薄厚膜混合集成电路要点Word文件下载.docx
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厚膜混合集成电路是在80年代中期出现的。
1945年美国Centralab公司为迫击炮弹近炸引信生产了小型的振荡放大电路,该电路使用陶瓷基片。
上面敷设银导体和电阻,再焊上小型电子管,成为厚膜混合电路的雏形。
1950年出现了网印电阻、电容片.1959年美国DuPoint公司首先成功制成了金属陶瓷电阻浆料(钯——银系电阻浆料),同时提出在A1203陶瓷基片上进行印刷的方案,至此,厚膜混合集成电路已基本定型.也正是从上世纪六十年代开始,厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广,精度和稳定度高、电路设计灵活性大、研制生产周期短、适合于多种小批量生产等特点,与半导体集成电路相互补充、相互渗透,业已成为集成电路的一个重要组成部分。
广泛应用于电控设备系统中,对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。
虽然在数字电路方面,半导体集成电路充分发挥了小型化、高可靠性、适合大批量低成本生产的特点,但是厚膜混合集成电路在低噪声电路,高稳定性无源网络,高频线性电路,高精度线性电路,微波电路,高压电路,大功率电路,模数电路混合等许多方面,都保持着优于半导体集成电路的地位和特点。
随着技术的发展,厚膜混合集成电路使用范围日益扩大,主要应用于航天电子设备、卫星通信设备、电子计算机、通讯系统、汽车工业、音响设备、微波设备以及家用电器等。
由此可见,厚膜混合集成电路业已渗透到许多工业部门。
在欧洲,厚膜混合集成电路在计算机中的应用占主要地位,然后才是远程通信、通讯、军工与航空等部门。
而在日本,消费类电子产品大量采用厚膜混合集成电路。
美国则主要用于宇航、通讯和计算机。
其中以通讯所占的比例最高。
在彩电行业,厚膜电路一般用作功率电路和高压电路,包括开关稳压电源电路、视放电路、帧输出电路、电压设定电路、高压限制电路、伴音电路和梳状滤波器电路等。
在航空和宇航行业,厚膜混合集成电路由于其结构和设计的灵活性、小型化、轻量化、高可靠性、耐冲击和振动、抗辐射等特点,在机载通信、雷达、火力控制系统、导弹制导系统以及卫星和各类宇宙飞行器的通信、电视、雷达、遥感和遥测系统中获得大量应用。
在军工行业,厚膜电路一般用作高稳定度、高精度、小体积的模块电源,传感器电路,前置放大电路,功率放大电路等。
在汽车行业,厚膜电路一般用作发电机电压调节器、电子点火器和燃油喷射系统。
在计算机工业,厚膜电路一般用于集成存储器、数字处理单元、数据转换器、电源电路、打印装置中的热印字头等。
在通讯设备中,厚膜混合集成压控振荡器、模块电源、精密网络、有源滤波器、衰减器、线路均衡器、旁音抑制器、话音放大器、高频和中频放大器、接口阻抗变换器、用户接口电路、中继接口电路、二/四线转换器、自动增益控制器、光信号收发器、激光发生器、微波放大器、微波功率分配器、微波滤波器、宽带微波检波器等。
在仪器仪表及机床数控行业,厚膜混合集成电路一般用于各种传感器接口电路、电荷放大器、小信号放大器、信号发生器、信号变换器、滤波器、IGBT等功率驱动器、功率放大器、电源变换器等。
在其它领域,厚膜多层步线技术已成功用于数码显示管的译码、驱动电路,透明厚膜还用于冷阴极放电型、液晶型数码显示管的电极。
此外,厚膜技术在许多新兴的与电子技术交叉的边缘学科中也具有持续发展的潜力,有关门类有:
磁学与超导膜式器件、声表面波器件、膜式敏感器件(热敏、光敏、压敏、气敏、力敏)、膜式太阳能电池、集成光路等。
然而在过去,由于材料和工艺技术等各方面的局限,用厚膜工艺生产出来的产品的高频特性远不如薄膜工艺,所以厚膜产品一股用在中低频率。
随着电子整机小型、轻量、多功能、高可靠化的要求日趋迫切,厚膜工艺和材料等各方面也朝商密度、大功率、高频化方向发展。
人们相继开发了适合微波和RF电路应用的厚膜浆料、基板材料、介质材料和工艺。
这些厚膜技术和材料日益成熟,加上厚膜工艺开发周期短,成本低,适合于大批量生产的特点,应用不断扩大。
在上世纪90年代迅速发展的共烧陶瓷多芯片组件(MCM--C),是厚膜技术的延伸与发展,是厚膜陶瓷工艺的体现。
MCM--C的基板根据烧成温度的不同,分为高温共烧陶瓷(HTCC)基板和低温共烧陶瓷(LTCC)基板两种.低温共烧陶瓷技术的导体的电阻率较低,介质材料的高频性能好,工艺灵活,能满足各种芯片组装技术的要求,适合于在微波和RF电路应用。
2、厚膜集成电路的特点
从上世纪六十年代开始,厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广。
精度和稳定度高。
电路设计灵活性大。
研制生产周期短。
适合于多种小批量生产等特点,与半导体集成电路相互补充。
相互渗透,业已成为集成电路的一个重要组成部分,广泛应用于电控设备系统中,对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。
虽然在数字电路方面,半导体集成电路充分发挥了小型化。
高可靠性。
适合大批量低成本生产的特点,但是厚膜混合集成电路在许多方面,都保持着优于半导体集成电路的地位和特点:
(1)低噪声电路,
(2)高稳定性无源网络(3)高频线性电路,(4)高精度线性电路,(5)微波电路,(6)高压电路,(7)大功率电路 (8)模数电路混合。
随着半导体集成电路芯片规模的不断增大,为大规模与厚膜混合集成电路提供了高密度与多功能的外贴元器件。
利用厚膜多层布线技术和先进的组装技术进行混合集成,所制成的多功能大规模混合集成电路即为现在和将来的发展方向。
一块大规模厚膜混合集成电路可以是一个子系统,甚至是一个全系统。
与薄膜混合集成电路相比,厚膜混合集成电路的特点是设计更为灵活、工艺简便、成本低廉,特别适宜于多品种小批量生产。
在电性能上,它能耐受较高的电压、更大的功率和较大的电流。
厚膜微波集成电路的工作频率可以达到4吉赫以上。
它适用于各种电路,特别是消费类和工业类电子产品用的模拟电路。
带厚膜网路的基片作为微型印制线路板已得到广泛的应用。
3、厚膜电路的工艺流程
根据电路图先划分若干个功能部件图,然后用平面布图方法转化成基片上的平面电路布置图,再用照相制版方法制作出丝网印刷用的厚膜网路模板。
厚膜混合集成电路最常用的基片是含量为96%和85%的氧化铝陶瓷;
当要求导热性特别好时,则用氧化铍陶瓷。
基片的最小厚度为0.25毫米,最经济的尺寸为35×
35~50×
50毫米。
在基片上制造厚膜网路的主要工艺是印刷、烧结和调阻。
常用的印刷方法是丝网印刷。
图一厚膜电路的工艺流程
3.1设计及制板
HIC的制造工艺首先从印制版图的设计开始.设计人员根据用户提供的原理电路图来设计出HIC用的印制板图。
这项工作是应用计算机辅助设计来完成的。
电路图形的平面化设计:
逻辑设计。
电路转换。
电路分割。
布图设计。
平面元件设计。
分立元件选择。
高频下寄生效应的考虑。
大功率下热性能的考虑。
小信号下噪声的考虑。
3.2丝网印刷
1、厚膜集成电路丝网印刷工艺
(1)基板
有氧化铝瓷器、镁橄榄石瓷器、锆英石瓷器、董英石瓷器等。
主要使用85%~96%的氧化铝陶瓷基板,是一种以三氧化二铝为主体的材料,有较好的传导性、机械强度和耐高温性。
基片的最小厚度为0.25mm,最经济的尺寸为(35mm×
35mm)~(50mm×
50mm)。
在基片上制造厚膜网路的主要工艺是印刷(主要是丝网印刷)、烧结和调阻。
制作厚膜时应注意陶瓷板的材质、尺寸、粗糙度、翘曲以及表面的缺陷与污染等,并在净化间进行超声波清洗。
(2)浆料
有导体浆料、电阻浆料和绝缘浆料3种,浆料一般由贵金属和低熔点玻璃组成。
制作浆料时要注意浆料的材质、粘度和膨胀系数等。
印刷厚膜电路所使用的浆料,其成分有金、银、铂、钯等。
上述金属粉末分散在有机树脂粘合剂中调成糊状,然后通过丝网印版印在陶瓷基板上。
经高温烧制,有机树脂粘合剂被燃烧掉,剩下的几乎都是纯粹的贵金属,由于玻璃质的作用而密合在基板上。
这层膜可作为厚膜线路、厚膜电阻、厚膜电容及半导体集成电路用的底层金属片。
用银做导电材料其电阻是很低的,因此有时也使用银—钯、银—钯—铂的混合物做导电材料。
为了在基板上形成电阻膜,所用的电阻材料主要是银、金、钯、铙等金属粉末。
小型电容器的导电体、电极等是由重叠印刷法制造出来的。
电极材料以铂—金、钯—金、银等为主体组成。
常用浆料:
银钯浆料的组成:
导体料中含有的金属粉末,其中或其他合金。
无机粘结剂为的无铋、低熔点、低粘度的玻璃陶瓷细粒。
金属氧化物,一般占固体含量的,最佳配比为占导体物料、无机粘接剂及金属氧化物总含量的,氧化物在灼烧时与基板材料发生反应,形成尖晶石结构()。
合适的氧化物离子是,要求金属氧化物的粒度能适用于丝网印刷,最好。
常用的有机介质有乙酸或丙酸的脂肪醇脂、萜烯类(如萜烯油、松节油)、乙基纤维素溶于松油醇中的溶液,较好的载体是由乙基纤维素及萜烯组成。
将上述种物质按一定比例混合,经三辊研轧制成基浆料。
可烧结导电浆料中的粘结剂大约在被全部烧去,当温度继续上升,玻璃软化、熔融,金属粉料烧结成膜,与基板有很好的粘结性。
烧成膜的厚度为,一般为,膜层略有孔隙。
典型的烧成曲线有条。
除Ag、Ag-Pd导电浆料外,还有Ag/Pt、Ag/Pt/Pd等贵金属浆料。
昆明贵金属研究所厚膜金导电浆料的主要技术指标为:
烧结温度:
850~950;
附着力:
热压金丝球焊后,超声铝丝焊接后;
分辨率:
0.1mm(线宽和间距);
电阻率:
3.5-5.0M。
这种厚膜导电浆料可制成薄而致密、导电性优良的导体。
用于底层、层间,在焊接线采用金丝或硅铝丝的情况下也用于顶层。
是适用于厚膜集成电路多层布线等用途的金导电浆料。
(3)丝网印版的制作
网框:
印刷厚膜电路的丝网网框多采用硬铝及铝合金,网框规格一般为100mm×
150mm和150mm×
200mm。
网框形状通常为矩形。
丝网印刷厚膜电路的丝网多采用不锈钢丝网或尼龙丝网。
一般电路印200~300
目丝网;
多层布线或要求精度更高时,可采用300目以上的丝网。
感光胶:
由于厚膜电路丝印要求得到较厚的墨膜(浆料膜),所以要求使用能将光膜涂至20~30μm厚的感光胶,但显影后不得出现边缘缺陷。
首先要选用合适的感光胶。
要注意感光胶乳剂的种类、厚度、均衡性。
由于厚膜IC网印要求得到较厚的墨膜(浆料膜),所以要求能将网版感光胶涂至20µ
m~30µ
m厚度,但显影后要求漏印图形的边缘锐利、陡直,不出现边缘缺陷。
因此对工艺操作和材料选择的要求都比较高,一般要注意以下两个问题:
(1)要选用高分辨率的感光胶,由于以手工刮胶的方法进行涂布很难达到胶膜厚度的精确和胶膜厚度的均匀性,因此,为保证感光胶膜厚度的一致性和精确性,建议采用感光胶自动涂布装置,涂布后的感光胶层可用自动测膜厚度仪进行监控;
(2)要采用直接晒版膜片,它的最大优点是具有极精确的膜片厚度(膜厚误差仅2µ
m)和极佳的膜厚一致性,以及极容易的工艺操作特性,直接触版膜片有多种规格可供不同客户选择,其膜厚分别为13µ
m、15µ
m、18µ
m、25µ
m、38µ
m、50µ
m、70µ
m等多种规格,最大厚度可达400µ
m。
不同的膜厚晒版时要求不同的曝光时间,例如膜厚25µ
m时,一般直接晒版膜片的曝光时间为40s~60s,具防潮效能的直接晒版膜片的曝光时间为50s~75s;
而膜厚50µ
m时,一般直接晒版膜片的曝光时间为110s~120s,具防潮效能的直接晒版膜片的曝光时间为100s~10s。
此外,晒版时还要注意图案的位置适中。
为了达到厚膜IC印版的高精度,过去通常是将图案用精密绘图机放大10倍,然后用照相法把图案缩回原尺寸(缩1/10,即放大/精缩)。
如今可采用
电子工程CAD(计算机设计/精密激光光绘)获得印版制作时所需要的精密制版底版。
也可以采用在已涂布感光胶或直接晒版膜片上进行图形喷绘或直接以激光扫描(曝光),此种工艺可确保厚膜IC印版的精度,并可彻底摒弃传统网印印版制作中的制版底版(照相软片)。
(4)厚膜丝印
集成电路的丝网印刷图像是微型的,要求印刷精度高,所以印刷机、印板、承印物(基板)、油墨等都需要高精度,印刷场所也一定要保持恒温,并清除尘埃。
刮板材料一般为聚胺脂橡胶或氟化橡胶,硬度为邵氏A70°
~A80°
。
另外,选择刮板的形状及硬度时,应考虑电路板上欲印什么图案这个因素。
一般情况下,刮板刃部为90°
或60°
,刮板角为70°
~75°
印刷厚膜集成电路的丝印机有半自动和全自动两类。
半自动丝印机只有基板供给是用手工完成的,其它工序自动完成,如信息产业部电子第四十五研究所开发研制的WY-155型、WY-203型等精密丝网印刷机,具有印刷精度小于0.01mm,刮板压力和印刷速度可以调节,真空工作台x、y、θ三维精密调整,整机PLC控制等,各项指标均达到或超过国外同类设备技术水平,是国内厚膜集成电路生产厂家的首选设备。
(5)厚膜电路的印后加工
一般印刷厚膜电路板,首先进行导体印刷,再反复印刷电阻2~3次,有时根据情况可适当交叉进行玻璃涂层的印刷,在印刷后还要进行下述加工或处理。
摊平过程:
印刷后将印刷品放置5~7min至网纹消失为止。
干燥处理:
用100℃左右的温度进行干燥。
烧制:
用约650~670℃的温度进行烧制。
这一道工序非常重要,所以要随时调整炉温,保持适合浆料烧结的温度。
调整:
调整电阻值,一般采用向电路板喷砂或用激光调整电阻体的方法进行调整。
包封:
对制成的内接元件起到保护作用。
(6)厚膜电阻器丝印制作工艺
厚膜印刷与一般丝网印刷相似,只是厚膜印刷的产品是厚膜电阻器、电容器等电路元件。
厚膜电阻器的精度、电气稳定性和可焊性等技术指标,与厚膜丝印质量有关,墨膜厚度有微小变化,产品就不能使用。
因此,厚膜电阻器膜厚的均匀性将直接影响产品的成品率。
普通的厚膜电阻器是厚度约20μm的立方体,如果控制其厚度一定,则可用长宽之比来决定该电阻器的电阻值。
厚膜电阻器的长宽比以最大10∶1至最小1∶10,对电阻值相同的印刷油墨(电阻浆料),其面电阻只能在10~1/10范围内变化。
要想获得这一范围以外的电阻值,则必须改用电阻值不同的浆料。
厚膜电阻。
(7)印墨的使用
厚膜IC印墨是将贵金属细粉分散于有机树脂连结料中调成糊状的浆料,其成分有金、银、钯等。
通过丝网印版印在陶瓷基板上,经高温烧制,有机树脂连结料被燃烧掉,剩下的几乎都是纯粹的贵金属,由于玻璃质的作用而密合在基板上。
这层膜可作为厚膜线路、厚膜电阻、厚膜电容及半导体IC用的底层金属片。
厚膜IC印墨一般用银墨做厚膜IC的导电材料,它具有极低的电阻率。
有时也使用银/钯,银/钯/铂银混合印墨作导电材料。
为了在基板上形成电阻膜,所用的电阻印墨主要是银、金、钯、铑等金属粉末。
小型电容器的导电体、电极等是由重叠印刷法制作出来的。
电极印墨主要是铂/金、钯/金、银等为主体组成。
此外,要注意印墨的溶剂、连结剂的种类。
印刷中要注意印墨的粘度、触变性,保证流变性均一分散。
(8)印刷技术要点
厚膜IC以陶瓷为承印体。
其表面坚硬、不吸收印墨,因此不适合其他印刷方式,只有丝网印刷可以顺应承印物的形状,印迹(印墨)较厚,适宜厚膜IC的无源元件加工印刷。
IC的丝网印刷图形是微型的,要求印刷精度很高,所以对印刷机、印版、基板、油墨等都需高精度的要求,印刷场所也应保持恒温、恒湿,并保持无尘洁净。
印刷工作中最重要的是电阻印刷,印刷干燥后的电阻误差值要保持在±
10%以内。
所以用手工进行厚膜IC的印刷是无法保证膜厚精度的。
厚膜IC印刷应多采用半自动或全自动丝网印刷机,并且要求印刷速度、刮板压力等可调、稳定。
刮板材料一般为聚氨酯橡胶或氟化橡胶,硬度为肖氏70°
~80°
印刷中要注意刮刀压印速度、方向、刮印角度、压力大小,要保证速度与精度的一致性。
要注意承印物(基板)的表面状态、弯曲度、平行度、清洁度、尺寸精度等。
在选择刮板的形状及硬度时,还要考虑电路板上欲印什么图案这个因素。
长方形刮板要与承印物呈60°
~75°
度夹角,正方形刮板与承印物呈45°
的夹角。
在厚膜印刷IC中,由于厚膜印刷时厚膜电阻、电容等精度、电气稳定性和可焊性等技术指标与厚膜网印质量关系密切,且要求精度很高,墨膜厚度只要微略变化,其产品就要成为次品或报废。
普通的厚膜电阻器是厚度约20µ
m的立方体,如果控制其厚度一定,则可用长宽之比来决定该电阻器的电阻值。
厚膜电阻器的长宽比以最大10∶1至最小1∶10,对电阻值相同的印刷油墨(电阻浆料),其面电阻只能在10~1/10范围内变化。
此外,在厚膜电路网印中,印刷质量是成品质量的保证。
如印刷缺陷则可能产生次品甚至废品。
例如,导体印刷出现中空或针孔缺陷,就会使导线产生凹陷;
分辨力低就会使电路产生短路;
印刷的墨膜太薄,就会造成导电性差、耐焊性高,而墨膜太厚,则影响电阻和介电体的并存性问题。
对于电阻器印刷来说,墨膜太薄,印刷的电阻值就比预定值偏高,而墨膜太厚,不但需要多余的激光调整,并且调整后的稳定性也不好。
在介电体印刷中,墨膜太薄,会产生电绝缘性变差,甚至短路的现象等。
3.3烧结
对印刷、干燥后的厚膜元件加热,在合适的温度下保温一定时间,然后降温,经过烧结过程使其具有一定的电性能。
厚膜元件如导体、介质、电阻器和保护层需要逐层印刷、烘干和烧结。
印刷电阻器的温度系数由所用材料决定可做到±
100x10“以内。
通常根据电路的不同需要,印刷、烘干和烧结要经过十多次循环才能完成电路基片的制作。
操作步骤:
1、预热炉体:
插上插头,接通电源,逆时针调节“手动调节”旋钮到最小,然后将“自动----手动”旋钮调节到手动挡位置,按面板上的绿色圆钮给炉体通电,再逐渐调大“手动调节”旋钮,给炉体加电预热,一般此时的电流应小于10A。
2、设置烧结曲线:
按“PRG”键,面板上第一行显示为“00T”,表示设置第00段起始温度,单位为摄氏度,第二行即为预设值。
通过控制面板上的上下箭头来调节预设温度,也可按“PRN”键来移动小数点光标来快速修改某位的数值,但修改完后需继续按“PRN”键,直到小数点光标小时该数据才算设定完毕。
按“SEL”键,面板第一行显示“00t”,表示设置第00段的运行时间,单位为分钟。
第二行即为预设值,可按烧结曲线来修改,方法同上。
按“SEL”键,面板第一行显示“00U”,表示调节该段的功率偏置,若工作中实际温度始终大于设定温度,可通过减小U来调节,反之增大U,调节范围为“-50~+50”,一般使用时将其设为零附近即可。
按“SEL”键,面板显示“00F”,表示设置当前段功率限幅,调节范围为0~100,可根据升温速度和烧结温度来适当调节,一般低于500℃,可设为80~90;
500~1000℃,可设为90;
高于1000℃,必须设为100。
程序终止段的设定:
将该段温度设定为终止温度,其余三个参数(t,U,F)均设为0。
当着几个参数均设好后,再按“SEL”键将自动跳回到程序的第00段。
例1:
导体、电阻烧结工艺曲线为:
室温经40min升温至850℃,在850℃保温10min后停止运行,程序参数应设为:
段号
T
t
U
F
00
室温
40
85
01
850
10
90
02
程序设定好并检查无误后,按“PRG”键,程序自动保存并退回到开机显示菜单中。
例2:
玻璃烧结工艺曲线为:
室温经30min升温至520℃,在850℃保温5min后停止运行,程序参数应设为:
30
520
5
3、运行程序:
将“手动调节”旋钮调节到最小,然后将“自动----手动”旋钮调到自动挡,按程序控制面板上的“RUN”键,程序开始运行,开始工作。
4、程序运行完后,按红色圆钮,将炉体断电,然后拔掉电源插头。
另外,程序运行过程中若需要暂停程序运行,则长按“PRG”约10S,面板上“JF”灯亮,表示程序暂停,仪器将炉体温度控制在该暂停温度附近。
注意事项:
1、程序设置完毕后,务必将“自动-手动”按钮调到“自动”状态(非常重要)!
程序执行后“自动调节”旋钮勿动!
2、按“PRN”键来移动小数点一定要按到小数点光标消失该数据才算设定完毕。
3.4激光调阻
1、引言
为了提高厚膜电路的精度,必须进行阻值调整。
由于厚膜丝网印刷操作固有的不准确性,基板表面的不均匀及烧结条件的不重复性,厚膜电阻常出现正负误差,如果阻值超过标称值将无法修正,但是一般情况下印制烧成后阻值低于目标值约3O%,所以要通过激光调整到目标值。
2、激光调阻系统及修调技术机理
激光修调是把一束聚焦的相干光在微机的控制下定位到工件上,使工件待调部分的膜层气化切除以达到规定参数或阻值。
调阻时局部温升使玻璃熔化,气化部分阻值槽边缘受到玻璃覆盖,可填平基体表面被切割的介质。
先进的激光修调系统应用了大量的LSI、VLSI模块,以大部分的软件操作代替许多硬件功能。
核心部分是通过硬件直接与激光器、光束定位、分步重复及测量等系统相连接。
测量系统是采用精密电桥和矩阵组合的无源网络组成。
先进的激光修调系统具有多种修调功能,可以修调混合集成电路,厚薄膜电阻网
络,电容网络,瓷基薄膜集成元件,还可以修