2.13. Основы толстопленочной технологии

Толстые пленки толщиной в несколько десятков микрометров применяют для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактов) в гибридных толстопленочных МС, а также проводников и изолирующих слоев в некоторых типах многоуровневых коммутационных микроплат микросборок.

Рис. 2.22. Структурная схема цикла толстопленочной технологии

В основе толстопленочной технологии лежит использование дешевых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовременных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надежность толстопленочных элементов обусловлена прочным (свыше 5 МПа) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.

В целом толстопленочная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рис. 2.22. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектрического и т. п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По завершении формирования всех слоев все резисторы и конденсаторы проходят подгонку (обычно лазерную) до заданной точности.

Толстопленочные пасты

Рис. 2.23. Структура толстопленочных конденсаторов:1 - частицы металла; 2 - конструкционная связка; 3 - частицы окисла металла 

В готовом (вожженном) состоянии толстопленочный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом (рис. 2.23) и "склеенных" стеклом с невысокой (400...500 АС) температурой плавления. Для проводящих элементов используют порошки серебра, палладия и других металлов с высокой электропроводностью.  Для резистивных - смесь порошков проводящих частиц и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное  поверхностноесопротивление в широких  пределах. Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков,которые, обладая большим значением относительной диэлектрической проницаемости  Ɛ , обеспечивают большие значения удельной электрической емкости Со, Ф/см². Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стекол с малыми Ɛ и Со. Функциональные частицы в процессе вжигания должны сохранять твердое состояние и массовый контакт, т. е. иметь температуру плавления более 900 АС.

Для приготовления паст в смесь порошков функциональных частиц и низкотемпературного стекла добавляют технологическую связку, обычно органические масла. В процессе вжигания нанесенных элементов она должна разлагаться и полностью удаляться из слоя.

Особую группу паст представляют лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения пасты через сетчатый трафарет на толстопленочные монтажные площадки и сушки покрытие подвергается оплавлению (~230 АС).

Марки и свойства различных сплавов и паст приведены в табл.2.3.

Таблица 2.3. Характеристики диэлектрических паст

Марка пасты	Толщина, мкм	Удельная емкость, пФ/см2	Тангенс угла диэлектрических потерь на часто- те 1,5 МГц	Применение
ПК-1000-30	40...60	3700	0,0035	диэлектрик конденсаторов, изоляция пересекающихся проводников
ПК-12	40...60	10000	0,0035	диэлектрик конденсаторов,
ПД-1	60...70	160	0,002	межслойная изоляция в двухуровневых соединениях
ПД-2	50...60	220	0,003	межслойная изоляция в многоуровневых соединениях
ПД-3	30...50		0,002	верхний защитный слой при использовании пасты ПД-1
ПД-4	30...50		0,003	верхний защитный слой при использовании пасты ПД-2

Примечания. 1. Температурный коэффициент емкости для различных марок    . 2. Напряжение пробоя равно 150 В для конденсаторов и 500 В для межслойной изоляции.

Таблица 2.4.Характеристики проводящих паст

Характеристика	Марка пасты
	4350	4350Т	4351	4005	4205	4320
Растекаемость на сторону,мкм, не более	50	25	25	50	25	50
Температура вжига- ния на воздухе, 0С	820	820	870	820	870	855
Rсл, Ом, не более	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,02
Адгезия к керамике, Мпа, не менее	5	5	10	5	8	10

Примечания. 1. Толщина пленок после вжигания 17Б4 мкм. 2. Пленки облуживаются припоями ПОС-61 и ПСрОС-3-58.

Таблица 2.5. Характеристики лудящих паст

Марка пасты	Припой	Флюс	Растворитель остат- ков связки
ПЛ-111	ПОС-61	Активный среднекор- розионный	Вода
ПЛ-112	ПОС-61	Некоррозионный	Хлористый метилен
ПЛ-312	ПСр-3-58	Некоррозионный	Хлористый метилен
ПЛ-113	ПОС-61	Слабокоррозионный	Спирто-бензиновая смесь(1:1).Водные моющие растворы

Примечания. 1. Содержание частиц припоя с размером менее 40 мкм - 20 %, с размером 40...80 мкм - 80 %. 2. Нанесение - трафаретной печатью или дозатором. 3. Оплавление при температуре 225Б5 АС.

Таблица 2.6. Характеристики резистивных паст

Характе- ристика	Марка пасты
	ПР-5	ПР-100	ПР-500	ПР-1К	ПР-3К	ПР-6К	ПР-20К	ПР-50К	ПР-100К
Rсл, Ом	5	100	500	1000	3000	6000	20000	50000	100000

Примечания. 1. Толщина пленок после вжигания 15...20 мкм. 2. Температурный коэффициент сопротивления в диапазоне от -60 до +125 АС для различных ма­рок Б8 *10^-4 К^-1. 3. Максимальная удельная мощность рассеивания для различных марок 3...8 Вт/см².

Рис. 2.24. Схема переноса пасты с трафарета на подложку (а) и структура сетчатого трафарета (б),температурный цикл вжигания

Трафаретная печать. Трафарет - проволочная сетка из нержавею­щей стали или капроновой нити с нанесенным на нее фотоспособом защитным рисунком. Сетка вмонтирована в металлическую рамку. Керамическая подложка устанавливается под трафаретом с зазором, обеспечивающим деформацию сетки в пределах ее упругости (рис. 2.24). Для этого размеры сетки должны быть существенно больше размеров рисунка. После нанесения дозированного количества пасты движением ракеля она продавливается через открытые участки трафарета и переносится на подложку. Таким образом, контакт трафарета с подложкой происходит по линии, движущейся вместе с ракелем.

В процессе сушки полученного отпечатка удаляются летучие компоненты технологической связки.

Вжигание. На рис. 2.24 приведен типичный температурный цикл вжгяании пасты. На первой стадии скорость повышения температуры относительно невысока, происходит разложение органической связки и ее удаление интенсивной вытяжной вентиляцией. На второй стадии скорость роста температуры повышают, происходит плавление низкотемпературного стекла и образование суспензии твердых функциональных частиц в расплавленном стекле. Собственно вжигание происходит на третьей стадии при постоянной температуре. При этом имеет место как химическое (взаимодействие окислов стекла и керамики), так и физическое (заполнение стеклом открытых поверхностных пор керамики) сцепление покрытия с подложкой. После выдержки (примерно 10 мин) изделия медленно охлаждают (четвертая стадия) во избежание внутренних напряжений. Общая продолжительность цикла порядка одного часа.

В зависимости от типа производства вжигание осуществляют в камерных печах периодического действия (мелкосерийное производство), либо в туннельных печах непрерывного действия (крупносерийное и массовое производство).