厚膜銀導體銀離子遷移的試驗設計要點分析

廉大楨 王社教

摘 要：文章對厚膜銀導體銀離子遷移試驗的基本考核條件和試驗方法進行了系統分析，由試驗結果可知，在直流電場660 V/mm的強度下，經過介質材料和基片材料的更換，能夠對銀離子的遷移現象產生一定的抑制作用，實現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象的一種體現，且會直接受到材料表面界面性能等因素的影響。

關鍵詞：厚膜銀導體；銀離子遷移；設計要點

中圖分類號：TQ153.16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0179-02

因為銀導體工藝性能和導電性，銀導體通常用于厚膜混合集成電路的功率電路中，然而，因為直流、高濕、高溫的電場條件下，銀導體會產生因銀離子遷移造成電路短路現象，進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結果進行驗證，但在具體的電路運行中，怎樣對銀離子遷移的發生程度進行判斷，仍然缺乏較為深入的研究。

1 試驗設計

在偏置電場以及高溫、高濕的環境下，陽極的金屬銀能夠在化學反應的作用下逐步轉化為銀離子，并經遷移通道向陰極部位遷移，銀離子能夠在陰極處逐步生長，進而誘發漏電流過大、電路短路、飛弧或介質擊穿等嚴重的失效現象。圖1為實際應用電路產生銀離子遷移現象的實例。

在具體的電路工作過程中，銀離子遷移一般需要耗費較長的時間才得以產生宏觀的擴散和生長現象，為了對銀離子的遷移速度進行進一步的驗證分析，利用水滴試驗的方法進行觀察分析。因為在具有較高可靠性和實際應用價值的電路中，材料表面的水汽吸附能力與水膜的實際性能具有較大的差異，同時遷移通道也較為豐富，各個類型材料的表面界面結構也不存在較大的差別，所以，模擬實際環境對銀離子遷移的影響程度是一種較為合理的試驗手段，實際環境主要涉及考核條件、水汽含量、遷移通道、偏置電場等。

1.1 遷移的判定依據

首先是通過電流保護進行判斷，在電流達到一定水平后，電路會自動斷開，依據實際情況可選擇0.2 A的電流大小，也可使用較低的電流保護開關或是熔斷絲。其次是直接方法對陰極的銀離子生長情況進行觀察，若電路陰極存在典型的離子生長現象或是電路發生斷開，則可以確定銀離子發生遷移，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℃的溫度條件下進行100次循環，后在150℃的高溫條件下連續1 000 h加電試驗。

1.3 設置遷移通道

在偏置電壓保持不變的銀導體條件下，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、介質和基片等燒結后的界面，另一方面也可能是介質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2表面為C組，96%A12O3與介質2界面為C1組，介質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時都需要在1個標準大氣氣氛下進行充分暴露，并將相對濕度控制在50%至85%之間。在厚膜工藝實施過程中，96%A12O3表面通常是由96%A12O3基片上銀導帶燒結印制而成，在A12O3與空氣進行充分接觸后，96%A12O3與介質1界面則指的是96%A12O3基片上銀導帶燒結印制后，經介質1再次燒結印制而成的，介質1的布線范圍通常在上文所述的0.3 mm通道范圍之內。

1.4 偏置電壓與導體間距

偏置電壓通常為恒定直流電，通常在200 V以上，導體的工藝制作水平與導體的間距之間存在直接聯系，通常情況下在0.3 mm以下。為了對銀離子遷移現象進行觀察分析，偏置電場的強度應控制在600 V/mm以上[3]。

2 試驗結果

在150℃條件下連續進行1 000 h以上的試驗，試驗結果證實，A、A1、A2組在試驗300～700 h時會發生燒毀熔斷絲現象，但在A3、B、C、C1、C2組試驗時卻未發生熔斷現象。完成試驗后，觀察結果證實，A3組的導帶仍然會發生銀離子生長現象，然而，銀離子生長現象的發生僅僅限于具有較強電場的部位，與A、A1、A2組的銀離子陰極擴散生長過程不同。但是B、C、C1、C2組卻無法看到典型的銀離子生長現象。

3 討論與總結

由本文所述的試驗結果可知，在直流660 V/mm電場強度下，通過連續1 000 h的150℃加電試驗，氧化鋁與玻璃、氧化鋁基片與介質1界面、96%氧化鋁基片表面等都會發生程度不同的銀離子遷移現象，這一遷移現象的發生會造成電路的失效。銀離子遷移現象不僅僅與氧化鋁基片表面粗糙度和表面電子狀態存在直接聯系，而且還直接受到介質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散現象的發生率更高。事實上，在這類結構和材料中，即便降低電場強度到100 V/mm以下，但在長時間加電處理的基礎上，電陰極仍然會發生一定程度的銀離子遷移擴散現象。

但是，在介質2基片表面和99%BeO基片表面中，在上文所述的條件下，電遷移通常可以忽略不計，在上述兩種材料表面中，即便覆蓋一層能夠對銀離子遷移產生完全抑制作用的玻璃，但仍然不會影響其性能，但在96%氧化鋁表面，介質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象對電路可靠性的影響，首先在厚膜電路印刷版圖設計時，避免在關鍵元件之間加有偏置電壓，加有偏置電壓的導體之間間隙在允許范圍內應盡量的大一些；其次應采用銀和貴金屬（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和基片材料；加工、儲存和密封厚膜電路時，盡量在無濕氣、無污染的環境中進行；電路表面可用玻璃鈍化層保護有機涂覆或無定型包封等，以隔絕水氣凝聚于厚膜電路表面；使用應盡量避免高濕、高溫環境等。

參考文獻：

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