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第四章 厚膜材料与工艺

一、厚膜材料:
1、厚膜导体材料:
a.厚膜导体中的导体材料分贵金属和贱金属,厚膜与基板的附着力或由导体金属自身的化学结合来实现,或由导体中添加的百分之几的玻璃来实现,对厚膜导体金属的要求主要有下述几点:
■电导率高,且与温度的相关性小;
■与玻璃不发生反应,不向厚膜介电体及厚膜电阻体中扩散;
■与介电体及电阻体的相容性好;
■不发生迁移现象;
■可以焊接及引线键合;
■不发生焊接浸蚀;
■耐热循环;
■温度变化不发生局部电池,不发生电蚀现象;
■资源丰富,价格便宜;
b.常见的厚膜导体材料:
■Ag:最大的特点是电导率高,最大的缺点是易迁移;
■Ag-Pd:使用此导体时,需要进行下述测试:电阻值或TCR、浸润性、耐焊料浸蚀性、迁移性、结合强度、热老化后的强度;
■Cu:与贵金属比,Cu具有很高的电导率、可焊接、耐迁移性、耐焊料浸蚀性都好,而且价格便宜,但是Cu在大气燃烧下容易氧化,需要在氮气氛中烧成,而氧含量应控制在几个ppm以下。另外Cu导体用于GHz高频带有其优势;
■Au:金浆料中有玻璃粘接剂型、无玻璃粘接剂型、混合结合型三种;
■金属有机化合物浆料(metallo-organic:MO浆料):优点是便宜、所用设备投资少、可得到致密、均质、平滑的膜层、可光刻制取细线、与电阻体、绝缘体的相容性好等;缺点有:对所用基板表面平滑性要求高、对基板表面及环境的清洁度要求高、由于膜层薄、故导体电阻大、对膜层使用条件有一定要求;

2、厚膜电阻材料:到目前为止,已经发表了大量关于各类厚膜电阻体浆料的资料,这些浆料多以Pd-Ag,Ti2O3,添加Ta的SnO,炭黑,RuO2,M2Ru2O7-x(M=Bi,Pb,Al…),MoO3等为主导电成分,经大气中烧成各式各样的厚膜电阻体。一般讨论厚膜电阻体材料需要从以下几个方面来探讨:粉体粒径、烧成温度及膜结构、粒径对电气特性的影响、添加物的效果、导电机制、电阻体与电极的相互作用等;

3、厚膜介质材料:厚膜介质材料通常分为HK(高介电常数)介电体和LK(低介电常数)介电体两大类,前者介电常数K值在数百以上,主要用于厚膜电容器的介电质,后者的K值在10以下,多用于表面钝化、交叉绝缘层、多层布线绝缘层以及低容量电容器等。
a.LK介电体:非晶玻璃系列的介电体(非晶玻璃 filled glass  FG)和晶态玻璃系列的介电体(晶态玻璃crystallizable glass  CG);
b.HK介电体:基于以下理由,以BaTiO3为主要成分的HK电容器在20世纪70年代以后进展不大:比陶瓷的烧成温度低、烧成时间短、为此当采用玻璃助烧剂时,又会引起介电常数下降、烧成体为多孔质,耐湿性差。但近年来,由于新材料的开发及助烧剂的改进,HK介电体又取得了重大进展;

4、厚膜功能材料:
a.传感功能元器件:温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、生物传感器、PH传感器等;
b.电子回路功能元器件:开关及存储器、振荡器、三极管、太阳能电池、非线性电阻、压电器件、带状线、微带线、表面波器件、微波器件、光波导、超导元器件;

二、厚膜工艺:
1、厚膜成膜技术:
a.厚膜图形形成方法:丝网印刷法、描画法、蚀刻法、感光性浆料性、光刻胶法、激光照射法、凹版印刷法、电子照相法(图形复印法);
b.厚膜图形印刷方法:凸版印刷(活版印刷)、平版印刷、凹版印刷、丝网印刷(孔版印刷的一种);
2、丝网印刷方法:在漏印网版与基板之间保持一定间隙(又称丝网间隙、离版距离、脱离高度snap-off等),用刮板以一定速度和压力使浆料从漏印网版的上方按图形转写在基板上,故又称为丝网漏印,一般可分为脱离式和接触式两大类。基本印刷过程如下:
■在漏印网版的未开口部分由刮板以一定的压下量和速度刮送浆料;
■刮送的浆料在漏印网版的开口部分被压入充填;
■刮板传过后,与基板贴紧的网版与基板脱离(离网);
■浆料靠自身的粘结性附着在基板上,形成漏印图形,完成转写过程;
3、丝网印刷工艺:(厚膜电路基板的制作工艺):
基板—清洗—下部导体印刷—干燥—烧成—绝缘层印刷—干燥—烧成—上部导体印刷—干燥—烧成—电阻体印刷—干燥—烧成—玻璃覆层印刷—干燥—烧成—电阻修边调整—检查—完成;
4、表面贴装技术(SMT)中电极焊膏的丝网印刷:
a.电极焊膏丝网印刷的要求及现状;
b.印刷机制的判明及应采取的措施;
c.漏印孔(模)版:蚀刻孔版、加成法电镀孔版、YAG激光加工孔版、准分子激光加工孔版;
d.最佳印刷工艺条件的确定:
■印刷机:接触印刷及离版控制、精确的定位、低印压印刷、漏印孔版的清洗系统;
■焊膏:粘度、触变性指数、胶黏性、颗粒直径、焊剂;
■漏印孔版:开口形状、壁面状态、尺寸精度、金属硬度、绷紧力;
5、图形描画法:特别适合于多种小批量的试制品制作,使用多种阻值的浆料、带有通孔、图形较大以及基板形状不规则等特殊情况;

三、电阻修边(调阻值):
1、修边的必要性及其对象:修边(trimming)的对象主要是电阻元件,特别是厚膜电阻体。修边工程一般分两类,一类是在膜电阻形成之后,以单个元件为单位调整其达到规定的阻值,另一类是在构成混合IC的全体部件组装好之后,以全电路工作状态的整体特性为目标进行调整,即功能修边;
2、考虑修边需要的厚膜电阻设计:一般的修边是预先形成阻值比目标值低的电阻,而后通过修边调整使其阻值升高,最后达到目标值,但也可向阻值减小的方向修边;
3、单个元件的各种修边方法:喷粉研磨法(喷沙法)、激光修边法、阳极氧化法、电加工修边、脉冲电压法;
4、激光修边工艺特性:修边形状及电阻精度、电阻值漂移、修边工艺条件的决定;
5、功能修边:以上讨论都是以调整单个电阻体的阻值达到目标值所进行的元件修边,一般在膜电阻体形成之后以元件为单位进行的。但在实际的混合IC来说,是在测试回路的同时对电阻体进行修边,以使最终的混合IC的特性达到要求,称这种电阻修边为功能修边(function trimming);
6、喷沙修边的其它应用:
a.1870年Tilghaman发明了喷沙装置,喷沙研磨剂除了沙子以外,也广泛采用Al2O3、SiC、玻璃粉、聚合物粉粒等,其新的应用领域不断开发,主要用途如下:
■喷丸硬化,用于增强飞机、汽车等部件的疲劳强度,以及金属的应力缓和;
■表面粗化,通过喷丸处理,在表面形成大量均匀分布的凹凸,用于防滑、防眩、提高乳化性等目的;
■去除毛刺、锈斑等;
■基体表面处理,用于涂装、电镀、等离子喷涂等基体表面处理;
■表面净化:去除金属表面的附着物;
■局部加工:碑石雕刻、玻璃、木制品的工艺加工等
b.喷沙法形成图形有以下优点:
■对于很厚的膜层也能形成图形;
■可进行各向异性蚀刻,蚀刻槽的高宽比大;
■蚀刻速度快;
■像陶瓷等很硬的材料也能蚀刻。

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