Толстопленочная технология используется для производства электронных устройств / модулей, таких как модули для поверхностного монтажа , гибридные интегральные схемы , нагревательные элементы , интегрированные пассивные устройства и датчики . Основная технология изготовления - трафаретная печать (трафаретная печать ).), которые, помимо использования в производстве электронных устройств, могут также использоваться для различных целей воспроизведения графики. Техника известна в своей основной форме около тысячи лет - она использовалась уже во времена великих китайских династий. Он стал одним из ключевых методов производства / миниатюризации электронных устройств / модулей в 1950-х годах. Типичная толщина пленки, изготовленной с использованием 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 и 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 при массовом термоциклировании цепей без сбоев. [2] Другие области применения - космическая электроника, бытовая электроника и различные измерительные системы, где требуется низкая стоимость и / или высокая надежность.
Самая простая форма использования толстопленочной технологии - это модульная подложка / плата, где проводка производится с использованием толстопленочной технологии. Кроме того, резисторы и конденсаторы с большим допуском могут быть изготовлены толстопленочным методом. Толстопленочную проводку можно сделать совместимой с технологией поверхностного монтажа (SMT), и при необходимости (из-за допусков и / или требований к размеру) детали для поверхностного монтажа (резисторы, конденсаторы, ИС и т. Д.) Могут быть собраны на толстой пленке. субстрат.
Производство толстопленочных устройств / модулей представляет собой аддитивный процесс, включающий нанесение нескольких (обычно максимум 6-8) последовательных слоев проводящего, резистивного и диэлектрического слоев на электроизоляционную подложку с использованием процесса трафаретной печати . [3]
В качестве недорогого производственного метода 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 конкурирует и дополняет, как правило, в миниатюризации электроники (детали или элементы / площадь или объем) с SMT на основе PCB ( печатная плата ) / PWB (печатная монтажная плата) и тонкопленочная технология. [4]
Шаги [ править ]
Типичный толстопленочный процесс состоит из следующих этапов:
Лазерная обработка субстратов [ править ]
Обычно толстопленочные подложки для схем представляют собой Al 2 O 3 / оксид алюминия , оксид бериллия (BeO), нитрид алюминия (AlN), нержавеющую сталь , иногда даже некоторые полимеры и в редких случаях даже кремний (Si), покрытый диоксидом кремния (SiO 2 ). , [5] [6] Наиболее часто используемые субстраты для толстопленочного процесса состоят из 94 или 96% глинозема. Оксид алюминия очень твердый, поэтому лазерная обработка материала является наиболее эффективным способом его обработки. Толстопленочный процесс - это также процесс миниатюризации, при котором одна подложка обычно содержит много единиц (конечных цепей), с помощью лазера можно разметать, профилировать и просверливать отверстия. Скрайбирование - это процесс лазерной обработки, при котором линия лазерных импульсов направляется на материал, и 30–50% материала удаляются, это ослабляет подложку. После выполнения всех других процессов для построения толстопленочной схемы подложки можно легко разделить. в отдельные единицы. Профилирование, например, часто используется в датчике, где цепь должна соответствовать круглым трубам или другим различным сложным формам. Просверливание отверстий между двумя сторонами подложки,обычно размеры отверстий находятся в диапазоне 0,15–0,2 мм.
Лазерная обработка перед обработкой подложек имеет преимущество по стоимости по сравнению с лазерной обработкой или нарезкой кубиками алмазной пилой после обработки.
Подготовка чернил [ править ]
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 дробилку. В качестве альтернативы готовые чернила можно получить в нескольких компаниях, предлагающих продукцию для технолога толстопленочной печати.
Трафаретная печать и ее улучшения [ править ]
Трафаретная печать - это процесс переноса краски через узорчатую сетку или трафарет с использованием ракеля . [8]
Для повышения точности, увеличения плотности интеграции и улучшения линейной и пространственной точности традиционной трафаретной печати была разработана технология создания фотоизображений на толстой пленке . Однако использование этих материалов обычно меняет технологический процесс и требует других производственных инструментов.
Сушка / Отверждение [ править ]
По прошествии времени после печати 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 закрепить слой временно размещается на подложке, чтобы с ним можно было обращаться или хранить до окончательной обработки. Для чернил на основе полимеров и некоторых паяльных паст, отверждаемых при этих температурах, это может быть последний этап, который требуется. Некоторые чернила также требуют отверждения под воздействием ультрафиолета .
Стрельба [ править ]
Для многих металлических, керамических и стеклянных красок, используемых в толстопленочных процессах, требуется высокотемпературный (обычно выше 300 ° C) обжиг для постоянной фиксации слоев на подложке.
Абразивная подгонка резисторов [ править ]
После обжига резисторы можно обрезать с помощью метода точной абразивной резки, впервые разработанного SS White. [9] В методе используется мелкодисперсный абразив, обычно оксид алюминия 0,027 мм. Абразивная резка подается через твердосплавный наконечник сопла, который может быть разных размеров. Сопло продвигается через срабатывающий резистор, в то время как резисторный элемент контролируется контактами зонда, и когда достигается конечное значение, абразивная струя отключается, и сопло втягивается в нулевое начальное положение. Абразивная техника позволяет достичь очень высоких допусков без нагрева и растрескивания стеклянной фритты, используемой в составе чернил.
Лазерная подгонка резисторов [ править ]
После обжига резисторы подложки подгоняются до правильного значения. Этот процесс называется лазерной обрезкой . Многие чип-резисторы изготавливаются по толстопленочной технологии. Большие подложки печатаются с помощью резисторов, разделенных на маленькие микросхемы, и они затем терминируются, чтобы их можно было припаять к плате печатной платы. При лазерной обрезке используются два режима; либо пассивная подстройка, при которой каждый резистор настраивается на определенное значение и допуск, либо активная подстройка, при которой обратная связь используется для настройки на определенное напряжение, частоту или отклик путем подстройки лазером резисторов в цепи при включении питания.
Монтаж конденсаторов и полупроводников [ править ]
Развитие процесса SMT фактически происходит от процесса толстой пленки. Кроме того, стандартным процессом является установка голых кристаллов (собственно кремниевый чип без инкапсуляции) и соединение проводов, это обеспечивает основу для миниатюризации схем, поскольку не требуется вся дополнительная инкапсуляция.
Разделение элементов [ править ]
Этот шаг часто необходим, потому что на одной подложке одновременно производится множество компонентов. Таким образом, требуются некоторые средства отделения компонентов друг от друга. На этом этапе можно нарезать пластины кубиками .
Интеграция устройств [ править ]
На этом этапе может потребоваться интеграция устройств с другими электронными компонентами, обычно в виде печатной платы. Это может быть достигнуто путем соединения проводов или пайки .
Контроль процесса производства толстых пленок [ править ]
Существует множество этапов производства толстой пленки, которые требуют тщательного контроля, таких как шероховатость основы, температура и время отверждения паст, выбранная толщина трафарета в зависимости от типа пасты и т. Д. [10] [11] Следовательно, количество используемых паст и процесс Шаги определяют сложность процесса и стоимость конечного продукта.
Проектирование схем на основе толстопленочной технологии [ править ]
Те же или аналогичные инструменты автоматизации проектирования электроники , которые используются для проектирования печатных плат, могут использоваться для проектирования толстопленочных схем. Однако совместимость форматов инструментов с производством трафаретов / производителем требует внимания, а также наличие правил геометрического, электрического и теплового проектирования для моделирования и проектирования компоновки от конечного производителя.
См. Также [ править ]
- Тонкая пленка
- Интегрированные пассивные устройства
- Термистор
- Технология поверхностного монтажа
- Гибридная интегральная схема
Ссылки [ править ]
- ^ Kasap, S .; Каппер П. (редакторы) (2017). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам . Издательство Springer International. С. 707–721. ISBN 978-3-319-48933-9.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Лу, Б. (2010). «Толстопленочная гибридная технология для автомобильной промышленности». 2010 5-я Международная конференция по сборке корпусов микросистем и технологиям схем, Тайбэй : 1–34. DOI : 10.1109 / IMPACT.2010.5699549 .
- ^ Эндрю, W. (редактор) (1998). Справочник по технологии гибридных микросхем (второе издание) . Elsevier Inc., стр. 104–171.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Vandermeulen, M .; Рой, Д .; Pirritano, S .; Bernacki, D .; и др. (2004). «Толстопленочные подложки высокой плотности для миниатюрных трехмерных упаковочных решений для укладки чипов». 37-й Международный симпозиум по микроэлектронике (IMAPS 2004): Все в электронике ... Между микросхемой и системой . DOI : 10,13140 / RG.2.1.1087.3369 .
- ^ Чжан, З .; и другие. (2011). «Анализ отказов толстопленочных резисторов на нержавеющей стали в качестве чувствительных элементов». 12-я Международная конференция IEEE по технологиям электронной упаковки и упаковки с высокой плотностью размещения : 1–5. DOI : 10.1109 / ICEPT.2011.6066957 .
- ^ Рарикха MR (1989). «Толстопленочная технология для микроэлектроники» . Лихайский университет .
- ^ Ульрих, РК; Шарпер, LW (2003). Интегрированная технология пассивных компонентов, Введение . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-24431-8.
- ^ Роменеско, Б.М.; Фальк, PR; Хоггарт, KG (1986). «Микроэлектронная толстопленочная технология и ее применение». Технический дайджест Johns Hopkins APL . 7 (3): 284–289.
- ^ Система обрезки . S. White Company, Industrial Div.
- ^ Yebi, A .; Аялев, Б. (2015). «Управление процессом на основе уравнений в частных производных для ультрафиолетового отверждения толстопленочных смол» . Журнал динамических систем, измерения и управления . 137 (октябрь): 101010 / 1–10. DOI : 10.1115 / 1.4030818 .
- ^ Willfarht, A .; и другие. (2011). «Оптимизация толщины трафарета и отложения чернильной пленки» . ResearchGate, проект: Печатные термоэлектрические устройства : 6–16.
Внешние ссылки [ править ]
- Курс, разработанный Будапештским технологическим и экономическим университетом (BTE), кафедра электронных технологий, по технологии электронных продуктов, глава «Толстая пленка».
- Блог под EDN, сравнивающий толстые и тонкопленочные резисторы
- Презентация, описывающая использование толстопленочной технологии для радиочастот.
- Гибриды толстопленочной печати
- Толстопленочные компоненты для промышленного применения