摘要
混合微电子学利用导体浆料将分布在普通基板（通常是氧化铝）上的不同分立元器件互相连接起来。银-钯合金在导体浆料中被广泛用作金属夹杂物。银具有低成本和低电阻率的优点。然而，在不期望的领域银迁移是致命的弱点。相比于35.6nm/s灾难性的去除率，银的阳极溶解速度可以达到10-1A/cm²。银迁移根据发生的环境不同可以分为电迁移和离子迁移（化学）。厚膜系统中离子迁移是最常见的失效模式，每当绝缘体分开的导体从周围环境获取足够多的水分。银迁移从机理上可以被看成三步：电解、离子迁移和电沉积。本篇文章详细介绍了银迁移的机理。 随着导体浆料中钯的含量增多，银迁移减少。水滴试验证明当导体浆料中钯的含量从10%增长到19%的时候，银迁移的比率降低了大约100倍。PdO的形成需要更低的阳极势能解释了钯的存在减少银迁移这一现象。报告称可以足够抑制银迁移的钯的含量为30%。银基合金中钯的浓度为5%-15%时，测试结构中仍可以观察到银迁移。关于银迁移的光学显微照片指出了阴阳两极上银化合物的三种形式：树突状、乌云状和两者的混合。树突状的电导率为6.8 x 107 sm -1，而乌云状的则根据合金中钯的含量从2.5 x 105 到7.6 x 106 sm -1变化。
这篇报道也指出了电极间距和密封剂的类型对银迁移的影响。银迁移可以改变介电性能，降低绝缘电阻。
特别是在高湿的环境下，银迁移可以导致短路，促使器件失效。
1.前言
在混合微电子学中，厚膜被广泛用来连接普通基板上两个或多个半导体器
件。在混合厚膜电路中，离散的电子器件如单片机、晶体管、二极管、电阻、电容和电感被安装在一个通过高粘度浆料印刷烧结而成的绝缘基板上（图1）。
图1 英特锡尔的混合厚膜电路
厚膜混合微电路相对容易设计，在固定设备、电路研制和制造方面的花费也较少。这种器件连接的技术在高频、高压、大功率应用中表现更好。三种典型的厚膜材料是导体、电阻和介质。本文将集中于厚膜导体上，特别是和银和它的迁移现象有关。
导体浆料的质量主要取决于它的三种主要组成成分：
a.提供电导和连接能力的金属或者合金
b.将金属粉粘结在基板上的玻璃或金属氧化物
c.提供悬浮固体微粒的有机载体
银和它的合金通常被作为贵金属成分用在厚膜浆料中。银是一种相对廉价
的材料，容易焊接，附着在基板上牢固。银的电阻率极低，大约在10-3量级。银多方面的良好表现使它成为极具吸引力的导电物质。
然而，对于厚膜银材料来说电子化学迁移是一个很重大的问题，特别是在高湿度环境下。银迁移可以
在不同的器件中引起短路失效，比如改变交叉结构和MLCC封装的介电性能。在纯银中添加钯可以减少银的迁移现象。关于银迁移的详细讨论可以在下面的章节中到。
2.银作为导体浆料的组成成分
厚膜导体在混合微电子学和电子封装中扮演着重要的角。随着器件的尺寸变得越来越小和对高速器件的需求，对材料的需求也变得更加苛刻。其中之一的挑战就是寻一种可以成功经受住一系列考验的导体材料。
厚膜导体的主要功能就是在电路中提供一个电的传输途径。厚膜导体的特性包括：
电阻率
可焊性和焊料浸出
线性度
和其他电阻、介质、基板等元件的物理化学相容性
在高温、潮湿、热循环等恶劣环境中的长期稳定性
抗渗移性
成本
导线和模具粘合性
除了电迁移的负面特征，银和它的二元、三元合金似乎能满足对导体浆料广泛应用的严格要求。就元素来说，相对成本和物理性能的比较如表1所示，从中可以看出使用银导体的优势。
表1 厚膜导体使用的元素
金属相在厚膜浆料中呈粉末状被混合在有机介质或载体中，正如前言中所提及的。适用于锡膏的粒子大小分布从直径45到74微米。银厚膜系统中典型的成分包括银、碳或者两者的混合相，它们分散在热塑性或热固性聚合物和溶液中。表2展示了银在厚膜导体混合包样品中的特性。银具有非常低的电阻率，并且在常用的氧化铝基板上粘附力好。
表2 典型银厚膜导体浆料的材料特性
在制造业中，二元银合金被广泛用来减少银迁移，最受欢迎的银基合金是Ag-Pd。从许多已建成的相图中可以发现，银和钯表现出完全的固溶度。此外，由于固溶体的形成，在纯银中加入钯可以改善焊料的抗浸出性和减少银迁移。在厚膜导体中，银与钯的比例通常为3:1，4:1和6:1。
3.银迁移
下面就银迁移在厚膜导体上的机理和影响做讨论。
3.1银迁移——机理
电迁移是由于电流使离子在导体中流动。当关闭施加电压后，离子进行随机热扩散。离子的迁移受温度、电压梯度和电极之间的距离影响。在混合厚膜封装中其它被认为最重要的迁移参数是导体的组成，环境湿度水平和密封剂的类型。
电子元件的迁移根据发生环境的不同有两种形式。电迁移是一种涉及在相对较高温度（150℃）的干燥环境中发生电子动量传递的固态迁移。另一方面，离子迁移发生在周围温度小于100℃的潮湿环境中。厚膜系统中离子迁移是最常见的失效模式，每当绝缘体分开的导体从周围环境获取足够多的水分。通过一系列的实验，确认在跨介质结构中银的离子迁移是最主要的失效模式。相比于35.6nm/s灾难性的去除率，银的阳极溶解速度可以达到10-1A/cm²。
银的表面迁移是一个电化学过程。当银在高湿条件和外加电场下与绝缘体接触，它以离子的形式离开初始位置并重新沉积到另一个地方。电解迁移可以被看作三个步骤包括：电解、离子迁移和电沉积。银离子的迁移机制可以解释如下：
a．潮湿环境中的水分在外加电场下被离子化：
Ag→Ag+（1）
H2O→H++OH-（2）b．氢离子迁移到阴极释放出氢气，氢氧根离子与银离子在阳极相遇并形成胶体沉淀：
Ag++ OH- →AgOH （3）c．AgOH不稳定，在阳极端分解成黑Ag2O沉淀：
2AgOH→Ag2O+H2O （4）
