Толстопленочная технология

Толстопленочная технология используется для производства электронных устройств/модулей, таких как модули устройств поверхностного монтажа , гибридные интегральные схемы , нагревательные элементы , интегрированные пассивные устройства и датчики . Основной технологией производства является трафаретная печать ( трафаретная печать ), которая в дополнение к использованию в производстве электронных устройств может также использоваться для различных графических целей воспроизведения. Она стала одним из ключевых методов производства/миниатюризации электронных устройств/модулей в 1950-х годах. Типичная толщина пленки, изготовленной с помощью процессов производства толстопленочных электронных устройств, составляет от 0,0001 до 0,1 мм. ^[1]

Толстоплёночные схемы/модули широко используются в автомобильной промышленности, как в датчиках, например, смеси топлива/воздуха, датчиках давления, элементах управления двигателем и коробкой передач, датчиках для срабатывания подушек безопасности, воспламенителях подушек безопасности; общим является то, что требуется высокая надёжность, часто расширенный температурный диапазон, а также массовая термоциклизация схем без отказа. ^[2] Другими областями применения являются космическая электроника, бытовая электроника и различные измерительные системы, где требуется низкая стоимость и/или высокая надёжность.

Простейшей формой использования толстопленочной технологии является модульная подложка/плата, где проводка изготавливается с использованием толстопленочного процесса. Кроме того, резисторы и конденсаторы с большим допуском могут быть изготовлены с использованием толстопленочных методов. Толстопленочная проводка может быть сделана совместимой с технологией поверхностного монтажа (SMT), и при необходимости (из-за требований к допускам и/или размерам) детали для поверхностного монтажа (резисторы, конденсаторы, ИС и т. д.) могут быть собраны на толстопленочной подложке.

Изготовление толстопленочных устройств/модулей представляет собой аддитивный процесс, включающий нанесение нескольких (обычно максимум 6–8) последовательных слоев проводящих, резистивных и диэлектрических слоев на электроизолирующую подложку с использованием процесса трафаретной печати . ^[3]

Как низкозатратный метод производства 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 гибридных интегральных схемах и обычно конкурирует и дополняет в области миниатюризации электроники (деталей или элементов/площади или объема) технологию поверхностного монтажа на основе печатных плат (PCB ) /печатных плат (PWB) и тонкопленочную технологию. ^[4]

Шаги

Типичный процесс нанесения толстой пленки состоит из следующих этапов:

Лазерная обработка подложек

Обычно подложки для толстопленочных схем изготавливаются из Al ₂ O ₃ / оксида алюминия , оксида бериллия (BeO), нитрида алюминия (AlN), нержавеющей стали , иногда даже из некоторых полимеров и в редких случаях даже из кремния (Si), покрытого диоксидом кремния (SiO ₂ ). ^[5]^[6] Обычно используемые подложки для толстопленочных процессов на 94 или 96% состоят из оксида алюминия. Оксид алюминия очень твердый, и лазерная обработка материала является наиболее эффективным способом его обработки. Толстопленочный процесс также является средством миниатюризации, когда одна подложка обычно содержит много блоков (конечные схемы). С помощью лазерной обработки можно разметить, профилировать и просверлить отверстия. Разметка — это процесс, при котором линия лазерных импульсов выстреливается в материал и удаляется 30–50% материала; это ослабляет подложку, и после завершения всех других процессов подложку можно легко разделить на отдельные блоки. Профилирование, например, часто используется при изготовлении датчиков, где схема должна соответствовать круглым трубкам или другим сложным формам. Сверление отверстий может обеспечить «сквозное» (проводящее соединение) между двумя сторонами подложки, обычно размеры отверстий находятся в диапазоне 0,15–0,2 мм.

Лазерная обработка перед обработкой подложек имеет экономически более выгодное преимущество по сравнению с лазерной обработкой или резкой с использованием алмазной пилы 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 полимерными пастами ^[7] для получения пасты для трафаретной печати. Для получения однородной краски смешанные компоненты краски можно пропустить через трехвалковую мельницу. В качестве альтернативы готовые чернила можно приобрести у нескольких компаний, предлагающих продукцию для технологов толстопленочных технологий.

Шелкография и ее усовершенствования

Шелкография — это процесс переноса краски через узорчатую тканую сетку или трафарет с помощью ракеля . ^[8]

Для повышения точности, увеличения плотности интеграции и улучшения точности линий и пространства традиционной трафаретной печати была разработана технология толстопленочных фотоизображений . Однако использование этих материалов обычно изменяет технологический процесс и требует других производственных инструментов.

Сушка/Отверждение

После того, как чернила после печати отстоятся, каждый нанесенный слой чернил обычно сушат при умеренно высокой температуре от 50 до 200 °C (от 122 до 392 °F), чтобы испарить жидкий компонент чернил и временно зафиксировать слой на подложке, чтобы его можно было обрабатывать или хранить до окончательной обработки. Для чернил на основе полимеров и некоторых паяльных паст, которые отверждаются при этих температурах, это может быть последним требуемым шагом. Некоторые чернила также требуют отверждения под воздействием УФ- излучения.

Стрельба

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

Абразивная зачистка резисторов

После обжига резисторы можно обрезать с помощью метода точной абразивной резки, впервые разработанного SS White. ^[9] Метод включает в себя мелкую абразивную среду, обычно 0,027 мм оксида алюминия. Абразивная резка подается через наконечник сопла из карбида, который может быть разных размеров. Сопло продвигается через обожженный резистор, в то время как элемент резистора контролируется контактами зонда, и когда достигается конечное значение, абразивный обдув отключается, и сопло возвращается в нулевое начальное положение. Абразивная техника позволяет достичь очень высоких допусков без нагрева и без растрескивания стеклянной фритты, используемой в составе чернил.

Лазерная подгонка резисторов

После обжига резисторы подложки обрезаются до нужного значения. Этот процесс называется лазерной обрезкой . Многие чип-резисторы изготавливаются с использованием толстопленочной технологии. Большие подложки печатаются с обожженными резисторами, делятся на маленькие чипы, которые затем обрезаются, чтобы их можно было припаять к печатной плате. При лазерной обрезке используются два режима: либо пассивная обрезка, когда каждый резистор обрезается до определенного значения и допуска, либо активная обрезка, когда обратная связь используется для настройки на определенное напряжение, частоту или отклик путем лазерной обрезки резисторов в схеме при включении питания.

Монтаж конденсаторов и полупроводников

Развитие процесса SMT фактически происходит из процесса толстой пленки. Также монтаж голых кристаллов (собственно кремниевого чипа без инкапсуляции) и проволочная развязка являются стандартным процессом, это обеспечивает основу для миниатюризации схем, поскольку вся дополнительная инкапсуляция не нужна.

Разделение элементов

Этот шаг часто необходим, поскольку на одной подложке одновременно производится много компонентов. Таким образом, требуются некоторые средства для отделения компонентов друг от друга. Этот шаг может быть достигнут путем резки пластин .

Интеграция устройств

На этом этапе устройства могут потребовать интеграции с другими электронными компонентами, обычно в виде печатной платы. Это может быть достигнуто путем соединения проводов или пайки .

Управление процессом производства толстой пленки

Производство толстой пленки состоит из множества этапов, которые требуют тщательного контроля, например, шероховатость подложки, 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 определяют сложность процесса и стоимость конечного продукта.

Проектирование схем на основе толстопленочной технологии

Те же или похожие инструменты автоматизации электронного проектирования , которые используются для проектирования печатных плат, могут использоваться для проектирования толстопленочных схем. Однако необходимо обратить внимание на совместимость форматов инструментов с производством/производителем трафаретов, а также на доступность правил геометрического, электрического и теплового проектирования для моделирования и проектирования макета от конечного производителя.

Смотрите также

Ссылки

^ Касап, С.; Каппер, П., ред. (2017). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials . Springer International Publishing. стр. 707–721 . ISBN 978-3-319-48933-9.
^ Lu, B. (2010). «Толстопленочная гибридная технология для автомобильных приложений». 2010 5-я Международная конференция по сборке и технологии микросхем для корпусирования микросистем . С. 1–34 . doi :10.1109/IMPACT.2010.5699549. ISBN 978-1-4244-9783-6. S2CID 33904731.
^ Эндрю, В., ред. (1998). Справочник по технологии гибридных микросхем (второе изд.). Elsevier Inc., стр. 104–171 .
^ Вандермейлен, М.; Рой, Д.; Пирритано, С.; Бернацки, Д.; и др. (2004). «Толстопленочные подложки высокой плотности для миниатюрных 3D-решений по упаковке чипов». 37-й Международный симпозиум по микроэлектронике (IMAPS 2004): Все в электронике... Между чипом и системой . doi :10.13140/RG.2.1.1087.3369.
^ Чжан, З.; и др. (2011). «Анализ отказов толстопленочных резисторов на нержавеющей стали в качестве чувствительных элементов». 2011 12-я Международная конференция по технологии электронной упаковки и высокоплотной упаковке . С. 1– 5. doi :10.1109/ICEPT.2011.6066957. ISBN 978-1-4577-1770-3. S2CID 10294851.
^ Парих, М. Р. (1989). Толстоплёночная технология для микроэлектроники (диссертация). Университет Лихай.
^ Ульрих, РК; Шарпер, Л.В. (2003). Технология интегрированных пассивных компонентов, Введение . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-24431-8.
^ Romenesko, BM; Falk, PR; Hoggarth, KG (1986). «Микроэлектронная толстопленочная технология и ее применение». Johns Hopkins APL Technical Digest . 7 (3): 284–289 .
^ Система обрезки. S. White Company, Industrial Div.
^ Йеби, А.; Аялев, Б. (2015). «Управление процессом на основе дифференциальных уравнений в частных производных для ультрафиолетового отверждения толстопленочных смол». Журнал динамических систем, измерений и управления . 137 (октябрь): 101010/1–10. doi : 10.1115/1.4030818 .
^ Willfarht, A.; et., al. (2011). «Оптимизация толщины трафарета и нанесения чернильной пленки». ResearchGate, Проект: Печатные термоэлектрические устройства : 6–16 .

Внешние ссылки

Курс, разработанный Будапештским университетом технологий и экономики (BTE), кафедрой электронных технологий, по теме «Технология электронных изделий», глава «Толстая пленка».
Блог в EDN, сравнивающий толстопленочные и тонкопленочные резисторы
Презентация, описывающая использование толстопленочной технологии для радиочастот
Печать толстопленочных гибридов
Толстоплёночные компоненты промышленного назначения

[1] Касап, С.; Каппер, П., ред. (2017). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials . Springer International Publishing. стр. 707–721 . ISBN 978-3-319-48933-9.

[2] Lu, B. (2010). «Толстопленочная гибридная технология для автомобильных приложений». 2010 5-я Международная конференция по сборке и технологии микросхем для корпусирования микросистем . С. 1–34 . doi :10.1109/IMPACT.2010.5699549. ISBN 978-1-4244-9783-6. S2CID 33904731.

[3] Эндрю, В., ред. (1998). Справочник по технологии гибридных микросхем (второе изд.). Elsevier Inc., стр. 104–171 .

[4] Вандермейлен, М.; Рой, Д.; Пирритано, С.; Бернацки, Д.; и др. (2004). «Толстопленочные подложки высокой плотности для миниатюрных 3D-решений по упаковке чипов». 37-й Международный симпозиум по микроэлектронике (IMAPS 2004): Все в электронике... Между чипом и системой . doi :10.13140/RG.2.1.1087.3369.

[5] Чжан, З.; и др. (2011). «Анализ отказов толстопленочных резисторов на нержавеющей стали в качестве чувствительных элементов». 2011 12-я Международная конференция по технологии электронной упаковки и высокоплотной упаковке . С. 1– 5. doi :10.1109/ICEPT.2011.6066957. ISBN 978-1-4577-1770-3. S2CID 10294851.

[6] Парих, М. Р. (1989). Толстоплёночная технология для микроэлектроники (диссертация). Университет Лихай.

[7] Ульрих, РК; Шарпер, Л.В. (2003). Технология интегрированных пассивных компонентов, Введение . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-24431-8.

[8] Romenesko, BM; Falk, PR; Hoggarth, KG (1986). «Микроэлектронная толстопленочная технология и ее применение». Johns Hopkins APL Technical Digest . 7 (3): 284–289 .

[9] Система обрезки. S. White Company, Industrial Div.

[10] Йеби, А.; Аялев, Б. (2015). «Управление процессом на основе дифференциальных уравнений в частных производных для ультрафиолетового отверждения толстопленочных смол». Журнал динамических систем, измерений и управления . 137 (октябрь): 101010/1–10. doi : 10.1115/1.4030818 .

[11] Willfarht, A.; et., al. (2011). «Оптимизация толщины трафарета и нанесения чернильной пленки». ResearchGate, Проект: Печатные термоэлектрические устройства : 6–16 .