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 изготовления является трафаретная печать ( трафарет ), которая помимо использования в производстве электронных устройств также может использоваться для различных целей графического воспроизведения. Это стало одним из ключевых методов производства/миниатюризации электронных устройств/модулей в 1950-х годах. Типичная толщина пленки, изготовленной с помощью процессов производства толстой пленки для электронных устройств, составляет от 0,0001 до 0,1 мм. [1]
Толстопленочные схемы/модули широко используются в автомобильной промышленности, как в датчиках, например, смеси топлива/воздуха, датчиках давления, органах управления двигателем и коробкой передач, датчиках срабатывания подушек безопасности, воспламенителях подушек безопасности; Общим является то, что требуется высокая надежность, часто расширенный температурный диапазон, а также массовая термоциклизация цепей без сбоев. [2] Другими областями применения являются космическая электроника, бытовая электроника и различные измерительные системы, где требуется низкая стоимость и/или высокая надежность.
Простейшей формой использования толстопленочной технологии является подложка/плата модуля, где проводка изготавливается с использованием толстопленочной технологии. Кроме того, резисторы и конденсаторы с большим допуском могут быть изготовлены толстопленочными методами. Толстопленочную проводку можно сделать совместимой с технологией поверхностного монтажа (SMT), а при необходимости (из-за допусков и/или требований к размеру) детали для поверхностного монтажа (резисторы, конденсаторы, микросхемы и т. д.) могут быть собраны на толстой пленке. субстрат.
Производство толстопленочных устройств/модулей представляет собой аддитивный процесс, включающий осаждение нескольких (обычно максимум 6–8) последовательных слоев проводящих, резистивных и диэлектрических слоев на электроизоляционную подложку с использованием процесса трафаретной печати . [3]
Как недорогой 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 миниатюризацию электроники (детали или элементы/площадь или объем) с SMT на основе печатных плат ( печатных плат )/PWB (печатных плат). и тонкопленочная технология. [4]
Типичный процесс нанесения толстой пленки будет состоять из следующих этапов:
Обычно подложками толстопленочных схем являются Al 2 O 3 / оксид алюминия , оксид бериллия (BeO), нитрид алюминия (AlN), нержавеющая сталь , иногда даже некоторые полимеры и в редких случаях даже кремний (Si), покрытый диоксидом кремния (SiO 2 ). , [5] [6] Обычно используемые подложки для толстопленочных процессов состоят из 94 или 96% оксида алюминия. Глинозем очень твердый, и лазерная обработка материала является наиболее эффективным способом его обработки. Толстопленочный процесс также является средством миниатюризации, когда одна подложка обычно содержит множество блоков (конечных схем). С помощью лазера можно разметывать, профилировать и сверлить отверстия. Скрайбирование — это процесс, при котором линия лазерных импульсов направляется в материал и удаляется 30–50% материала; это ослабляет субстрат, и после завершения всех остальных процессов субстрат можно легко разделить на отдельные единицы. Например, профилирование часто используется при изготовлении датчиков, где схема должна соответствовать круглым трубкам или другим сложным формам. Сверление отверстий может обеспечить «переходное отверстие» (проводящую связь) между двумя сторонами подложки, обычно размеры отверстий находятся в диапазоне 0,15–0,2 мм.
Лазерная обработка до обработки подложек имеет ценовое преимущество по сравнению с лазерной обработкой или нарезкой алмазной пилой после обработки.
Чернила для электродов, клемм, резисторов, диэлектрических слоев и т. д. обычно готовят путем смешивания необходимых металлических или керамических порошков с растворителем (толстопленочные керамические пасты) или полимерными пастами [7] для получения пасты для трафаретной печати. Для достижения однородности чернил смешанные компоненты чернил можно пропустить через трехвалковую мельницу. Альтернативно, готовые чернила можно приобрести у нескольких компаний, предлагающих продукцию для технологов толстопленочной печати.
Трафаретная печать — это процесс переноса чернил через тканую сетку с рисунком или трафарет с помощью ракеля . [8]
Для повышения точности, увеличения плотности интеграции и улучшения линейной и пространственной точности была разработана традиционная технология трафаретной печати с фотоизображением на толстой пленке . Однако использование этих материалов обычно меняет технологический процесс и требует использования других производственных инструментов.
После того, как после печати прошло некоторое время для осаждения чернил, 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 зафиксировать слой временно размещается на подложке, чтобы с ним можно было обращаться или хранить перед окончательной обработкой. Для чернил на основе полимеров и некоторых паяльных паст, которые затвердевают при таких температурах, это может быть последним шагом, который необходим. Некоторые чернила также требуют отверждения под воздействием УФ- излучения.
Для многих красок по металлу, керамике и стеклу, используемых в процессах нанесения толстых пленок, требуется обжиг при высокой температуре (обычно выше 300 °C) для постоянной фиксации слоев на подложке.
После обжига резисторы можно обрезать, используя метод прецизионной абразивной резки, впервые разработанный SS White. [9] В методе используется мелкий абразивный материал, обычно оксид алюминия толщиной 0,027 мм. Абразивная резка подается через твердосплавный наконечник сопла, который может быть разных размеров. Сопло продвигается через нагревательный резистор, в то время как резисторный элемент контролируется контактами датчика, и когда достигается конечное значение, абразивная струя отключается, и сопло втягивается в нулевое стартовое положение. Абразивный метод позволяет достичь очень высоких допусков без нагревания и растрескивания стеклянной фритты, используемой в рецептуре чернил.
После зажигания резисторы подложки подстраиваются до правильного значения. Этот процесс называется лазерной обрезкой . Многие чип-резисторы изготавливаются по толстопленочной технологии. На большие подложки наносятся резисторы, которые разделяются на маленькие микросхемы, которые затем заделываются, чтобы их можно было припаять на печатной плате. При лазерной обрезке используются два режима; либо пассивная подстройка, при которой каждый резистор подстраивается до определенного значения и допуска, либо активная подстройка, при которой обратная связь используется для настройки на определенное напряжение, частоту или реакцию путем лазерной подстройки резисторов в цепи при включенном питании.
Развитие процесса SMT фактически развивается из процесса толстой пленки. Кроме того, стандартным процессом является установка голых кристаллов (настоящего кремниевого чипа без инкапсуляции) и соединение проводов, что обеспечивает основу для миниатюризации схем, поскольку дополнительная герметизация не требуется.
Этот шаг часто необходим, поскольку на одной подложке одновременно производится множество компонентов. Таким образом, требуются некоторые средства отделения компонентов друг от друга. Этот этап может быть достигнут путем нарезки пластин кубиками .
На этом этапе устройствам может потребоваться интеграция с другими электронными компонентами, обычно в виде печатной платы. Этого можно добиться с помощью проволочного соединения или пайки .
Существует множество этапов производства толстой пленки, которые требуют тщательного контроля, например, шероховатость основы, температура отверждения и время отверждения паст, выбранная толщина трафарета в зависимости от типа пасты и т. д. [10] [11] Поэтому количество используемых паст и Этапы процесса определяют сложность процесса и стоимость конечного продукта.
Те же или аналогичные инструменты автоматизации электронного проектирования , которые используются для проектирования печатных плат, могут использоваться для проектирования толстопленочных схем. Однако совместимость форматов инструментов с производством/производителем трафаретов требует внимания, а также наличие правил геометрического, электрического и теплового проектирования для моделирования и проектирования компоновки от конечного производителя.