本文闡述燒結現象及燒結過程，從燒結工藝原理出發，提出制定燒結規范的方法和有關原則，為獲得良好的成品率，提供最佳燒結條件。

一、前言

在厚膜混合集成電路制造中，燒結是十分重要的工序。在基片上干燥過的厚膜元件必須經過燒結，才具備一定的電性能。例如，厚膜電阻在印刷、干燥后，如果不經過燒結，并不具有電阻的特性，即無一定的電阻值。因此，燒結工序是厚膜技術區別于薄膜技術的特性工序。雖然，厚膜電阻的特性主要取決于厚膜材料的性質及組成，但是，燒結是決定性的。其重要條件是燒結溫度。只有在最適宜的條件下燒結，才能得出所用材料的最佳性能。因此，燒結時賦予厚膜元件“生命”的關鍵性工序。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。

各種厚膜元件的燒結溫度在600~1000℃之間。而且必須在短時間內達到燒結溫度。在生產中，為了得到預定的性能指標，并獲得良好的成品率，應當探求燒結規律，且能準確地控制其再現性；同時，正確地供給空氣或其它氣氛，和控制排氣，使揮發燃燒的有機物不致污染厚膜，惡化其性能。

二、燒結及其現象

燒結，主要是指固態物質的燒結。在燒結中要產生復雜的物理化學變化過程，當固態顆粒被置于適當高的溫度下時，由于燒結的作用，使其產生收縮，多孔性大大減少，密度和機械強度大大提高，如圖1所示。

圖1 厚膜在工藝中的變化

燒結過程中，固體顆粒受熱，柸體內的空隙被排除而體積收縮，在密度和機械強度得到提高的同時，使晶體缺陷減少，晶粒長大，而且晶粒的比表面，自由能將相應降低。所以，一般以收縮率，氣孔率、表面狀態等，作為衡量燒結質量的指標。

歸納起來，燒結現象有以下幾點：

（1）          由于被燒結體在燒結過程中要發生一系列物理和化學變化，因而燒結體在外觀、結構、性能方面都要發生變化。

（2）          在燒結時，燒結體的各種變化速度不一樣，各種變化對燒結的各個因素的敏感性也各不相同。因此，為得到良好的性能及重復性，必須嚴格控制燒結條件。

（3）          在燒結時，燒結體的變化十分復雜。因此不同的材料和原件的燒結條件各不相同。應該指出，最佳燒結條件并不容易掌握和控制，對于具體材料，原件要具體分析，最佳燒結條件需要通過多次試驗才能加以確定。

（4）          燒結對材料的要求有三：①要選擇對燒結因素變化不敏感的材料，以獲得優良的重復性，方便生產。②要選擇適當的材料組成，以獲得良好的工藝性，以縮短生產周期。③要考慮設備和工藝條件的可能性，應盡量選擇那些燒結溫度不太高的材料，以節省能源，降低成本。

（5）          對于厚膜元件厚膜混合集成電路的燒結，并不是一般粉末的燒結。不但要求它成為最大密度和最高機械強度的整塊結合，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構和成分。因此，厚膜燒結與一般的粉末燒結雖無本質區別，但要求和表現卻不相同，這就是厚膜燒結的特殊性。

（6）          從工藝上平價燒結質量的好壞，主要依據厚膜元件的特點和對其性能的要求。在生產中，通常測定使用有決定意義的性能參數，據此判斷是否燒結良好，或是否達到預期燒結目的。

（7）          對于粉末燒結，粉末特性相當重要。同一組成的材料，如果粉末的制取方法和處理工藝不同，燒結后的材料性能也不同。在大多數情況下，燒結后的性能并不決定于所用材料，而決定于粉末的性質。粉末性質包括粒度，粒度分布，顆粒的形狀，表面狀態及內部的晶格結構等。

三、燒結過程

燒結過程分為四個階段：如RuO2和Pb2Ru2O6電阻漿料和燒結。

1.       燃燒階段

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

電阻在燒結過程中當氧氣供應充足時，有機物反應如下：

有機物+O2→CO2↑+H2O

當空氣不足時有機物的反應如下：

有機物+O2→CO↑+CH4↑+H2O=C+CH3OH……

上述生成物將與（Ru）發生化學反應，反應如下：

RuO2+C→Ru+CO2↑

RuO2+2CH3OH→3Ru+2CO2+4H2O

因此，電阻燒結時，為了滿足這一特定條件下的反應，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

當溫度升高到玻璃軟化點后，玻璃料開始軟化，逐漸融熔融，一般溫度為480℃~550℃左右。玻璃釉熔融并浸潤導電相，使它均勻分布在厚膜中，還將厚膜粘結在基片上，并起覆蓋密封作用。

3.   電阻燒成階段

玻璃熔融后，由于玻璃對導電相顆粒的濕潤和塑性流動，顆粒之間的吸附，顆粒相互“粒結”起來，構成了所謂的“鏈狀結構”。如圖2所示。

4.   冷卻階段

經過最高燒結溫度保溫一定時間后，可以按降溫速度降溫，使其冷卻至環境溫度。在此過程中，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、燒結工藝

確定厚膜產品的燒結規范十分重要，在規范中主要包括升速度，最高燒結溫度，保溫時間，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、固相反應過程有關外，還與燒結爐結構，加熱方式、裝爐情況有關。

合理的燒結規范，應以燒結速度快，周期短，質量好為原則。在保證厚膜產品質量的前提下，力求省時節能，所以，能否獲得優質廉價的厚膜產品，是評價燒結規范合理與否的標準。

現從工藝原理出發，提出及制定燒結規范的方法和有關原則。

1、 升溫度速度

在厚膜燒結中，從室溫升至最高燒結溫度的敬意，稱為升溫時間，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的各種反應，所以升溫太快，有機物劇烈揮發，形成氣泡和針孔。由于升溫時間太短，有機物燃燒不盡，影響膜的性能和性質。不過，升溫速度也不能太慢，否則將影響生產率。

一般是，對于大片，結構復雜和多層厚膜產品，升溫速度慢一些，以免局部溫差過大，脹縮不一而導致變形、分層、龜裂等。對于多片疊燒或埋燒的小片產品，由于傳熱比較均勻，升溫度可快一些。

2、 最高燒結溫度與保溫時間

最高燒結溫度與保溫時間二者相互制約又相互補償。調整兩者數值，可達到一次經歷發展成熟，晶界明顯，無過分二次結晶，收縮均勻，氣孔極少，致密度最高等。

1） 最高燒結溫度的確定

在實際生產或燒制研究中，對厚膜漿料高燒結溫度的確定，主要依據綜合熱分析實驗數據。因為厚膜漿料的成分，顆粒的粗細，配比，成膜與密度，摻雜相與用量等的混合與分布情況，都與其最高燒結溫度密切相關。

應在一定范圍內選擇最高燒結溫度。對于結晶能力強，燒成溫區窄的厚膜，先用范圍的下限，且適當增長保溫時間；對于組成復雜，結晶能力較弱，燒成溫區較寬的厚膜，可選擇溫度范圍的上限，而適當縮短保溫時間，節約能源。

2） 最高燒結溫度與保溫時間的關系

對于多數厚膜元件，在燒結后期的再結晶過程，主要受擴散傳質機構制約，其粒界移動速度V與絕對溫度T成指數關系：

V=V0esp(-b /T)

式中：V0—頻率因子，與界面能，界面曲率等關系密切，與溫度關系不太大。

      b—激活能有關的系數。如果一次晶粒長大時，粒界移動的平均距離為X，則：

X=Vt=V0texp(-b /T)

式中：t—擴散時間，可認為是相應的燒結時間。如將上式中的T換為T0，則可得出最高燒結溫度T0與保溫時間t的關系：

t=t0exp(-b /Tf)

式中：t0=X /V0可見，保溫時間與最高燒結溫度成指數關系，當要求粒界移動相同距離時，T0稱一變動，t就要大調整。一般，保溫時間直接影響燒結反應是否充分，厚膜結構是否均勻，以及晶體的生長情況等。對于含玻璃的導體保溫時間以短為好。因為保溫時間太長，會使導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

按照燒結規范，在最高燒結溫度下保溫一定時間以后，以一定速度降溫，降溫方式是指厚膜產品燒結保溫后的冷卻速度及其有關問題。因為對厚膜產品性能的要求不一，根據冷卻速度的快慢，常見的降溫方式有三種：

1）  緩慢降溫：主要根據燒結爐子的結構，熱容量大小，采取少量供熱，按規定的速度緩慢降溫。

2）  隨爐降溫：在保溫時間后，切數能源，隨爐自然保溫。

3）  急速降溫：是為了使高溫時的晶相結構能盡量保持下來，避免在慢速降溫中可能出現的化合物分解，固溶體脫落，玻璃相減少，粒界過分移動、晶粒進一步長大，多晶轉變，繼續氧化還原反應，某些物質的擴散等。

4、 燒結曲線

改變最高燒結溫度和保溫時間，對厚膜的性能影響很大。圖3為聊算鹽系長的燒結曲線，在800~900℃范圍內燒結的效果最好，最高燒結溫度為850℃，保溫時間為9-10min，燒結周期為60分鐘。

圖4是兩種不同周期的燒結溫度變一時間的曲線圖。

（b）為短周期燒結曲線，周期為30 min最高燒結溫度為850℃，長溫速度在300~500℃之間，為100℃/min。現漿料分廠引進的ISTU燒結爐采用上述曲線。

五、影響燒結的因線

影響燒結過程和燒結效果的因素很多，主要有：最高燒結溫度，保溫時間，燒結時的環境氣氛，以及固相顆粒的特性。