王春富 ,黎俊宇 ,李彥睿 ,王文博 ,張 健 ,秦躍利 ,鐘朝位

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所,四川 成都 610036;2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)海南有限公司,海南 ?？?570000;3.電子科技大學(xué),四川 成都 610054)

現(xiàn)代信息通信技術(shù),要求實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)中關(guān)鍵組成器件的小型化、輕量化以滿足應(yīng)用需求。高介薄型陶瓷芯片電容具有尺寸小、損耗小、容量大、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn),其在元器件表面貼裝技術(shù)和微電子電路中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-2]。

高介薄型陶瓷芯片電容的制備主要有三個(gè)關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié),一是高介陶瓷介質(zhì)基片的制備,陶瓷介質(zhì)基片的特性與最終電容器表面微觀形貌、電阻性能和介電性能密切相關(guān);二是陶瓷介質(zhì)基片表面的金屬電極制備,也稱薄膜金屬化工藝,金屬化工藝直接影響電容器電極的性能,對(duì)電容器性能影響非常大[1-3];最后是電容器件的精密切割,由于高介薄型陶瓷電容器基片薄、晶粒粗、脆性強(qiáng),易出現(xiàn)碎裂、飛晶、卷邊、毛刺等嚴(yán)重影響器件質(zhì)量的現(xiàn)象。針對(duì)高介薄型陶瓷芯片電容的三個(gè)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),作者在前面的工作中已經(jīng)報(bào)道了不同成型工藝對(duì)陶瓷芯片電容性能的影響[4],而本文將針對(duì)金屬化工藝和電容器精密切割工藝對(duì)薄型陶瓷芯片電容性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。

金屬化工藝中,高介薄型陶瓷芯片電容的電極一般采用薄膜工藝制備,為了防止電容電極中的金屬離子在電壓的作用下遷移至介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生漏電流導(dǎo)致性能惡化,通常會(huì)在陶瓷與金屬之間選擇合適的材料充當(dāng)過(guò)渡層,過(guò)渡層既可以阻擋金屬原子的遷移,又可以提高金屬電極膜層的附著力,保證在后續(xù)的切割和裝配過(guò)程中不會(huì)發(fā)生電極卷翹和膜層起層的問(wèn)題[4-5]。本文選用高介薄型陶瓷介質(zhì)材料,研究了其在金屬化工藝中過(guò)渡層材料、過(guò)渡層厚度對(duì)產(chǎn)品絕緣性能和介電性能的影響,通過(guò)測(cè)試分析優(yōu)選出較優(yōu)的膜系結(jié)構(gòu),為高介薄型陶瓷芯片電容生產(chǎn)提供了工藝基礎(chǔ)。

此外,為實(shí)現(xiàn)高介薄型陶瓷芯片電容的精密切割,本工作還從切割固定方法、載片材料選擇等方面入手,優(yōu)化了切割工藝,為微小器件的精密切割提供了工程指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 陶瓷芯片電容電極金屬化

選用絕緣電阻率大于1010Ω·cm(室溫,25 V),介電常數(shù)(ε)為2000,電容溫度變化率ΔC/C25≤12%(-55～125 ℃),介電損耗(tanδ)≤0.01 的高介陶瓷基片材料(記為HT)為研究對(duì)象,采用三種膜系結(jié)構(gòu)制備電極,分別是TiW/Au 結(jié)構(gòu)、TiW/Ni/Au 結(jié)構(gòu)和TaN/TiW/Au 結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)樣品標(biāo)記為A、B、C。電極制備采用磁控濺射工藝,控制膜系結(jié)構(gòu)中的過(guò)渡層厚度為400 nm。電極導(dǎo)體Au 采用電鍍加厚的方式制備,控制厚度在2 μm。介質(zhì)基片金屬化完成后,進(jìn)行精密切割,劃切成芯片電容并進(jìn)行性能測(cè)試。

為表征過(guò)渡層厚度對(duì)電容性能的影響,本工作選取溫度穩(wěn)定性較好、制備難度較低的TiW/Au 膜系作為過(guò)渡層,控制過(guò)渡層的厚度,制備完過(guò)渡層后觀察表面覆蓋情況,并進(jìn)行絕緣電阻偏壓特性測(cè)試。

1.2 陶瓷芯片電容的精密切割

選用高速高穩(wěn)定的兩英寸主軸的砂輪劃片機(jī),采用不同類型的切割刀、不同轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度、不同的固定方式進(jìn)行切割,切割完成后進(jìn)行觀察和測(cè)量。

1.3 樣品測(cè)試

采用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試樣品的絕緣電阻;使用LCR(Agilent 4284A)測(cè)試儀測(cè)試樣品的介電性能;在樣品介電性能測(cè)試過(guò)程中,采用temp850 型溫控箱對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度進(jìn)行控制;使用掃描電子顯微鏡(FEI Inspect F,United Kingdom)觀察樣品的表面微觀形貌;使用電子測(cè)量顯微鏡(NR 8090)觀察樣品的形貌并測(cè)量切割卷邊尺寸。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜系結(jié)構(gòu)中過(guò)渡層對(duì)性能的影響

選用HT 作為陶瓷介質(zhì)基片,不同過(guò)渡層材料的膜系結(jié)構(gòu)如表1,膜系結(jié)構(gòu)中的過(guò)渡層厚度為400 nm,按表1 設(shè)定的膜系進(jìn)行金屬化后,進(jìn)行器件的精密切割,并分別測(cè)試了高介薄型陶瓷芯片電容絕緣電阻的偏壓特性和溫度特性、電容量和介電損耗的溫度特性。

表1 不同過(guò)渡層的膜系選擇Tab.1 Film selection of different transition layers

2.1.1 膜系結(jié)構(gòu)中過(guò)渡層對(duì)絕緣電阻的影響

采用不同過(guò)渡層制作的高介薄型陶瓷芯片電容,在常溫下,測(cè)得其絕緣電阻偏壓特性如圖2 所示。當(dāng)過(guò)渡層厚度都為400 nm,但過(guò)渡層材料不同時(shí),其對(duì)應(yīng)的電容器樣品的絕緣電阻存在著較大的差異。C 在各個(gè)電壓點(diǎn)的絕緣電阻都比較大[6-7],A 和B 在各個(gè)電壓點(diǎn)的絕緣電阻值差異較小。三種不同膜系制作的樣品在50 V 以下的電壓下進(jìn)行測(cè)試,絕緣電阻下降趨勢(shì)比較平緩,但隨著測(cè)試電壓的升高,所有樣品的絕緣電阻都出現(xiàn)了比較大的衰減。但相對(duì)于A 和B,C在100 V 時(shí)的絕緣電阻仍然約有8000 MΩ。綜合來(lái)看,在常溫下采用TaN 和TiW 作為過(guò)渡層的TaN/TiW/Au膜系制備的樣品C 具有更高的絕緣電阻。

圖1 陶瓷芯片電容切割毛刺Fig.1 Cutting burr of ceramic chip capacitor

圖2 不同膜系對(duì)器件絕緣電阻偏壓特性的影響Fig.2 Effects of different film structure on bias voltage characteristics of insulation resistance of devices

2.1.2 膜系結(jié)構(gòu)中過(guò)渡層對(duì)絕緣電阻溫度特性的影響

設(shè)定測(cè)試電壓25 V,不同過(guò)渡層對(duì)樣品絕緣電阻溫度特性的影響如圖3 所示。隨著溫度的升高,不同過(guò)渡層對(duì)應(yīng)的樣品的絕緣電阻都呈下降的趨勢(shì),原因是溫度升高時(shí),帶電粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇,使通過(guò)介質(zhì)內(nèi)部的漏電流增大,絕緣電阻下降[8-9]。C 在80 ℃以下的絕緣電阻大于A 和B,但是隨著溫度上升,C 的絕緣電阻衰減速度較大;溫度高于100 ℃時(shí),A、B、C的絕緣電阻的衰減規(guī)律基本一致;150 ℃時(shí),A、B、C 的絕緣電阻值基本相同。值得注意的是,絕緣電阻偏壓特性較差的A 樣品的溫度特性反而比較好。即采用TiW 作為過(guò)渡層的TiW/Au 膜系制備的樣品,其絕緣電阻隨溫度上升衰減趨勢(shì)較平緩,受溫度變化影響較小,具有更好的溫度特性。

圖3 不同膜系對(duì)器件絕緣電阻的溫度特性的影響Fig.3 Effects of different film structure on temperature characteristics of insulation resistance of devices

2.1.3 膜系結(jié)構(gòu)中過(guò)渡層對(duì)電容溫度特性的影響

設(shè)定測(cè)試電壓為1 V,測(cè)試頻率為1 kHz,不同過(guò)渡層對(duì)樣品電容溫度特性的影響如圖4 所示,由圖中曲線可以看出不同過(guò)渡層膜系制備的樣品,其電容隨溫度變化的差異不大,基本控制在-10%～13%之間,都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,C 在0 ℃以下的電容變化率略小于A 和B,即采用TaN 和TiW 作為過(guò)渡層的TaN/TiW/Au 膜系制備的樣品C 電容隨溫度的變化最小。

圖4 不同膜系對(duì)器件電容溫度特性的影響Fig.4 Effects of different film structure on temperature characteristics of capacitance of devices

2.1.4 膜系結(jié)構(gòu)中過(guò)渡層對(duì)介電損耗溫度特性的影響

通過(guò)測(cè)試電容器在不同溫度條件下的介電損耗,不同膜系對(duì)高介陶瓷芯片電容介電損耗的溫度特性的影響如圖5 所示。由圖可知,不同膜系制備的電容器樣品的介電損耗隨溫度的變化情況具有明顯的差異,如樣品C,在0～60 ℃的溫度范圍內(nèi),介電損耗在三種樣品中最低,但在0 ℃以下和80 ℃以上時(shí),介電損耗卻最高。由此可知,在高介薄型陶瓷芯片電容的生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境來(lái)選擇不同的膜系結(jié)構(gòu)制備電極,使高介薄型陶瓷芯片電容在電子系統(tǒng)中使用時(shí)有最低的介電損耗[10]。

圖5 不同膜系對(duì)器件介電損耗的影響Fig.5 Effects of different film structure on dielectric loss of devices

2.2 過(guò)渡層厚度對(duì)器件性能的影響

選用HT 作為陶瓷介質(zhì)基片,由于復(fù)合膜層(如TaN/TiW、TiW/Ni)不易準(zhǔn)確分解各層的厚度,會(huì)使測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此針對(duì)過(guò)渡層厚度對(duì)器件性能影響的分析,高介薄型陶瓷芯片電容的制備選擇溫度穩(wěn)定性較好、制備難度較低的TiW/Au 膜系,通過(guò)控制濺射的參數(shù),使過(guò)渡層的厚度分別為80,400,600 nm,種子層濺射完成后觀察表面覆蓋情況,然后進(jìn)行外金屬電極制備和分片切割,最后測(cè)量高介薄型陶瓷芯片電容的性能。

2.2.1 不同過(guò)渡層厚度樣品表面覆蓋情況

在濺射完成后,通過(guò)SEM 觀察樣品表面,不同厚度過(guò)渡層對(duì)應(yīng)樣品表面的SEM 圖如圖6。

從圖6 (a)可以看出,采用80 nm 厚度過(guò)渡層制備的電容樣品表面膜層覆蓋不完全,表面有明顯的陶瓷介質(zhì)晶粒。當(dāng)過(guò)渡層厚度增加至400 nm 時(shí),電容樣品表面覆蓋情況有明顯改善,TiW 層將陶瓷表面包裹完全,基本看不見(jiàn)裸露在外的陶瓷晶粒,充分阻斷了表面金屬電極與陶瓷介質(zhì)的接觸。再將緩沖層厚度提高到600 nm 后,電容樣品表面包裹覆蓋情況進(jìn)一步提高,已經(jīng)完全看不到裸露在外的陶瓷晶粒,而且也看不見(jiàn)晶粒的輪廓,整個(gè)緩沖層表面平整、光滑且致密。因此從膜層覆蓋的情況來(lái)看,膜層厚度在400 nm 時(shí)已經(jīng)能比較好地覆蓋介質(zhì)陶瓷,當(dāng)增加到600 nm 后,表面覆蓋更加完整,已基本看不到表面晶粒的輪廓。

圖6 不同厚度過(guò)渡層對(duì)應(yīng)樣品表面的SEM 圖。(a) 80 nm 厚度、1000 倍觀察;(b) 400 nm 厚度、1000 倍觀察;(c) 600 nm 厚度、1000 倍觀察Fig.6 The surface SEM of the samples with different thicknesses of transition layer.(a) Thickness 80 nm,1000 times observation;(b) Thickness 400 nm,1000 times observation;(c) Thickness 600 nm,1000 times observation

2.2.2 過(guò)渡層厚度變化對(duì)電容絕緣電阻偏壓特性的影響

不同過(guò)渡層厚度對(duì)電容樣品絕緣電阻偏壓特性的影響如圖7 所示。由圖中曲線變化情況可見(jiàn),當(dāng)過(guò)渡層厚度在80 nm 時(shí),絕緣電阻總體比較低,其原因是在測(cè)試電壓的作用下,樣品表面沒(méi)有覆蓋完全的區(qū)域與Au 電極接觸,Au 離子在電壓作用下可以直接遷移進(jìn)陶瓷內(nèi)部,形成漏電流,使測(cè)得的絕緣電阻值普遍較低。隨著過(guò)渡層厚度由80 nm 增加至600 nm,各個(gè)電壓點(diǎn)的絕緣電阻都呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)過(guò)渡層厚度從80 nm 增加至400 nm 時(shí),高介薄型陶瓷芯片電容的絕緣電阻提升很大,平均每個(gè)電壓測(cè)試點(diǎn)增加了近3000 MΩ。而當(dāng)過(guò)渡層厚度從400 nm 加厚到600 nm 時(shí),絕緣電阻增加值幅度較小。因此,從膜系覆蓋性和絕緣電阻偏壓特性來(lái)看,400 nm 的過(guò)渡層已經(jīng)能獲得比較好的綜合效果。

圖7 厚度變化對(duì)絕緣電阻偏壓特性的影響Fig.7 Effects of thickness variation on bias voltage characteristics of insulation resistance of devices

2.3 薄型微小器件的精密切割

本文所述的高介薄型陶瓷電容器,采用的介質(zhì)基片材料質(zhì)地疏松、脆性強(qiáng),分片切割時(shí)極易出現(xiàn)崩邊、卷邊、毛刺等問(wèn)題,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)“飛晶” 現(xiàn)象。當(dāng)器件單邊尺寸小于1 mm 時(shí),圖形效應(yīng)表現(xiàn)得尤為明顯,每20 μm 的卷邊或毛刺將使整個(gè)電路片的形狀發(fā)生“扭曲” 而無(wú)法滿足性能和組裝的要求。砂輪切割行業(yè)比較成熟,設(shè)備的轉(zhuǎn)速、切割速度等工藝參數(shù)已有比較可靠的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,本工作著重從切割的固定方式、刀具選擇方面進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)顯微目檢的方式對(duì)高階薄型陶瓷芯片電容樣品進(jìn)行檢測(cè)。

2.3.1 切割刀具對(duì)崩邊和背金卷邊的影響

有關(guān)研究指出,砂輪刀具金剛砂顆粒的大小直接影響切削品質(zhì)。金剛砂顆粒較大的刀具在劃切時(shí)每次帶走的切削粉末較多,切削能力強(qiáng),但由于撞擊嚴(yán)重,容易產(chǎn)生較大的崩裂[11]。所以選擇顆粒小的薄型刀具有助于減小介質(zhì)陶瓷的崩邊,本工作分別選用0.25,0.15 mm 的樹(shù)脂刀(表面有金剛砂顆粒)和0.05 mm 金屬刀(表面無(wú)金剛砂顆粒),采用相同的切割參數(shù)進(jìn)行切割,獲得的效果如表2。

表2 不同刀具切割崩邊與卷邊情況Tab.2 Cutting edge broken and curling situation of different cutters

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出,薄型金屬刀因刀具較薄,表面沒(méi)有粘附金剛砂顆粒,對(duì)樣品的撞擊比較小,崩邊尺寸較小,獲得了良好的介質(zhì)邊緣,但同時(shí)也可以看出,無(wú)論哪種刀具都造成了比較嚴(yán)重的背金卷邊?？傮w來(lái)看,0.05 mm 的金屬刀具在獲得良好的樣品邊緣的同時(shí),還能保持較小的背金卷邊。

2.3.2 切割固定方式對(duì)崩邊和背金卷邊的影響

在工程應(yīng)用中,為了規(guī)避背金卷邊帶來(lái)的困擾,常規(guī)的做法是在切割路徑上去除金屬,制作出切割道,避免金屬粘連而發(fā)生卷邊毛刺,由于高介薄型陶瓷電容器基片晶粒較粗,基片厚度薄,基片整體脆性強(qiáng),極易出現(xiàn)碎裂,如果采用去除背金制作切割道的方式,需經(jīng)過(guò)一整套圖形轉(zhuǎn)移制程,這在工藝過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致片損嚴(yán)重。因此本工作通過(guò)解析切割過(guò)程中各材質(zhì)之間的形變關(guān)系發(fā)現(xiàn),背金卷邊與固定物的硬度相關(guān),其切割過(guò)程中的形變?nèi)鐖D8 所示。

圖8 砂輪切割背金屬形變示意Fig.8 Schematic diagram of the deformation of the back metal when the grinding wheel is cut

圖9 為X、Y方向切割示意圖。由圖9 可以看出,當(dāng)固定載體為常規(guī)的UV 粘接膜時(shí),由于載體比較軟,背金會(huì)隨載體的形變進(jìn)行延展而出現(xiàn)毛刺。為此,本工作用硬質(zhì)材料粘接固定被切樣件,有效避免了背金毛刺。另一方面需關(guān)注的是分片需從平面的X和Y兩個(gè)方向進(jìn)行切割,當(dāng)完成其中一個(gè)方向(如X方向)的切割準(zhǔn)備進(jìn)行第二個(gè)方向的切割時(shí),器件的另一個(gè)方向(如Y方向)處于懸空狀態(tài),正面金屬會(huì)在平面方向延展形成毛刺。

圖9 X、 Y 方向切割示意圖Fig.9 Schematic diagram of cutting in X and Y directions

為了有效規(guī)避表面金屬因平面延展出現(xiàn)的毛刺,本工作采用后填充的方式,在完成X方向的切割后,對(duì)切割道進(jìn)行回填,使在Y方向切割時(shí),表面金屬不會(huì)出現(xiàn)延展拖邊的毛刺。樣品實(shí)物如圖10,經(jīng)測(cè)試,樣件崩邊小于5 μm,沒(méi)有明顯可見(jiàn)的毛刺,獲得了良好的切割效果。

圖10 高介薄型陶瓷芯片電容Fig.10 High dielectric thin ceramic capacitors

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了金屬化工藝對(duì)薄型陶瓷芯片電容性能的影響,得到了最佳的膜系結(jié)構(gòu)及過(guò)渡層厚度。通過(guò)對(duì)高介薄型陶瓷芯片電容精密切割工藝的研究,解決了切割時(shí)極易出現(xiàn)崩邊、卷邊、毛刺等問(wèn)題。

在TiW/Au、TiW/Ni/Au 和TaN/TiW/Au 三種膜系結(jié)構(gòu)中,TaN/TiW/Au 膜系結(jié)構(gòu)能有效地提高高介薄型陶瓷芯片電容的絕緣電阻偏壓特性,且在室溫附近的介電損耗最小,綜合性能最佳,比較適宜用作高介薄型陶瓷芯片電容的電極膜系。

當(dāng)膜系結(jié)構(gòu)中過(guò)渡層的厚度為400 nm 時(shí)能很好地覆蓋高介薄型陶瓷基片的表面,可有效地隔絕陶瓷層與電極層的接觸,提高高介薄型陶瓷芯片電容的絕緣電阻值,降低介電損耗。

針對(duì)高介薄型陶瓷芯片電容切割分片,使用薄型切割刀,采用硬質(zhì)載體固定,切割回填的方法可減少金屬平面延展產(chǎn)生的卷邊和毛刺。

本工作通過(guò)對(duì)金屬化工藝、膜系結(jié)構(gòu)、過(guò)渡層厚度及精細(xì)切割的系統(tǒng)研究,為高介薄型陶瓷芯片電容生產(chǎn)提供了工藝基礎(chǔ)。