良好的性能及重復(fù)性，必須嚴(yán)格控制燒結(jié)條件。

（3）          在燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)體的變化十分復(fù)雜。因此不同的材料和原件的燒結(jié)條件各不相同。應(yīng)該指出，最佳燒結(jié)條件并不容易掌握和控制，對(duì)于具體材料，原件要具體分析，最佳燒結(jié)條件需要通過(guò)多次試驗(yàn)才能加以確定。

（4）          燒結(jié)對(duì)材料的要求有三：①要選擇對(duì)燒結(jié)因素變化不敏感的材料，以獲得優(yōu)良的重復(fù)性，方便生產(chǎn)。②要選擇適當(dāng)?shù)牟牧辖M成，以獲得良好的工藝性，以縮短生產(chǎn)周期。③要考慮設(shè)備和工藝條件的可能性，應(yīng)盡量選擇那些燒結(jié)溫度不太高的材料，以節(jié)省能源，降低成本。

（5）          對(duì)于厚膜元件厚膜混合集成電路的燒結(jié)，并不是一般粉末的燒結(jié)。不但要求它成為最大密度和最高機(jī)械強(qiáng)度的整塊結(jié)合，而且要求它牢固地附著于基片上，并且有一定的電性能。顯然，厚膜的電性能取決于厚膜結(jié)構(gòu)和成分。因此，厚膜燒結(jié)與一般的粉末燒結(jié)雖無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但要求和表現(xiàn)卻不相同，這就是厚膜燒結(jié)的特殊性。

（6）          從工藝上平價(jià)燒結(jié)質(zhì)量的好壞，主要依據(jù)厚膜元件的特點(diǎn)和對(duì)其性能的要求。在生產(chǎn)中，通常測(cè)定使用有決定意義的性能參數(shù)，據(jù)此判斷是否燒結(jié)良好，或是否達(dá)到預(yù)期燒結(jié)目的。

（7）          對(duì)于粉末燒結(jié)，粉末特性相當(dāng)重要。同一組成的材料，如果粉末的制取方法和處理工藝不同，燒結(jié)后的材料性能也不同。在大多數(shù)情況下，燒結(jié)后的性能并不決定于所用材料，而決定于粉末的性質(zhì)。粉末性質(zhì)包括粒度，粒度分布，顆粒的形狀，表面狀態(tài)及內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)等。

三、燒結(jié)過(guò)程

燒結(jié)過(guò)程分為四個(gè)階段：如RuO2和Pb2Ru2O6電阻漿料和燒結(jié)。

1.       燃燒階段

在此過(guò)程中主要粘合劑的揮發(fā)，分解和燃燒。一般在300~400℃溫度區(qū)或到350℃就基本完成。

電阻在燒結(jié)過(guò)程中當(dāng)氧氣供應(yīng)充足時(shí)，有機(jī)物反應(yīng)如下：

有機(jī)物+O2→CO2↑+H2O

當(dāng)空氣不足時(shí)有機(jī)物的反應(yīng)如下：

有機(jī)物+O2→CO↑+CH4↑+H2O=C+CH3OH……

上述生成物將與（Ru）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)如下：

RuO2+C→Ru+CO2↑

RuO2+2CH3OH→3Ru+2CO2+4H2O

因此，電阻燒結(jié)時(shí)，為了滿(mǎn)足這一特定條件下的反應(yīng)，必須供給充足氧氣。為了充分燒盡高分子化合物，避免厚膜表面形成氣泡、鼓起，升溫速度不能太快，通常以50~100℃/為宜。

2.       玻璃軟化階段

當(dāng)溫度升高到玻璃軟化點(diǎn)后，玻璃料開(kāi)始軟化，逐漸融熔融，一般溫度為480℃~550℃左右。玻璃釉熔融并浸潤(rùn)導(dǎo)電相，使它均勻分布在厚膜中，還將厚膜粘結(jié)在基片上，并起覆蓋密封作用。

3.   電阻燒成階段

玻璃熔融后，由于玻璃對(duì)導(dǎo)電相顆粒的濕潤(rùn)和塑性流動(dòng)，顆粒之間的吸附，顆粒相互“粒結(jié)”起來(lái)，構(gòu)成了所謂的“鏈狀結(jié)構(gòu)”。如圖2所示。

4.   冷卻階段

經(jīng)過(guò)最高燒結(jié)溫度保溫一定時(shí)間后，可以按降溫速度降溫，使其冷卻至環(huán)境溫度。在此過(guò)程中，玻璃逐漸硬化，到550℃左右基本完全凝固。將膜固定并牢固附著在基體上。

四、燒結(jié)工藝

確定厚膜產(chǎn)品的燒結(jié)規(guī)范十分重要，在規(guī)范中主要包括升速度，最高燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間，將速度和方式，以及氣氛等。這些條件的確定除與原料成分、加工粉碎情況、成膜方式、固相反應(yīng)過(guò)程有關(guān)外，還與燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)，加熱方式、裝爐情況有關(guān)。

合理的燒結(jié)規(guī)范，應(yīng)以燒結(jié)速度快，周期短，質(zhì)量好為原則。在保證厚膜產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，力求省時(shí)節(jié)能，所以，能否獲得優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的厚膜產(chǎn)品，是評(píng)價(jià)燒結(jié)規(guī)范合理與否的標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)從工藝原理出發(fā)，提出及制定燒結(jié)規(guī)范的方法和有關(guān)原則。

1、 升溫度速度

在厚膜燒結(jié)中，從室溫升至最高燒結(jié)溫度的敬意，稱(chēng)為升溫時(shí)間，在保證厚膜性能要求的情況下，升溫期盡可能短。由于升溫速度主要影響燒結(jié)的各種反應(yīng)，所以升溫太快，有機(jī)物劇烈揮發(fā)，形成氣泡和針孔。由于升溫時(shí)間太短，有機(jī)物燃燒不盡，影響膜的性能和性質(zhì)。不過(guò)，升溫速度也不能太慢，否則將影響生產(chǎn)率。

一般是，對(duì)于大片，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多層厚膜產(chǎn)品，升溫速度慢一些，以免局部溫差過(guò)大，脹縮不一而導(dǎo)致變形、分層、龜裂等。對(duì)于多片疊燒或埋燒的小片產(chǎn)品，由于傳熱比較均勻，升溫度可快一些。

2、 最高燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間

最高燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間二者相互制約又相互補(bǔ)償。調(diào)整兩者數(shù)值，可達(dá)到一次經(jīng)歷發(fā)展成熟，晶界明顯，無(wú)過(guò)分二次結(jié)晶，收縮均勻，氣孔極少，致密度最高等。

1） 最高燒結(jié)溫度的確定

在實(shí)際生產(chǎn)或燒制研究中，對(duì)厚膜漿料高燒結(jié)溫度的確定，主要依據(jù)綜合熱分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因?yàn)楹衲{料的成分，顆粒的粗細(xì)，配比，成膜與密度，摻雜相與用量等的混合與分布情況，都與其最高燒結(jié)溫度密切相關(guān)。

應(yīng)在一定范圍內(nèi)選擇最高燒結(jié)溫度。對(duì)于結(jié)晶能力強(qiáng)，燒成溫區(qū)窄的厚膜，先用范圍的下限，且適當(dāng)增長(zhǎng)保溫時(shí)間；對(duì)于組成復(fù)雜，結(jié)晶能力較弱，燒成溫區(qū)較寬的厚膜，可選擇溫度范圍的上限，而適當(dāng)縮短保溫時(shí)間，節(jié)約能源。

2） 最高燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間的關(guān)系

對(duì)于多數(shù)厚膜元件，在燒結(jié)后期的再結(jié)晶過(guò)程，主要受擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)構(gòu)制約，其粒界移動(dòng)速度V與絕對(duì)溫度T成指數(shù)關(guān)系：

V=V0esp(-b /T)

式中：V0—頻率因子，與界面能，界面曲率等關(guān)系密切，與溫度關(guān)系不太大。

      b—激活能有關(guān)的系數(shù)。如果一次晶粒長(zhǎng)大時(shí)，粒界移動(dòng)的平均距離為X，則：

X=Vt=V0texp(-b /T)

式中：t—擴(kuò)散時(shí)間，可認(rèn)為是相應(yīng)的燒結(jié)時(shí)間。如將上式中的T換為T0，則可得出最高燒結(jié)溫度T0與保溫時(shí)間t的關(guān)系：

t=t0exp(-b /Tf)

式中：t0=X /V0可見(jiàn)，保溫時(shí)間與最高燒結(jié)溫度成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)要求粒界移動(dòng)相同距離時(shí)，T0稱(chēng)一變動(dòng)，t就要大調(diào)整。一般，保溫時(shí)間直接影響燒結(jié)反應(yīng)是否充分，厚膜結(jié)構(gòu)是否均勻，以及晶體的生長(zhǎng)情況等。對(duì)于含玻璃的導(dǎo)體保溫時(shí)間以短為好。因?yàn)楸貢r(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使導(dǎo)體漿料中的玻璃浮于厚膜表面，降低其可焊性和附著力。

3、 降溫速度及其方式

按照燒結(jié)規(guī)范，在最高燒結(jié)溫度下保溫一定時(shí)間以后，以一定速度降溫，降溫方式是指厚膜產(chǎn)品燒結(jié)保溫后的冷卻速度及其有關(guān)問(wèn)題。因?yàn)閷?duì)厚膜產(chǎn)品性能的要求不一，根據(jù)冷卻速度的快慢，常見(jiàn)的降溫方式有三種：

1）  緩慢降溫：主要根據(jù)燒結(jié)爐子的結(jié)構(gòu)，熱容量大小，采取少量供熱，按規(guī)定的速度緩慢降溫。

2）  隨爐降溫：在保溫時(shí)間后，切數(shù)能源，隨爐自然保溫。

3）  急速降溫：是為了使高溫時(shí)的晶相結(jié)構(gòu)能盡量保持下來(lái)，避免在慢速降溫中可能出現(xiàn)的化合物分解，固溶體脫落，玻璃相減少，粒界過(guò)分移動(dòng)、晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，多晶轉(zhuǎn)變，繼續(xù)氧化還原反應(yīng)，某些物質(zhì)的擴(kuò)散等。

4、 燒結(jié)曲線

改變最高燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，對(duì)厚膜的性能影響很大。圖3為聊算鹽系長(zhǎng)的燒結(jié)曲線，在800~900℃范圍內(nèi)燒結(jié)的效果最好，最高燒結(jié)溫度為850℃，保溫時(shí)間為9-10min，燒結(jié)周期為60分鐘。

圖4是兩種不同周期的燒結(jié)溫度變一時(shí)間的曲線圖。

（b）為短周期燒結(jié)曲線，周期為30 min最高燒結(jié)溫度為850℃，長(zhǎng)溫速度在300~500℃之間，為100℃/min。現(xiàn)漿料分廠引進(jìn)的ISTU燒結(jié)爐采用上述曲線。

五、影響燒結(jié)的因線

影響燒結(jié)過(guò)程和燒結(jié)效果的因素很多，主要有：最高燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間，燒結(jié)時(shí)的環(huán)境氣氛，以及固相顆粒的特性。