Толстопленочная технология - Thick-film technology

Толстопленочная технология используется для производства электронных устройств / модулей, таких как устройства для поверхностного монтажа модули, гибридные интегральные схемы, нагревательные элементы, интегрированные пассивные устройства и датчики. Основная технология изготовления - трафаретная печать (трафарет ), которые помимо изготовления электронных устройств также могут использоваться для различных целей воспроизведения графики. Техника известна в своей основной форме около тысячи лет - она ​​использовалась уже во времена великих китайских династий. Он стал одним из ключевых методов производства / миниатюризации электронных устройств / модулей в 1950-х годах. Типичная толщина пленки, изготовленной с использованием процессов производства толстой пленки для электронных устройств, составляет 0,0001–0,1 мм.[1]

Толстопленочные схемы / модули широко используются в автомобильной промышленности как в датчиках, так и в датчиках. смесь топливо / воздух, датчики давления, органы управления двигателем и коробкой передач, датчик срабатывания подушек безопасности, воспламенители к подушкам безопасности; обычным является то, что требуется высокая надежность, часто расширенный температурный диапазон также при массовом термоциклировании цепей без сбоев.[2] Другие области применения - космическая электроника, бытовая электроника и различные измерительные системы, где требуется низкая стоимость и / или высокая надежность.

Простейшей формой использования толстопленочной технологии является модульная подложка / плата, где проводка производится с использованием толстопленочной технологии. Кроме того, резисторы и конденсаторы с большим допуском могут быть изготовлены толстопленочным методом. Толстопленочную проводку можно сделать совместимой с технология поверхностного монтажа (SMT), и при необходимости (из-за допусков и / или требований к размеру) детали для поверхностного монтажа (резисторы, конденсаторы, ИС и т. Д.) Могут быть собраны на толстопленочной подложке.

Производство толстопленочных устройств / модулей представляет собой аддитивный процесс, включающий нанесение нескольких (обычно максимум 6-8) последовательных слоев проводящих, резистивных и диэлектрических слоев на электроизоляционную подложку с использованием снимок экрана процесс.[3]

Толстопленочные резисторные сети

В качестве недорогого производственного метода он применим для производства больших объемов дискретных пассивных устройств, таких как резисторы, термисторы, варисторы и интегрированные пассивные устройства.

Толстопленочная технология также является одной из альтернатив для использования в гибридные интегральные схемы и обычно конкурирует и дополняет в электронике миниатюризация (детали или элементы / площадь или объем) с SMT на основе печатной платы (печатная плата ) / PWB (печатная монтажная плата) и тонкая пленка технологии.[4]

Шаги

Типичный толстопленочный процесс состоит из следующих этапов:

Лазерная обработка подложек

Обычно толстопленочные подложки для схем изготавливаются из алюминия.2О3/глинозем, оксид бериллия (BeO), нитрид алюминия (AlN), нержавеющая сталь, иногда даже полимеры, а в редких случаях даже кремний (Si) покрытый диоксидом кремния (SiO2).[5],[6] Наиболее часто используемые субстраты для толстопленочного процесса состоят из 94 или 96% оксида алюминия. Оксид алюминия очень твердый, поэтому лазерная обработка материала является наиболее эффективным способом его обработки. Толстопленочный процесс также является процессом миниатюризации, при котором одна подложка обычно содержит множество элементов (конечных цепей), с помощью лазера можно разметать, профилировать и просверливать отверстия. Скрайбирование - это процесс лазерной обработки, при котором на материал направляется линия лазерных импульсов, и 30–50% материала удаляются, это ослабляет подложку, после того, как все остальные процессы выполнены для построения толстопленочной схемы, подложки можно легко разделить Профилирование, например, часто используется в датчике, где цепь должна соответствовать круглым трубам или другим сложным формам. Просверливание отверстий между двумя сторонами подложки, обычно размеры отверстий находятся в диапазоне 0,15 –0,2 мм.

Лазерная обработка перед обработкой подложек имеет преимущество по стоимости по сравнению с лазерной обработкой или нарезкой кубиками алмазной пилой после обработки.

Подготовка чернил

Чернила для электродов, клемм, резисторов, диэлектрических слоев и т. Д. Обычно готовятся путем смешивания требуемых металлических или керамических порошков с растворителем (керамические толстопленочные пасты) или полимерные пасты. [7] для изготовления пасты для трафаретной печати. Для получения однородной краски смешанные компоненты краски можно пропустить через трехвалковую дробилку. Кроме того, готовые чернила можно приобрести в нескольких компаниях, предлагающих продукцию для технолога толстопленочной печати.

Трафаретная печать и ее улучшения

Трафаретная печать - это процесс переноса чернил через узорчатую сетку или трафарет с использованием ракель.[8]

Для повышения точности, увеличения плотности интеграции и улучшения линейной и пространственной точности традиционной трафаретной печати Толстопленочная технология фотоизображения была разработана. Однако использование этих материалов обычно меняет технологический процесс и требует других производственных инструментов.

Сушка / Отверждение

По прошествии некоторого времени после печати для осаждения чернил каждый нанесенный слой чернил обычно сушат при умеренно высокой температуре (от 50 до 200 ° C), чтобы испарить жидкий компонент чернил и временно закрепить слой на поверхности. субстрат, чтобы с ним можно было обращаться или хранить до окончательной обработки. Для чернил на основе полимеров и некоторых паяльных паст, отверждаемых при этих температурах, это может быть последний этап, который требуется. Некоторые чернила также требуют лечение воздействуя на УФ свет.

Стрельба

Для многих металлических, керамических и стеклянных красок, используемых в толстопленочных процессах, требуется высокотемпературный (обычно более 300 ° C) обжиг для постоянной фиксации слоев на подложке.

Абразивная подрезка резисторов

После обжига резисторы можно обрезать с помощью прецизионного метода абразивной резки, впервые разработанного S.S. White.[9] В методе используется мелкодисперсный абразив, обычно оксид алюминия 0,027 мм. Абразивная резка подается через твердосплавный наконечник сопла, который может быть разных размеров. Сопло продвигается через срабатывающий резистор, в то время как резисторный элемент контролируется контактами зонда, и когда достигается конечное значение, абразивная струя отключается, и сопло втягивается в нулевое начальное положение. Абразивная техника позволяет достичь очень высоких допусков без нагрева и растрескивания стеклянной фритты, используемой в составе чернил.

Лазерная подгонка резисторов

После обжига резисторы подложки подгоняются до правильного значения. Этот процесс называется лазерная обрезка. Многие чип-резисторы изготавливаются по толстопленочной технологии. Большие подложки печатаются с включенными резисторами, разделенными на маленькие микросхемы, которые затем терминируются, чтобы их можно было припаять к плате печатной платы. При лазерной обрезке используются два режима; либо пассивная подстройка, при которой каждый резистор настраивается на определенное значение и допуск, либо активная подстройка, при которой обратная связь используется для настройки на определенное напряжение, частоту или отклик путем подстройки лазером резисторов в цепи при включении питания.

Монтаж конденсаторов и полупроводников

Развитие процесса SMT фактически происходит от процесса толстой пленки. Кроме того, стандартным процессом является монтаж голых кристаллов (собственно кремниевый чип без инкапсуляции) и соединение проводов, это обеспечивает основу для миниатюризации схем, поскольку не требуется вся дополнительная инкапсуляция.

Разделение элементов

Этот шаг часто необходим, потому что на одной подложке одновременно производится множество компонентов. Таким образом, требуются некоторые средства отделения компонентов друг от друга. Этот шаг может быть достигнут вафли.

Интеграция устройств

На этом этапе может потребоваться интеграция устройств с другими электронными компонентами, обычно в виде печатной платы. Это может быть достигнуто проводное соединение или же пайка.

Контроль процесса производства толстых пленок

Существует множество этапов производства толстой пленки, которые требуют тщательного контроля, таких как шероховатость основы, температура и время отверждения паст, выбранная толщина трафарета в зависимости от типа пасты и т. Д.[10],[11] Поэтому количество используемых паст и этапов процесса определяет сложность процесса и стоимость конечного продукта.

Проектирование схем на основе толстопленочной технологии

Такой же или похожий автоматизация проектирования электроники инструменты, которые используются для проектирования печатные платы может использоваться для проектирования толстопленочных схем. Однако совместимость форматов инструментов с производством трафаретов / производителем требует внимания, а также наличие правил геометрического, электрического и теплового проектирования для моделирования и проектирования компоновки от конечного производителя.

Рекомендации

  1. ^ Kasap, S .; Каппер П. (редакторы) (2017). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам. Издательство Springer International. п. 707-721. ISBN  978-3-319-48933-9.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  2. ^ Лу, Б. (2010). «Толстопленочная гибридная технология для автомобильной промышленности». 2010 5-я Международная конференция по сборке корпусов микросистем и технологиям схем, Тайбэй: 1–34. Дои:10.1109 / IMPACT.2010.5699549.
  3. ^ Эндрю, W. (редактор) (1998). Справочник по технологии гибридных микросхем (второе издание). Elsevier Inc. стр. 104-171.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  4. ^ Vandermeulen, M .; Рой, Д .; Pirritano, S .; Bernacki, D .; и др. (2004). «Толстопленочные подложки высокой плотности для миниатюрных трехмерных упаковочных решений для укладки чипов». 37-й Международный симпозиум по микроэлектронике (IMAPS 2004): Все в электронике ... Между микросхемой и системой. Дои:10.13140 / RG.2.1.1087.3369.
  5. ^ Zhang, Z .; и другие. (2011). «Анализ отказов толстопленочных резисторов на нержавеющей стали в качестве чувствительных элементов». 12-я Международная конференция IEEE по технологии электронной упаковки и упаковке с высокой плотностью: 1–5. Дои:10.1109 / ICEPT.2011.6066957.
  6. ^ Парих, М.Р. (1989). «Толстопленочная технология для микроэлектроники». Лихайский университет.
  7. ^ Ульрих, Р.К .; Шарпер, Л. (2003). Интегрированная технология пассивных компонентов, Введение. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-24431-8.
  8. ^ Роменеско, Б.М.; Falk, P.R .; Хоггарт, К. (1986). «Микроэлектронная толстопленочная технология и применение». Технический дайджест Johns Hopkins APL. 7 (3): 284–289.
  9. ^ Система обрезки. S. White Company, Industrial Div.
  10. ^ Yebi, A .; Аялев Б. (2015). "Управление процессом на основе уравнений в частных производных для ультрафиолетового отверждения толстопленочных смол". Журнал динамических систем, измерения и управления. 137 (Октябрь): 101010 / 1-10. Дои:10.1115/1.4030818.
  11. ^ Willfarht, A .; и другие. (2011). «Оптимизация толщины трафарета и отложения чернильной пленки». ResearchGate, проект: Печатные термоэлектрические устройства.: 6–16.

Смотрите также

внешняя ссылка