厚膜集成电路网印应注意的技术问题[1].pdf

Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No.11 32厚膜集成电路网印应注意的技术问题齐 成（福建 福州 350012）摘 要 集成电路有厚膜集成电路和薄膜集成电路。厚膜集成电路通常用丝网印刷的方法制作。由于集成电路是高科技的精细产品，因此，对丝网印刷质量要求非常严格。本文主要介绍丝网印刷厚膜集成电路应注意的一些问题。关键词 厚膜集成电路；丝网印刷；技术要领中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2009）11-0032-04Important Technique Problems in Silk Screen Printing for Thick Film Integrated CircuitsQi ChengAbstract The integrated circuit contain thick fi lm integrated circuit and the thin fi lm integrated circuits.Thick fi lm integrated circuit usually use the method creation of the silk screen printing.Because.integrated circuit is a high-tech and fi ne product,therefore,to the silk screen printing quantity request very strictly.Main introduction of this article thick fi lm integrated circuit some problem that should notice in the silk screen printing.Key words thick fi lm integrated circuit;silk screen printing;technique main theme丝网印刷在电子工业领域具有独特的应用市场，尤其在厚膜集成电路和一般电路线路板的印刷上，其优势是非常明显的。随着计算机及高精密自动化等电子产品的普及应用，厚膜集成电路丝网印刷的市场将不断扩大，但由于厚膜集成电路印刷的精度要求非常高，这就给丝网印刷提出更高的要求，下面简单介绍厚膜集成电路丝网印刷中应注意的一些问题。1 厚膜集成电路的主要特点集成电路（IC）是微电子技术中最主要的内容。微电子技术是随着IC技术的发展而发展起来的一门新兴科学技术。IC是指以半导体晶体材料为基础，采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型电路或系统。简单地说，就是一种体积非常小和质量非常轻的电路。所谓集成度是指在一定尺寸的芯片上可以做出多个晶体管。IC发展的初期，在一定尺寸的芯片上只能制造出十几个或几十个晶体管，因而导致了其有限的功能。如今一般芯片上集成的电路已超过10万个，大规模集成的电路已在百万以上。IC大体上可以分为半导体IC和混合IC。混合IC有薄膜混合IC（膜层厚度在1 m左右，应用真空蒸Imaging图形转移 Summarization&Comment?综 述 与 评 论?Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No.11 33发喷射法的薄膜技术制造）和厚膜IC（膜层厚度10 m 25 m，应用丝网印刷技术制造）。与薄膜集成电路相比，厚膜集成电路的特点是设计灵活、工艺简便、制作方便、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。厚膜集成电路适用于各种电路，尤其是消费类和工业类电子产品用的模拟电路。由于厚膜IC采用丝网印刷技术制造，其成本比薄膜要低得多，丝网印刷的导体、厚膜电阻、电容，比用薄膜技术制作容易、可靠性好，且所需生产设备投资少。近年来，发达国家研制的第六代计算机中经计算机，和人的大脑一样具有思考、分析、判断、和模糊信息处理等功能。这种计算机所用的厚薄IC就是应用丝网印刷厚膜技术制造的。其导体、电极、电介体、电阻体、电阻保护层等都是用丝网印刷工艺制作的。但现在厚膜技术还不能把有源元件直接加工到电路上，这一点不如薄膜技术，因此只好把这些元件进行焊接。厚膜IC一般由基板、浆料（导电、电阻）、电容、电感器、有源零件、内外装等构成。1.1 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。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 mm，最经济的尺寸为（35 mm 35 mm）（50 mm 50 mm）。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。1.2 浆料可分为导电浆料、电阻浆料和绝缘浆料。浆料一般由金、银、铂、钯等贵金属和低熔点玻璃组成，将这些贵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。制作浆料时要注意浆料的材质、粘度和膨胀系数等。导体浆料主要含有金、银、钯/银、铂/银等电阻较体的金属粉末。电阻浆料主要由银、金、钯、钌等金属电阻，树脂类电阻，碳素皮膜电阻等在基板上形成电阻膜。1.3 电容有瓷器电容、多层尖形瓷器电容、固体电解电容、厚膜电容等。1.4 电感器包括厚膜线圈、内装瓷芯线圈等。1.5 有源零件各种半导体成品的组装、尖形晶体管、IC等。1.6 内外装内装是超音速、特殊焊接等；外装是涂环氧树脂、金属外壳、有外壳的环氧树脂膜等。2 丝网印刷厚膜IC要注意的问题由于厚膜集成电路精度的要求非常高，要保证产品质量合格，在丝网印刷中就必须要求从材料选择、技术操作以及其他各个方面都严格要求，不得有丝毫的忽略，否则生产的集成电路将是次品，甚至使产品全部报废。下面简单介绍下丝网印刷厚膜IC中材料的选择和印刷操作中应注意的一些问题。2.1 正确选用丝网和网框选择丝网要注意材料、张力、弹性、丝网目数、线径、开度、形状等。印刷厚膜IC电路的丝网多采用不锈钢丝网，有时也用尼龙丝网，超精密的印刷可采用镀镍的不锈钢丝网。丝网目数一般电路印刷选用200目 300目，多层布线或要求精度更高者可选用300目以上的丝网。选用网框要注意框架构造、平坦度等。印刷厚膜IC电路的丝网网框多采用硬铝或铝合金，网框大小原则是漏印图形的两倍，以保证漏印图形的精度。一般为100 m 150 m和150 m 200 m的矩形网框。2.2 网版制作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20 m 30 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Imaging图形转移 Summarization&Comment?综 述 与 评 论?Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No.11 34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2 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13 m、15 m、18 m、25 m、38 m、50 m、70 m等多种规格，最大厚度可达400 m。不同的膜厚晒版时要求不同的曝光时间，例如膜厚25 m时，一般直接晒版膜片的曝光时间为40 s 60 s，具防潮效能的直接晒版膜片的曝光时间为50 s 75 s；而膜厚50 m时，一般直接晒版膜片的曝光时间为110 s 120 s，具防潮效能的直接晒版膜片的曝光时间为100 s 10 s。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）。2.3 印墨使用厚膜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。2.4 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。一般情况下，刮板刃部为90 或60。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。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20 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101至最小110，对电阻值相同的印刷油墨（电阻浆料），其面电阻只能在101/10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。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。2.5 印后加工这其实已不属于丝网印刷的范畴，只是IC制作的内容了。一般印刷厚膜电路板，首先进行导体印刷，再反复印刷电阻23次，有时根据情况可适当交图形转移Imaging Summarization&Comment?综 述 与 评 论?Printed Circuit Information 印制电路信息 2009 No.11 35叉进行玻璃涂层的印刷，在印刷后还要进行如下加工处理：摊平：印刷后将印刷品放置5 min 7 min至网纹消失为止。干燥：用100 左右的温度进行干燥。烧制：这一道工序非常重要，要随时调整炉温，保持适合浆料烧结的温度。一般要控制在650 670 进行烧制。调整：就是调整电阻值，一般采用向电路板喷砂或用激光调整电阻体大小的方法进行调整。包封：对制成的内接元件起到保护作用。在烧结过程中，有机粘合剂完全分解和挥发，固体粉料熔融、分解和化合，形成致密坚固的厚膜。厚膜的质量和性能与烧结过程和环境气氛密切相关，升温速度应当缓慢，以保证在玻璃流动以前有机物完全排除；烧结时间和峰值温度取决于所用浆料和膜层结构。为防止厚膜开裂，还应控制降温速度。常用的烧结炉是隧道窑。为使厚膜网路达到最佳性能，电阻烧成以后要进行调阻。常用调阻方法有喷砂、激光和电压脉冲调整等。PCI温烧结，薄膜变得具有良好的导电性。薄膜的电阻率为17.2 cm，这是批量铜电阻率的10倍以上。表明我们已经成功地展示了使用铜导电油墨直接形成导电线路的方法，铜导电油墨可作为一个很有吸引力的替代品，以低成本代替常规光刻图形。参考文献1H.H.Lee,K.S.Chou,K.C.Huang,Nanotechnology.16(2005),2436.2R.A.Street,W.S.Wong,S.E.Ready,M.L.Chabinyc,A.C.Arias,S.Limb,A.Salleo,R.Lujan,Mater.Today 9(2006),32.3B.-J.de Gans,P.C.Duineveld,U.S.Schubert,Adv.Mater.16(2004),203.4Q.Liu,M.Orme,J.Mater.Process.Technol.115(2001),271.5M.Orme,R.F.Smith,ASME J.Manuf.Sci.Eng.122(2000),484.6F.Gao,A.A.Sonin,Proc.R.Soc.Lond.A444,(1994),533.7T.Kawas,H.Sirringhaus,R.H.Friend,T.Shimoda,IEEE International Electron Devices Meeting,1013,December,2000.8H.Sirringhaus,T.Kawas,R.H.Friend,T.Shimoda,M.Inbasekaran,W.Wu,E.P.Woo,Science 290(2000),2123.9T.Cuk,S.M.Troian,C.M.Hong,S.Wagner,Appl.Phys.Lett,77(2000),2063.10G.G.Rozenberg,E.Bresler,S.P.Speakman,C.Jeynes,J.H.G.Steinke,Appl.Phys.Lett.41(2002),5249.11Z.Liu,Y.Su,K.Varahramyan,Thin Solid Film,478(2005),275.12P.Calvert,Chem.Mater.13(2001),3299.13I.Winter,C.Reese,J.Hormes,G.Heywang,F.Jonas,Chem.Phys.194(1995),207.14S.B.Fuller,E.J.Wilhelm,J.M.Jacobson,J.Microelectromechanical Syst.11(2002),54.15 N.R.Bieri,J.Chung,D.Poulikakos,C.P.Grigoropoulos,Superlattices Microstruct.35(2004),437.16D.Redinger,S.Molesa,S.Yin,R.Farschi,V.Subramanian,IEEE Trans.Electron Devices 51(2004),1978.17S.K.Volkman,Y.Pei,D.Redinger,S.Yin,V.Subramanian,Mater.Res.Soc.Proc.814(2004),I7.8.1.18A.J.Brown,J.Chem.Soc.51(1887),638.19D.Larcher,R.Patrice,J.Solid State Chem.154(2000),405.20F.Fievet,J.P.Lagier,M.Figlarz,Mater.Res.Bull.29(1989).21H.Wang,X.Qiao,J.Chen,X.Wang,S.Ding,Mater.Chem.Phys.94(2005),449.22Z.Zhang,B.Zhao,L.Hu,J.Solid State Chem.121(1996)105.23P.Buffat,J.P.Borel,Phys.Rev.A 13(1976),2287.24S.Molesa,D.R.Redinger,D.C.Huang,V.Subramanian,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.769(2003),H.8.3.1.25X.Wu,N.Phan-Thien,X.Fan,T.Y.Ng,Phys.Fluids 15,(2003),1357.26R.J.Furbank,J.F.Morris,Phys.Fluids 16(2004)1777.27M.Bussmann,S.Chandra,J.Mostaghimi,Phys.Fluids 12,(2000),3121.28N.Reis,C.Ainsley,B.Derby,J.Appl.Phys,97(2005),094903-129R.D.Deegan,O.Bakajin,T.F.Dupont,G.Huber,S.R.Nagel,T.A.Witten,Nature.389(1997),827.第一作者简介杨小健，主要从事印制电路领域的研发工作。PCI（上接第31页）更 正本刊2009年第9期总第195期，第33页右边第5行中“0.699 mm”改为“0.699 cm”。印制电路信息杂志社 2009.11Imaging图形转移