21 Лекция №20. Толстопленочная технология. Материалы подложек и пленочных элементов. Область применения

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

21.1 Основные вопросы

- область применения толстопленочной технологии;

- материалы толстых пленок;

- технология нанесения паст;

- температурный цикл вжигания пасты;

- достоинства и недостатки толстопленочной технологии.

21.2 Текст лекции

21.2.1 Состав паст для толстопленочной технологии – до 40 мин

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 плат микросборок.

Для изготовления толстопленочных (более 10мкм) элементов гибридных ИМС применяют различные материалы в виде паст.

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 сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.

В целом толстопленочная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов. 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.

Пасты состоят из трех групп материалов:

- функциональные частицы – используются для получение необходимых электрических свойств пленочным элементам;

- связующие частицы – порошки легкоплавких стекол – после соединяют функциональные частицы друг с другом, а также с подложкой;

- технологическая связка – используется для придания пасте необходимой вязкости.

В готовом (вожженном) состоянии толстопленочный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом и «склеенных» стеклом с невысокой (400...500 °С) температурой плавления.

Для проводящих элементов используют порошки серебра, палладия и других металлов с высокой электропроводностью.

Для резистивных — смесь порошков частиц проводящих металлов и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное сопротивление в широких пределах.

Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков, которые, обладая большим значением относительной диэлектрической проницаемости, обеспечивают большие значения удельной электрической емкости.

Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стекол с малыми значениями относительной диэлектрической проницаемости и удельной электрической емкости.

Функциональные частицы в процессе вжигания должны сохранять твердое состояние и массовый контакт, т. е. иметь температуру плавления более 900 °С.

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.

21.2.2 Технология нанесения паст – до 40 мин

Пасты позволяют получать методом шелкографии или сеткографии на поверхности пластин требуемую конфигурацию. Метод создания рельефа на поверхности пластины продавливанием вязкой пасты через трафареты, изготовленные из шелка или металлической сетки, соответственно называют шелкографией и сеткографией.

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. 21.1). 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.

Рисунок 21.1 – Схема переноса пасты с трафарета на подложку.

В процессе сушки полученного отпечатка удаляются летучие компоненты технологической связки.

На рис. 21.2 приведен типичный температурный цикл вжигания 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.

Рисунок 21.2 – Температурный цикл вжигания пасты.

Толстопленочные гибридные ИМС по сравнению с тонкопленочными сравнительно несложны в изготовлении и, кроме того, не требуют высоких затрат на эксплуатацию оборудования при производстве. Преимуществом их следует считать также возможность изготовления резисторов больших сопротивлений, а недостатком - трудность изготовления конденсаторов большой емкости.

21.2.3 Достоинства и недостатки толстопленочной технологии – до 10 мин

Толстопленочная технология проста и относительно недорога, но она имеет ограничения. Например, высокие температуры, которых требует эта технология, повредили бы гибкие подложки полимера. Также, печатающий трафарет может производить строки и пробелы более 100 микронов. Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться, толстопленочные производители приближаются к физическим пределам печати трафарета. Чтобы производить крошечные элементы на плотно упакованных устройствах, изготовители обычно используют тонкопленочную технологию. Но она сложна и дорога. Понимая необходимость создания технологии которая бы производила элементы в промежуточном диапазоне, фирма “Optomec” создала технологию, которая вносит электронные материалы на низко-температурные, неплоские основания без трафаретов или другого тонкопленочного оборудования и является более простой и менее дорогой чем тонкопленочные методы.

М3D – запатентованный процесс фирмы “Optomec” для производства микроэлектронных устройств, компонентов и соединительных проводов.