7.13. Основы толстопленочной технологии

Толстые пленки толщиной в несколько десятков микрометров приме-

ляют для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов,

проводников и контактов) в гибридных толстопленочных МС, а также про-

Рис. 7.26. Структурная схема цикла толстопленочной технологии

Рис. 7.26. Структурная схема цикла толстопленочной технологии

водников и изолирующих слоев в некоторых типах многоуровневых комму­тационных микроплат микросборок.

В основе толстопленочной технологии лежит использование дешевых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовре­менных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надежность толстопленочных элементов обусловлена прочным (свыше 5 МПа) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.

В целом толстопленочная технология состоит из ряда последователь­ных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рис. 7.26. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектриче­ского и т. п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По заверше­нии формирования всех слоев все резисторы и конденсаторы проходят под­гонку (обычно лазерную) до заданной точности.

Толстопленочные пасты

В готовом (вожженном) состоянии толстопленочный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом (рис. 7.27) и «склеенных» стеклом с невысокой (400...500 °С) тем-

Рис. 7.27. Структура толстопленоч­ных элементов:

1 — частицы металла; 2 — конструкци­онная связка; 3 — частицы окисла металла

пературой плавления. Для проводящих элементов используют порошки сереб­ра, палладия и других металлов с высо­кой электропроводностью. Для рези-стивных — смесь порошков проводя­щих частиц и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное сопротивление в широких пределах. Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков, которые, обладая большим значением

относительной диэлектрической проницаемости е, обеспечивают большие значения удельной электрической емкости Со, Ф/см². Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стекол с малыми е и С₀. Функцио­нальные частицы в процессе вжигания должны сохранять твердое состояние и массовый контакт, т. е. иметь температуру плавления более 900 °С.

Дня приготовления паст в смесь порошков функциональных частиц и низкотемпературного стекла добавляют технологическую связку, обычно органические масла. В процессе вжигания нанесенных элементов она долж­на разлагаться и полностью удаляться из слоя.

Особую группу паст представляют лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения пасты через сетчатый трафарет на толстопленочные мон­тажные площадки и сушки покрытие подвергается оплавлению (-230 °С).

Марки и свойства различных сплавов и паст приведены в табл. 7.8—7.11.

Таблица 7.8. Характеристики диэлектрических паст

Марка пасты	Толщина, мкм	Удельная емкость, пФ/см^2	Тангенс угла диэлектриче­ских потерь на частоте 1,5 МГц	Применение
ПК- 1000-30 ПК-12 ПД-1 ПД-2 ПД-3 ПД-4	40... 60 40... 60 60... 70 50... 60 30.. .50 30.. .50	3700 10000 160 220	0,0035 0,0035 0,002 .0,003 0,002 0,003	Диэлектрик конден­саторов, изоляция пересекающихся про­водников Диэлектрик конден­саторов Межслойная изоля­ция в двухуровневых соединениях Межслойная изоля­ция в многоуровне­вых соединениях Верхний защитный слой при использова­нии пасты ПД-1 Верхний защитный слой при использова­нии пасты ПД-2

Примечания. 1. Температурный коэффициент емкости для различных марок ±3,5-Ю~⁴ КГ¹. 2. Напряжение пробоя равно 150 В для конденсаторов и 500 В для межслойной изоляции.

Таблица 7.9. Характеристики проводящих паст

Характеристика	Марка пасты 4350 4350Т 4351 4005 4205 4320
Растекаемость на сторону, мкм, не более Температура вжига­ния на воздухе, °С Л„„ Ом, не более Адгезия к керамике, МПа, не менее	50 25 25 50 25 50 820±10 820110 87015 820110 87013 85515 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,02 5 5 10 5 8 10

Характеристика Марка пасты

4350 4350Т 4351 4005 4205 4320

Растекаемость на

сторону, мкм, не

более 50 25 25 50 25 50

Температура вжига-

ния на воздухе, "С 820±10 820±10 870±5 820±10 870±3 855±5

Леи, Ом, не более 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,02

Адгезия к керамике,

МПа, не менее | 5 | 5 | 10 | 5 | 8 | 10

Примечания. 1. Толщина пленок после вжигания 1714 мкм. 2. Пленки облу-живаются припоями ПОС-61 и ПСрОС-3-58.

Таблица 7.10. Характеристики лудящих паст

Марка пасты	Припой	Флюс	Растворитель остатков связки
ПЛ-111 ПЛ-112 ПЛ-312 ПЛ-113	ПОС-61 ПОС-61 ПСрОС-3-58 ПОС-61	Активный среднекоррози-онный Некоррозионный Некоррозионный Слабокоррозионный	Вода Хлористый метилен Хлористый метилен Спирто-бензиновая смесь (1:1). Водные моющие растворы

Марка Припой Флюс Растворитель остатков

пасты связки

ПЛ-111 ПОС-61 Активный среднекоррози- Вода

онный

ПЛ-112 ПОС-61 Некоррозионный Хлористый метилен

ПЛ-312 ПСрОС-3-58 Некоррозионный Хлористый метилен

ПЛ-113 ПОС-61 Слабокоррозионный Спирто-бензиновая

смесь (1:1). Водные - моющие растворы

Примечания. I. Содержание частиц припоя с размером менее 40 мкм — 20 %, с размером 40...80 мкм — 80 %. 2. Нанесение — трафаретной печатью или дозато­ром. 3. Оплавление при температуре 22515 °С.

Таблица 7.11. Характеристики резистнвных паст

Харак­тери­стика	Марка пасты ПР-5 ПР-100 ПР-500 ПР-1К ПР-ЗК ПР-6К ПР-20К ПР-50К ПР-100К
/^»Ом	5 100 500 1000 3000 6000 20000 50000 100000

Харак- Марка пасты

^тери- ПР-5 IПР-1001ПР-5001 ПР-1К I ПР-ЗК I ПР-6КIПР-20КIПР-50КI ПР-100К стика

/ЬвОм ~Г" ipo ~5oo loop зооо "бооо~ 20000 "soooo 100000"

Примечания. 1. Толщина пленок после вжигания 15...20 мкм. 2. Температур­ный коэффициент сопротивления в диапазоне от-60 до +125 °С для различных ма­рок ±8 • 10**⁴ К"¹. 3. Максимальная удельная мощность рассеивания для различных марок 3...8 Вт/см².

Рис. 7.28. Схема переноса пасты с тра- Рис. 7.29. Температурный цикл вжигания фарета на подложку (а) и структура сет- пасты чатого трафарета (б)

Трафаретная печать. Трафарет — проволочная сетка из нержавею­щей стали или капроновой нити с нанесенным на нее фотоспособом защит­ным рисунком. Сетка вмонтирована в металлическую рамку. Керамическая подложка устанавливается под трафаретом с зазором, обеспечивающим де­формацию сетки в пределах ее упругости (рис. 7.28). Для этого размеры сет­ки должны быть существенно больше размеров рисунка. После нанесения дозированного количества пасты движением ракеля она продавливается че­рез открытые участки трафарета и переносится на подложку. Таким обра­зом, контакт трафарета с подложкой происходит по линии, движущейся вместе с ракелем.

В процессе сушки полученного отпечатка удаляются летучие компо­ненты технологической связки.

Вжигание. На рис. 7.29 приведен типичный температурный цикл вжиганш пасты. На первой стадии скорость повышения температуры отно­сительно невысока, происходит разложение органической связки и ее уда­ление интенсивной вытяжной вентиляцией. На второй стадии скорость рос­та температуры повышают, происходит плавление низкотемпературного стекла и образование суспензии твердых функциональных частиц в рас­плавленном стекле. Собственно вжигание происходит на третьей стадии при постоянной температуре. При этом имеет место как химическое (взаимодей­ствие окислов стекла и керамики), так и физическое (заполнение стеклом открытых поверхностных пор керамики) сцепление покрытия с подложкой. После выдержки (примерно 10 мин) изделия медленно охлаждают (четвер­тая стадия) во избежание внутренних напряжений. Общая продолжитель­ность цикла порядка одного часа.

В зависимости от типа производства вжигание осуществляют в ка­мерных печах периодического действия (мелкосерийное производство), ли­бо в туннельных печах непрерывного действия (крупносерийное и массовое производство).