5.3. Технология изготовления толстопленочных гимс

В основе технологии толстых пленок лежит трафаретная печать и вжигание в керамическую подложку элементов и проводников (толщина пленки 10 – 70 мкм).

Для изготовления пассивных толстопленочных компонентов используется композиция «металл – окисел – стекло». Закрепление элементов схемы на подложке достигается за счет химической связи (реакции) их материалов с подложкой в результате термической обработки при высоких температурах.

Толстопленочные ГИМС нашли широкое применение благодаря:

- простоте технологии при сравнительно низких затратах на оборудование и материалы;

- возможности получения широкого диапазона номиналов компонентов;

- малым паразитным связям, что особенно важно на больших частотах;

- высокой надежности;

- возможности получения мощных схем.

Рассмотрим материалы для толстопленочных ГИМС.

Подложки для толстых пленок. Наиболее важные функции подложек:

- несущая конструкция для схем и монтажа;

- защита элементов схемы от механических воздействий и воздействий окружающей среды;

- обеспечение теплового режима;

- обеспечение электрической изоляции.

Основным материалом для подложек является поликристаллическая керамика. Для подложек применяют керамику трех типов:

- на основе окиси бериллия (обладает высокой теплопроводностью и применяется для мощных схем);

- на основе титаната бария (обладает высокой диэлектрической проницаемостью и применяется для высокочастотных схем);

- на основе окиси алюминия (обладает хорошими характеристиками при достаточно низкой стоимости, из этой керамики изготавливают 95 % толстопленочных схем).

Эта керамика содержит 94 – 96 % окиси алюминия и 4 – 6 % смеси окиси кальция, окиси магния и двуокиси кремния, которые делают химическую активность керамики достаточной для хорошей адгезии толстых пленок к подложке.

К поверхности подложек предъявляются очень высокие требования: по шероховатости (9 – 11 класс шероховатости), по качеству очистки поверхности. При очистке не применяют сильные кислоты и щелочи, так как можно вытравить материал подложки. Используется ультразвуковая очистка в водной среде, промывка в деионизированной воде, отжиг в печах. Качество очистки сильно влияет на адгезию пленок к подложке.

Пасты для толстых пленок. В толстопленочной технологии элементы схемы наносятся в виде композиции на основе функционального материала (металл, окисел и др.), стекла и органических материалов, которая называется пастой. Стекло является связующим материалом, а органические добавки делают смесь пригодной для трафаретной печати.

Стекло в мелкодисперсном состоянии (размер частичек 1 – 3 мкм) в процессе вжигания расплавляется, а при последующем затвердевании формируют монолитную конструкцию толстопленочного компонента с равномерно распределенными в ней частицами функционального материала и одновременно создает прочное соединение компонента с подложкой. На границе раздела пленка – подложка образуется переходной слой толщиной 6 – 8 мкм, обеспечивающий прочную связь пленки с подложкой. Этот слой также компенсирует несоответствие тепловых коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов пленки и подложки.

Наибольшее применение находят легкоплавкие стекла, содержащие окислы бора, кремния, свинца, висмута. Стекла размельчаются на шаровых мельницах до размеров, не препятствующих прохождению пасты через трафарет.

Пасты бывают: проводниковые, резистивные, диэлектрические для конденсаторов, диэлектрические для пересечений, защитные.

Проводниковые пасты должны обладать следующими характеристиками:

- высокая удельная проводимость;

- высокая адгезия пленок с подложкой;

- возможность пайки (микросварки) навесных элементов;

- композиция (смесь) должна быть устойчива к воздействиям, связанным с выполнением ТП и условиями эксплуатации.

Функциональными материалами проводящих паст являются порошки благородных металлов и их смеси: золото, серебро, палладий и др. Типичный состав проводящей пасты содержит около 12 % палладия, 75 % золота и 13 % стекловидного связывающего материала.

Резистивные пасты во многом сходны с проводниковыми. Главное отличие – функциональный материал. Его важнейшее качество – высокое удельное сопротивление. Наибольшее применение находят пасты на основе соединений палладия, серебра, рутения. При этом характеристики пленочного резистора во многом определяются оксидом палладия, образующегося во время процесса вжигания.

Пасты на основе соединений рутения являются более стабильными, менее чувствительными к колебаниям температуры во время процесса вжигания. Они находят все большее применение в толстопленочной технологии.

Диэлектрики для конденсаторов должны обладать высокой диэлектрической постоянной. Наибольшее применение находят материалы на основе ВаТiО₃, у которых можно получить ε ≈ 1000.

Обязательным условием является полное удаление органических добавок при низкотемпературном нагреве. В противном случае в слое диэлектрика появляются вкрапления углерода, и резко возрастает проводимость.

Диэлектрики для пересечений. В сложных схемах с повышенной плотностью компонентов часто приходиться прибегать к взаимному пересечению проводников. Для изоляции пересекающихся проводников также используются диэлектрические материалы.

Главное свойство такого материала – электрическая прочность и высокое сопротивление изоляции. В качестве функционального материала используют стекло, кристаллизирующееся при охлаждении.

Защитные покрытия. Основным материалом является легкоплавкое стекло.

Трафаретная печать. Основная цель этой операции – перенести рисунок схемы на подложку, имеющую прямоугольную или квадратную форму. Для изготовления ГИМС требуется комплект трафаретов для нанесения определенного пленочного слоя. Каждому трафарету соответствует определенный фотошаблон, выполненный на основе топологического чертежа ГИМС.

Основным элементом трафарета является сетка из нейлона или нержавеющей стали с размерами ячейки 80 – 240 мкм. Выбор размера ячейки определяется требованиями толщины и ширины пленочного компонента. Трафарет является многофазовым инструментом, который не только обеспечивает конфигурацию рисунка в плоскости, но и дозирует количество поступающей пасты на подложку. Дозирование обеспечивается тем, что паста поступает в отверстие трафарета с помощью соскабливающей лопаточки – ракеля.

Очищенная подложка устанавливается в держатель установки трафаретной печати (пастопечатающий автомат), сверху помещается держатель трафарета с необходимым трафаретом. На него подают пасту и с помощью ракеля наносят ее на подложку. Ракель заполняет пастой отверстия в трафарете, прогибает его до соприкосновения с подложкой и продавливает пасту в отверстия в трафарете. Рабочая часть ракеля изготавливается из уретана или полиуретана.

Оснастка, то есть трафареты, используемые при нанесении паст, должна обеспечить точное совмещение отдельных пленочных слоев схемы. Резистивный слой наносится, как правило, последним, так как повторный нагрев влияет на точность изготовления резисторов.

Вжигание. После нанесения пасты следующие операции ТП это сушка и вжигание. Вжигание толстых пленок состоит из трех этапов: сушки, удаления связывающего вещества и высокотемпературного обжига. Сушку производят при температуре не выше 125⁰С на горячих пластинах или в печах с инфракрасным источником тепла в течение 5 – 12 минут. Инфракрасные печи используются потому, что при таком способе сушки не образуется корки, которая препятствует удалению связывающих веществ, входящих в пасту.

При обжиге органическая связка пасты выгорает, стеклянный порошок плавится, смачивает частицы металла, а при охлаждении обеспечивает сцепление их между собой и с керамической подложкой.

Вжигание паст производится в конвейерных печах. Режимы вжигания определяются характеристиками материалов паст и подложек. Вжигание производится при температурах 700 – 1000⁰С.

Температурный график процесса вжигания представлен на рис. 5. .

На участке I в зоне предварительного нагрева происходит окончательное удаление органических составляющих пасты. Наиболее ответственной является зона II, зона максимального нагрева, особенно для резистивных паст. Ее протяженность во времени, и точность поддержания температуры определяет разброс сопротивлений резисторов. В идеальном случае зона II должна быть плоской (как пунктир), но в реальных печах этого достигнуть не удается. Зона III – зона охлаждения. В ней должна обеспечиваться оптимальная скорость охлаждения подложек, чтобы не возникали трещины в пленке.

На поверхности пленочных элементов после их термообработки не должно быть трещин, пузырей, царапин, отслоений.

Структурная схема типового технологического процесса изготовления толстопленочных ГИМС представлена на рис. 5. .

ПОДГОНКА ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Основные причины появления погрешностей толстопленочных компонентов:

- отклонение температурного режима печи при термообработке;

- не выдерживается толщина пленочного компонента;

- неточность совмещения трафаретов.

Подгонка толстопленочных компонентов может осуществляться двумя способами:

1. Изменением структуры и свойств материалов (удельное сопротивление или диэлектрическая постоянная).

2. Изменением геометрии компонентов. Этот способ получил наибольшее распространение.

Геометрию толстопленочных резисторов можно изменять путем изменения толщины резистивной пленки или ширины резистора. Толстопленочные резисторы при хорошо отработанной технологии имеют разброс сопротивлений ± 10 – 15 %.

Конденсаторы подгоняются посредством удаления части верхней обкладки, в результате чего изменяется эффективная площадь конденсатора. Необходимо заметить, что подгонка конденсаторов в толстопленочной технологии очень трудоемка, следовательно, малопроизводительна, требует очень высокой квалификации оператора. При подгонке не должна повреждаться диэлектрическая пленка. Все это привело к тому, что в толстопленочной технологии подгонка конденсаторов осуществляется редко, и чаще используют навесные конденсаторы.

Методы подгонки толстопленочных резисторов.

В настоящее время применяются следующие основные методы подгонки резисторов:

- механический;

- пескоструйный;

- высокочастотный;

- лазерный;

- химический и электрохимический.

При механическом методе подгонка осуществляется при помощи алмазного бора, вращающегося со скоростью 100 тысяч об/мин, путем фрезерования резистивной пленки. Метод при достаточно высокой производительности и простоте оборудования имеет ряд недостатков:

- влагоустойчивость резистора уменьшается, так как зона обработки после подгонки не защищена пленкой и проникающая в резистор влага изменяет его сопротивление;

- возможно образование микротрещин, что ведет к браку и увеличению паразитных шумов резистора;

- применение алмазного бора ограничивает возможность подгонки резисторов небольших номиналов (как правило, небольших размеров), так как бор небольшого диаметра имеет недостаточную механическую прочность.

При пескоструйном методе подгонка осуществляется путем вырезания части резистора струей воздуха, несущего абразив. В качестве абразива обычно применяется окись алюминия, состоящая из частиц диаметром от 10 до 500 мкм.

Точность подгонки зависит от скорости передвижения резистора под форсункой. Метод находит широкое применение на практике.

Лазерный метод подгонки является наиболее перспективным. Он обладает следующими преимуществами:

- позволяет осуществлять подгонку резисторов размером менее 1 мм;

- высокая скорость испарения материала резистора обеспечивают высокую производительность;

- место обработки резистора лазерным лучом оплавляется стеклом, препятствующим проникновению в резистор влаги;

- инерционность системы очень мала, что увеличивает точность подгонки.

На практике при лазерной подгонке используют несколько способов воздействия на материал пленки:

- изменение геометрии резистора с помощью различных резов;

- облучение материала резистора лазерным лучом (без разрушения), в результате которого меняется структура пленки и ее сопротивление;

- нагревание материала пленки лазерным лучом (без разрушения) до некоторой температуры, при которой происходит рекристаллизация, приводящая к уменьшению электрического сопротивления за счет уплотнения ее структуры.

Этот способ особенно эффективен при подгонке сопротивления металлических резисторов, не прошедших термическую обработку в вакууме и металлокерамических резисторов, представляющих собой двухфазные системы, такие как Cr – SiO₂, Au – Cr₂O₃. Импульсное тепловое воздействие луча лазера может быть локализовано в весьма малой зоне, что позволяет подгонять каждый резистор отдельно в схемах большой плотности и сложной конфигурации.

Применение лазера позволяет в 10 – 20 раз увеличить производительность труда по сравнению с механическими методами. Существуют промышленные установки с электронным управлением и производительностью подгонки до 5 тысяч резисторов в час. Для подгонки толстопленочных резисторов используют лазеры на СО₂.