電子材料厚膜工藝20120618

1、電子材料第4章厚膜工藝第4章厚膜工藝厚膜工藝是指將電子漿料通過絲網印刷等方法印制在陶瓷基板或者其他絕緣基板上，經干燥、燒結后形成厚度為幾微米到數(shù)十微米的膜層。在微電子領域中，用厚膜技術在基 板上形成導體、電阻和各類介質膜層，并在基板上組裝分立的半導體器件芯片、單片集 成電路或微型元件，封裝后構成厚膜混合集成電路。厚膜混合集成電路能耐受較高的電壓、 較大的電流和功率，廣泛用于民用無線產品、高可靠小批量的軍用、航空航天產品中。本章主要介紹幾種主要的厚膜漿料及特性；厚膜圖案形成工藝；厚膜的干燥和燒成等厚膜工藝。§4.1厚膜漿料厚膜漿料是由一種或多種無機微粒分散在有機高分子或低分子化合物溶液

2、中組成的膠 狀體或懸浮體；有機化合物溶液稱為有機載體。4.1.1厚膜漿料的特性和制備厚膜漿料是構成厚膜電路的關鍵材料，其組成、特性直接決定電路的電性能和工藝性能：如流變觸變性、工藝重現(xiàn)性、相容性和燒結特性等。1. 厚膜漿料的組成厚膜漿料一般都是由三種主要成分組成：功能相，粘結相和有機載體。功能相決定厚膜的電性能。根據(jù)功能相的不同，厚膜漿料可分為導體漿料，電阻漿料， 介質（電容）漿料和磁性（電感）漿料等。導體漿料的功能相一般是貴金屬、賤金屬或合金的混合物；在電阻漿料中，通常是導電氧化物、合金、化合物或鹽類等；介質漿料的功能相一般 是鐵電體氧化物、鹽類、玻璃、晶化玻璃或玻璃-陶瓷以及這些材料的混合

3、物；磁性漿料中功能相主要是鐵氧體材料。粘結相的作用是將功能相粘結在一起，并使膜層與基片牢固結合。粘結相通常是玻璃釉粉的混合物。玻璃釉粉是由各種金屬氧化物在高溫下熔融淬火而得到的玻璃粉。根據(jù)在玻璃中的主要作用，氧化物大致可分為三類：第一類為構成玻璃基本骨架的氧化物，如SiO2、B2O3等，它們能單獨形成機械性能和電性能優(yōu)良的玻璃；第二類是調節(jié)玻璃的物理、化學 性能的氧化物，如 AI2O3、PbO、BaO、ZnO等，它們可改善玻璃的熱膨脹系數(shù)、機械強度、 熱和化學穩(wěn)定性等；第三類是用于改進玻璃性能的氧化物，如PbO、BaO、B2O3、CaF2等,它們能降低玻璃的熔化溫度，同時還保證玻璃的電性能和化

4、學性能。燒結后的玻璃釉表面光亮、不透水、不透氣，能夠對厚膜元件或整個厚膜電路組件起絕緣保護作用。玻璃釉可以很好地與金屬、陶瓷焊接，在全密封結構中用于焊接陶瓷或金屬，起密封焊接作用。粘結相的成分和組成決定了厚膜的燒結溫度范圍，玻璃軟化溫度高，則燒結溫度高。有機載體是聚合物溶解于有機溶劑中的溶液，它是功能相和粘結相微粒的載體，控制漿料的流變特性和粘度，決定了漿料的工藝特性。有機載體不參與厚膜的組成，它在高溫燒成 中分解逸出。有機載體由有機溶劑、增稠劑，以及表面活化劑、觸變劑、消泡劑等添加劑組 成。常用的有機溶劑有： 松油醇、萜品醇、丁基卡必醇、丁酸丁基卡必醇、異丙醇和甲苯等。 增稠劑也稱有機粘結劑

5、，常用的增稠劑有：乙基纖維素、硝基纖維素、丙烯酸樹脂、丁醛樹 脂、聚異乙烯、聚己烯乙醇、聚a-甲基苯乙烯、聚己烯醋酸酯和苯乙烯等。2. 厚膜漿料的流變性流變性是指物質在外力作用下產生形變和流動的特性。厚膜漿料的流變性決定了漿料的工藝性。在絲網印刷的不同階段， 要求漿料的粘度有明顯的變化。比如在刮板運動的轉印過程中，漿料應象液體一樣具有很好的流動性，光滑地通過掩模圖形到達基板，而當漿料印到基板上后，必須象固體那樣不再流動和變形,以保持圖形尺寸的穩(wěn)定。因此，厚膜漿料的流變性對絲網印刷的成膜特性和厚膜質量有重要影響。流體通常分為牛頓型和非牛頓型流體，牛頓型流體定律為低粘度流體，其粘度不受外力的影響。

6、這類流體是由作用力小的低分子構成，如水、甘油、低分子化合物溶液（如鹽類、 酸類的溶液），它們不能用于厚膜漿料。非牛頓流體又分為漲流型、塑流型、類塑流型和觸變型；非牛頓型流體的粘度隨外加切 應力變化。其中漲流型流體的粘度隨著切應力的增大而增加，因而也不能用于厚膜漿料。目前，厚膜漿料一般都是塑流型（類塑流型）和觸變型的。塑流型（類塑流型）流體的粘度較大，但隨切應力的增大而減小，流動性增加，因而能 夠用于厚膜漿料。通常其分子為聚合物高分子，在分子間或分散物質之間有較大的互作用力， 并存在某些凝膠狀結構。在較大的切應力作用下，分子會重新排列取向，從而具有流動性。觸變型流體在外力作用下，其物質結構能夠出

7、現(xiàn)凝膠t溶膠t凝膠的轉變過程。觸變型流體在攪動或其他機械作用下，能使具有凝膠狀（半固體）的體系變成流動性較大的溶膠（固 相為分散相、液相為分散劑）體系。將體系靜置一段時間后，又會恢復厚來的凝膠狀態(tài)。觸 變性產生的原因，一般認為隨著切應力的增加，凝膠結構的分子間價鍵破裂，粘度下降，但 在靜止過程中又重新恢復。由于溶膠結構重新恢復為凝膠結構后粘度增大，有利于減小漿料成膜后的再次流動。觸變性流體的粘度取決于切應力的大小和切變時間，通常把一定切應力作用下，粘度對時間變化率很大的漿料稱為高觸變性漿料，而變化率適中的稱為標準觸變性漿料。漿料的流變性和粘度是控制并保證漿料適于絲網應刷的最重要特性之一，主要由

8、漿料中的有機載體調節(jié)。有機載體由有機溶劑、增稠劑、表面活性劑等添加劑組成。其中增稠劑的作用是提高漿料的粘度， 覆蓋固體微粒以阻止微粒的凝聚、結塊和沉淀，并賦予漿料合適的流變特性，在漿料印刷、干燥后，使固體微粒粘結在一起， 具有一定的強度。在厚膜漿料中， 加入表面活性劑可以改善流動性；為了防止燒成時容易出現(xiàn)的二次流動現(xiàn)象，應加入流延性控制劑，聚甲基丙烯酸脂或鄰苯二酸二丁脂可以改善介質漿料的成型和流平性。加入觸變劑、膠凝劑等能夠提高漿料的觸變性；為了減少介質漿料在印刷后產生的氣孔，保證絕緣性能， 還可以加入硅酸甲脂、硅酸四乙脂或苯甲基硅油等作為消泡劑。在漿料的組成中，功能相和粘結相無機微粒的特性對

9、漿料的流變性能影響也很大。微粒的主要特性有比表面積、 微粒大小、形狀及分布等。其中比表面積是微粒最重要的特性之一， 通常顆粒越小，比表面積越大，漿料的觸變性就越高，印刷性也越好。一般說來，漿料中的 無機微粒直徑應在 2 pm以下，最大也應小于 5 m。3. 厚膜漿料的制備厚膜漿料的制備可以分成原料加工、混合和檢驗等過程。圖4.1.1為厚膜漿料的制備流程圖。漿料配制前，應對無機粉末進行細化處理，并使其 表面活化。有機載體的配制方法一般是先將有機溶劑和表面活化劑等添加劑混合，再在攪拌過程中加入增稠劑；有時需要加熱以加速增稠劑的溶解，溶解完成之后冷卻，便得到有機載體。將制得的無機粉末和有機載體進行混

10、合、研磨、輥軋，使無機粉末均勻分散到有機載體當中，便得到均一細膩的膏狀厚膜漿料。厚膜漿料的檢驗、測試通常包括粘度、固體含量、細度、漿料外觀等物理性能，以及影 響厚膜電性能的方阻、附著力、浸潤性、溫度特性等。漿料的流動性必須適度，流動性太大 容易滲開，圖形摸糊，分辨率差；流動性太小，絲網印刷后會留下網格痕跡。厚膜漿料的粘 度一般控制在約105cP。表4.1.1給出了不同厚膜漿料常用的粘度范圍。圖4.1.1厚膜漿料的制備流程表4.1.1常見厚膜漿料的粘度漿料類型粘度范圍（X 105 cP）一般導體漿料1.73高觸變性細線漿料516常用電阻漿料23介質漿料（要求流動性好）1.22感光性導體漿料23按

11、照漿料的功能和性能，厚膜漿料分為導體漿料、電阻漿料、介質漿料、磁性漿料等。4.1.2導體漿料厚膜導體是厚膜電路的一個重要組成部分，主要作電路的內部互連線、多層布線、外貼元器件的焊區(qū)、電容器電極、電阻器引出端、低阻值電阻器、電感器、厚膜微帶等。導體漿 料的導電相（功能相）通常以球形、片狀或纖維狀分散于基體中，構成導電通路。導電相決定了導體漿料的電性能，并影響厚膜燒成后的物理和機械性能。根據(jù)材料的化學性質，厚膜導體漿料可以分為貴金屬導體漿料和賤金屬導體漿料。1. 貴金屬導體漿料貴金屬導體漿料是以 Ag、Au、Pd、Pt等金屬及其合金作為導電相的導體，其性能穩(wěn)定、 工藝成熟。目前應用得較普遍的貴金屬

12、導體有Ag、Ag-Pd、Ag-Pt、Au-Pd、Au-Pt、Au等。Ag是導電性能很好的金屬材料，價格比Au、Pd、Pt等其它貴金屬低，在生產中得到廣泛的應用。但Ag導體作為厚膜混合電路的導電帶、電容器電極及電阻的端接材料時，會產 生Ag+的電遷移問題，造成元器件失效。電遷移是指在濕熱的環(huán)境中，在直流電場作用下， 金屬呈離子形態(tài)從陽極到陰極，產生沉積的一個電化學過程。因此，厚膜導體漿料的功能相一般不用純Ag導體。在銀中添加氧化鎘等，可以在一定程度上抑制銀離子遷移。Ag-Pd導體漿料是目前厚膜電路中應用得最廣泛的一種導體漿料。在Ag中加入一定量的Pd，制備的Ag-Pd導體漿料可有效地抑制銀離子的

13、遷移。Ag-Pd導體漿料與目前常用的電阻漿料相容性好，導體中 Pd含量高時可與Pd-Ag電阻同時燒成，Pd含量低時可以和釘系電阻同 時燒成。在Ag-Pd導體漿料中，Ag-Pd導體的電阻隨銀含量增多而降低，但銀含量過多不僅 會引起Ag +的遷移，還會使浸焊性降低。Pd含量過多也會使焊料的濕潤性變差。Ag-Pd導體中Pd含量通常為1525wt%，典型值為20wt%。為改善Ag-Pd導體對焊料的濕潤性和提高導體 膜與基板的附著強度，在導體中可添加Bi2O3。為降低Ag-Pd導體的成本而開發(fā)的 Ag-Pt導體，是在Ag中加13wt % Pt,取代Pd而制成。 Ag-Pt導體的抗焊料侵蝕性能優(yōu)良，但存在

14、銀離子遷移問題。如果制成Ag-Pd-Pt導體，就可以較有效地防止銀離子的遷移。Ag-Pt導體也有不用玻璃粘結相而加入一定量的CuO、CdO等，制成無釉導體。Au導體漿料主要用于高可靠性或多層布線電路、微波混合集成電路、與薄膜技術相配 合的電路，也可用作管芯鍵合或導線鍵合的焊區(qū)。在各種導體漿料中，Au漿料印出的導線最微細，目前可達到的線寬與線間隔為5070 m。但是，玻璃粘結型的普通Au導體在反復燒成時，膜與基板的附著強度下降，還會使玻璃上浮在膜的表面，焊接性能變差。無釉Au導體采用Ti0 2、CuO、CdO等金屬氧化物來代替玻璃作為粘結相，燒成時這些氧化物與氧化 鋁基板發(fā)生化學反應，生成CuA

15、l2O4、CdAl 204等尖晶石型化合物，起到粘結的作用。無釉Au導體在多次燒結時無普通 Au導體的缺點，不會因玻璃軟化而改變布線圖形；燒成膜因不 含玻璃也容易進行導線或芯片鍵合。在無釉Au導體中，Au占粉料的9095wt %，燒成需要950C 1000 C 的高溫。為了改善普通Au導體附著強度較差的缺點，在 Au中加入一定量的Pd，形成Au-Pd導體。 Au-Pd系導體不僅附著強度高，可焊性也好，而且能與Pd-Ag系電阻同時燒成，形成低噪聲接觸。Au-Pd導體漿料中各主要成分可取如下范圍：Pd為8l5wt% , Au為7380wt%，玻璃占 12 l9wt%。Au-Pt、Au-Pd-Pt系

16、導體材料適用于高可靠的使用場合（如軍用、航空航天等），Au-Pt系導體容易上錫，是一種優(yōu)良的電阻端接材料，但價格昂貴。2. 賤金屬導體漿料混合集成電路目前仍大量采用貴金屬作導體材料，為了降低電路成本，還開發(fā)了Cu、Ni、Al等賤金屬導體和其他漿料。Cu厚膜導體具有比Au厚膜導體更為優(yōu)良的高頻特性和導電性，適用于高速電路，而且 也沒有Ag+遷移的缺陷。Cu厚膜導體與基片附著好（生成 CuAl2O4）,可焊性好、適于多層結 構。但當溫度較高時，Cu會發(fā)生氧化，致電阻率增大，因此必須在中性氣氛中燒成，并且只能在低溫下使用。目前報道的Cu導電漿料的抗氧化技術主要有Cu粉表面鍍銀、漿料中添加還原劑保護、

17、Cu粉進行有機磷化合物處理、聚合物稀溶液處理、偶聯(lián)劑處理等。也可采 用溶膠-凝膠法在Cu粉的表面包覆一層SQ2-AI系薄膜，包覆的薄膜能夠提高Cu粉在高溫燒結 過程中的抗氧化性，還降低了 Cu粉的燒結溫度。Ni導體的導電性比Cu差，焊接性也差，主要用于等離子顯示器的電極。用Ni導體代替Ag導體，可以克服Ag電極在等離子顯示板上比較嚴重的濺射現(xiàn)象，大大延長等離子顯示板 的壽命。Al導體的優(yōu)點是價格便宜，電性能穩(wěn)定。Al和Si易于形成阻擋接觸，常用作 Si太陽能電池的背面場的材料。Al對PTC熱敏電阻瓷體具有良好的歐姆接觸特性，因此Al導體也用來作為PTC熱敏電阻的電極材料。但Al導體的主要缺點是

18、耐沖擊電流較低，在較大的沖擊電流作用下，在電極的接觸處容易出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，嚴重時還會燒毀電極。因此，常在Al電極上再燒滲一層Ag電極作為二次保護的措施。3. 導電膠導電膠是以導電粉末、樹脂（環(huán)氧樹脂、硅樹脂等）和少量添加劑制成的導電漿料， 是一種聚合物導電材料。導電膠無須高溫燒結， 適合有機物基片上使用。導電膠電阻率可達1 10-3 .cm,粘附強度好。導電粉末有 Ag、Au等貴金屬，也有 Cu、Al、Ni賤金屬、碳黑 等。Ag、Au導電膠導電性能最好。4.1.3 電阻漿料厚膜電阻漿料在電路中的應用僅次于導體漿料。厚膜電阻漿料大部分為貴金屬電阻漿 料，為了降低成本，目前也在開發(fā)和應用賤金屬電阻漿

19、料和聚合物電阻漿料。1. 貴金屬電阻漿料貴金屬電阻漿料中采用的導電相主要有Pd-Ag電阻材料、Pt族電阻材料以及 Ru系電阻材料。Pd-Ag電阻電性能良好，工藝成熟，是發(fā)展最早、應用最廣泛的厚膜電阻材料。根據(jù)Pd-Ag的比例來調整方阻值，通常 Pd:Ag比例為6:44:6，方阻1 / 1M /，電阻溫度系 數(shù)TCR<250ppm/ C，電流噪聲為-20 dB +20dB，額定功率可達 4W/cm2。Pd-Ag電阻對燒成 條件非常敏感，在還原性氣氛下，阻值會大幅度降低。Pd-Ag電阻的主要缺點是當方阻值較大時電流噪聲大，且電阻溫度系數(shù)增大。目前Pd-Ag電阻僅在一般的民用設備中采用，在高可

20、靠性的裝置中已不再使用。Pt族電阻材料主要用 Pt、lr, Rh等貴重金屬作為導電相。方阻范圍1 10卩/ , TCR<200 ppm/ C。Pt族電阻材料性能好，但價格昂貴。Ru系電阻材料包括以 RuO2以及RuO2與其他金屬的混合物為導電相的厚膜電阻。Ru系電阻工藝性能好、阻值重復性好、電阻溫度系數(shù)小、電流噪聲小、能夠耐受高功率負荷， 抗還原能力強，能夠長期儲存，是目前應用最廣泛的貴金屬電阻材料。RuO2電阻的配方很多，典型組成范圍是：RuO2 540wt%，玻璃(硼硅酸鉛玻璃)6095wt%，方阻10 10 M / , TCR=100ppm/ Co2. 賤金屬電阻漿料以賤金屬代替貴

21、金屬是厚膜電阻材料的一個發(fā)展方向。LaB6是目前滿足實用要求的賤金屬電阻漿料，方阻范圍為10 1M / , TCR 150ppm/ C。MoSi?電阻材料性能與 Pd-Ag相近，但能夠耐受高溫和還原性氣氛，能在大氣中燒結。其方阻范圍10 200K / ,TCR< 500ppm/ C，電流噪聲-15 dB +14dB。MoO2系電阻材料的方阻范圍30 100K / ,TCR< 350ppm/ C。其它賤金屬電阻材料還有SnO2、CuO-Cu2O、CdO、In2O3、TaN-Ta、TiN-Ti、WC-W 等。3. 聚合物電阻材料聚合物電阻材料是以碳墨和樹脂為主要成分的一種電阻材料，由導

22、電材料、粘結劑和溶劑制成，一般在 100250 C固化成膜。導電相一般為碳墨和石墨，在低阻漿料中摻入適量 的銀。粘結劑有熱固性樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等。溶劑一般采用松節(jié)油、丁基卡必醇。方阻范圍 10 1M / , TCR <-300 ppm/ C。4.1.4介質漿料在混合集成電路中，厚膜介質漿料主要用來作厚膜電容介質、交叉-多層布線介質、電路的保護層和包封介質等。對介質材料的要求是耐壓強度高、絕緣電阻大、損耗小、電容溫度系數(shù)小，燒結后均勻致密、表面光滑平整、氣孔率小。用于交叉-多層布線時要求介電常數(shù)小，以減小分布電容的影響； 作為電容器介質時則需要介電常數(shù)大，以得到較高的電容密度。1.

23、 厚膜電容介質材料厚膜電容介質材料種類繁多，按照介質材料類別可以分為陶瓷、陶瓷-微晶玻璃混合介質和微晶玻璃三種類型。根據(jù)介電系數(shù)的大小，又可分為高介、中介、低介厚膜電容介質。高介厚膜電容介質是以 BaTiO3為基的鐵電陶瓷與玻璃(或微晶玻璃)組成的混合介質，或者是含鐵電晶相的微晶玻璃，介電常數(shù)為數(shù)百甚至數(shù)千。這類厚膜電容器比容大，介電損耗約(350400)10-4,但性能穩(wěn)定性較差，電容溫度系數(shù)大。中介厚膜電容介質的介電系數(shù)為130左右，有鐵電材料，也有非鐵電材料；非鐵電介質材料耗損小、性能穩(wěn)定。主要有氧化鋇、氧化鈮等。低介厚膜電容介質是普通玻璃或低介陶瓷復合介質，介電系數(shù)約為1220,介電損

24、耗為(15 20)10-4o低介厚膜電容器比容小，但性能穩(wěn)定，電容溫度系數(shù)小。2. 交叉-多層布線介質材料交叉-多層布線是用低介絕緣材料將交叉或重疊的導體隔開的絕緣結構。在復雜的電路 中，被這種絕緣結構隔開的不只是導體，還有電阻、電容等元件。交叉-多層布線介質材料的性能要求是絕緣電阻和耐壓強度高、介電常數(shù)小、介質損耗小，經多次燒結后不變形，燒成膜無氣孔、表面平整，與其它厚膜元件相容性好，在膜上能印燒導體和其他各種厚膜元件。目前使用的交叉-多層介質主要有玻璃-陶瓷介質和晶化玻璃。玻璃-陶瓷介質既可以消除 陶瓷介質的多孔結構，又能克服玻璃介質的過流現(xiàn)象。這種介質在高溫重燒時，陶瓷逐漸熔 于玻璃，使

25、玻璃的軟化溫度提高，因此每次燒結都不會產生流動現(xiàn)象。這種性質在多層厚膜電路中有很大的優(yōu)越性。典型的以BaO-PbO-AI 2O3-TiO2-SiO2為基的玻璃-陶瓷介質，介電系 數(shù)為14,介電損耗為0.05%，絕緣電阻109Q。晶化玻璃由于重結晶作用，控制適宜的燒成 溫度十分重要，常用的晶化玻璃有硼硅酸鈷玻璃。3. 包封介質材料包封（封裝）介質或保護層介質的主要作用是鈍化和保護薄膜的元件表面，減弱環(huán)境條件（如濕氣等）對元件的影響。這些介質要求能抗惡劣環(huán)境條件和適應激光微調，成膜后不易吸濕和滲透，膜較堅硬，熱膨脹系數(shù)應與基板和被保護元件匹配。常用低溫玻璃（如含 CdO或ZnO的低熔點硼硅酸玻璃）

26、作電阻器的保護層，用晶化玻璃保護電容器。4.1.5電感及鐵氧體磁性漿料厚膜電感由導體漿料和鐵氧體漿料制作，它可以是單層，也可以是多層。單層平面電感一般采用多圈螺旋形結構，其電感量較小。為提高電感量，可以將螺旋形導體印燒在鐵磁性膜上，或采用多層結構。多層厚膜電感是由多層介質膜或鐵磁性膜隔開的平面螺旋電感依次 串聯(lián)起來構成的，其制造方法是交替印刷鐵氧體漿料和導體漿料形成疊層，然后燒結成一個具有閉合磁路的整體。厚膜電感常用的鐵氧體磁性漿料，一般采用鐵酸鋰鐵氧體粉末，隨著高頻化的發(fā)展，近來也有采用鎳鋅鐵氧體、鋇鐵氧體等材料。厚膜電感常用的導體材料有Au、Ag、Cu、Al等。在印制導體時，為使高頻下仍有

27、良好的電導，保證較大的Q值，應使導體的膜厚為趨膚深度的35倍。厚膜電感由于工藝、結構和材料上的原因，電感量和Q值都不高，一直是厚膜元件較薄弱的環(huán)節(jié)。目前厚膜電路中大多采用外貼小型電感器，并在電路上采取措施，盡量減少電感的數(shù)量及電感量。§.2厚膜圖案形成技術在厚膜電路制造工藝中，將厚膜漿料按照設計好的平面電路圖形在基板上形成導體、 電阻、電容等厚膜元件的厚膜圖案形成技術，最常用的方法是絲網印刷。此外，還可以采用直接繪圖、等離子噴涂以及光刻等方法形成厚膜元件圖案。4.2.1絲網印刷1. 絲網印刷原理絲網印刷是將厚膜漿料采用印刷方法在基板上成膜的技術。絲網印刷屬于孔版印刷， 使厚膜漿料在漏

28、印絲網上通過網孔并淀積到基板表面，從而得到具有一定形狀和厚度的厚膜元件圖案。厚膜元件圖案由掩模圖形決定。絲網印刷一般有接觸和非接觸式印刷兩類。 接觸式印刷中基板直接與絲網接觸， 刮板在 線網上移動時不會使絲網傾斜和變形， 而非接觸式印刷中絲網與基板有一固定距離。在厚膜工藝中，非接觸式印刷采用較多。非接觸式絲網印刷的工藝過程如圖4.2.1所示：（a）為剛開始印刷；（b）為漿料在刮板作用下經絲孔下達至基板；（c）為完成印刷過程。將貼有圖案掩模的絲網固定在絲網印刷機框架上，然后在絲網下放上基板。在絲網一端供給漿料,用刮板給漿料施加一定壓力并推動 漿料向前運動，在到達絲網上的圖案位置時，漿料受到刮板的

29、壓力作用流過圖案開孔。由于絲網與基板之間有一定的間隙，絲網因為自身的張力產生對刮板的反作用力，這個反作用力稱為回彈力。由于回彈力的作用，絲網與基板間呈移動式線接觸，在線接觸之后絲網急速回彈，漏過絲網的漿料與絲網分離，附著在基板上，形成所需的圖案。刮板/遊料 絲兩 掩模o O O IF蕊狂砧 杠一蕊Mi探*弄叫 卜播 *.|(a)(c)圖4.2.1絲網印刷過程示意圖常用的絲網有不銹鋼網和尼龍網，有時也用聚四氟乙烯、 聚酯網等。厚膜厚度與采用的絲網目數(shù)有關。單位英寸長度上的網孔數(shù)目，稱為絲網的目數(shù)。在線徑相等的條件下，目數(shù)越小，網孔徑越大，印刷到基板上的漿料就越多，膜也越厚。掩模用來使?jié){料從開孔處

30、漏印到基板上，以形成所需要的厚膜圖案。掩模圖形是一種負掩模，即掩模圖形與所需要的厚膜圖案剛好相反，這樣厚膜漿料才能選擇性地通過絲網網孔而漏印在基板上。絲網印刷中常用的掩模有刀刻有機薄膜掩模、光刻掩模和金屬掩模。2. 絲網印刷的影響因素絲網印刷的原理十分簡單， 但卻是一種復雜的控制流體運動的技術。印刷厚膜質量受到漿料、絲網、刮板、基板以及后處理等各種因素的影響，相關變量共有50多個。1) 漿料流變性印刷過程中，漿料受到刮板的作用力、 絲網的回彈力、表面張力以及自身的重力等作用， 漿料自身流變性在這些力的作用下也會發(fā)生變化。印刷前，置于絲網上的漿料，由于有較大的粘度，表面張力大于自身重力，且絲網網

31、孔很小，漿料不會自行流動而漏過絲網。當刮板 把漿料壓入網孔，漿料受到很大的切應力而粘度迅速下降時才能流過網孔。在刮板壓下絲網并與基板接觸的瞬間， 壓入網孔中的漿料也與基板接觸，當刮板剛掠過后，絲網由于回彈力立即復位而脫離基板。在絲網與基板接觸時，漿料受到自身重力、基板附著力和絲網粘附力 的作用，由于漿料粘度很低，絲網粘附力比重力和基板附著力要小得多，因此，在絲網彈回 過程中流過圖案開孔的漿料附著在基板上。在基板上的漿料，由于切應力已消除， 粘度很快增大而不再流動。由此可見，漿料的流變性直接影響印刷膜的厚度和圖形精度。粘度適中或觸變性好的漿料，印刷時能平滑地通過網孔到達基板,而印到基板上后，漿料

32、不致過流,但又能使?jié){料上的網跡流平、消失。如果粘度過小，則重力和表面張力的作用會使其滲開，線條變粗。但如 果粘度過大，則漿料的流動性極小甚至根本不流動，造成圖形邊緣不平齊。在重復印刷過程中，粘度的變化特性也應保持一致，即要使影響漿料變化的各因素保持不變。2）印刷參數(shù)印刷過程中的印刷參數(shù)也對印刷厚膜質量有重要影響，這些印刷參數(shù)主要有：絲網目數(shù)、掩模厚度、脫離高度、絲網張力和瞬時脫離速度，以及刮板的壓力、接觸角和硬度等。絲網目數(shù)影響膜的厚度和圖形分辨率。采用的絲網目數(shù)越大，圖形分辨率越高，但印刷膜較薄。印制導帶和電阻時一般用 200或250目絲網，印制細線則用325目或更大目數(shù)的絲 網。印電容時，

33、一般要用兩次或多次印刷，第一次印刷通常用80目，第二次印刷可用 160目或200目絲網。掩模的厚度直接影響印刷膜的厚度，同時也影響膜層對基片的附著力，較厚的掩模印制的膜較厚，對基板的附著力也較高，但掩模過厚會影響圖形分辨率。對于光刻金屬掩模，厚度一般為50艸，而刀刻滌綸薄膜的厚度在 30 60艸較好。為了實現(xiàn)較高的圖形分辨率， 也出現(xiàn)了 10 ym厚度的光刻掩模。絲網脫離高度是指絲網與基板間的距離。一般來說，脫離高度高，印刷膜層厚度就大。 脫離高度太小時，絲網回彈力就很小，膜層薄，重現(xiàn)性差，而且容易粘絲網，影響印刷圖形 分辨率。脫離高度的選擇要根據(jù)絲網的大小、目數(shù)和張力通過試驗確定，使印刷膜厚

34、適當并具有良好的重現(xiàn)性，通常，此高度選取0.6 1.5mm。絲網張力和瞬時脫離速度也是影響印刷膜厚和圖案質量的重要參數(shù)。張力大的絲網可以進行高精度印刷；絲網張力大小還影響絲網脫離基板的瞬時速度（與脫離高度也有關）。而瞬時脫離速度大小， 在一定程度下決定了留在絲網上和到達基板的漿料之比。絲網張力應定期進行檢驗，其值大致是：165目為18.2 19.6 N/cm2,250目為15.2 N/cm2,400目為12.2 13.7 N/cm 2。厚膜印刷用的刮板通常是聚氨基甲酸酯制成，刮板的邊緣常加工成適當?shù)男螤睢Ｓ∷?時刮板的壓力直接影響膜厚，在一定的壓力范圍內，壓力大則印刷膜較厚，反之則較薄。為了控

35、制膜厚和獲得良好的重現(xiàn)性，要選擇與絲網張力、脫離高度相適應的最佳壓力，并使其保持恒定。刮板上所加的線壓范圍一般是1.818 N/cm 2。刮板的接觸角對印刷膜厚也有影響，接觸角越小，作用在漿料上向下的壓力越大，印刷膜就越厚。刮板硬度大有利于保持穩(wěn)定的接觸角，在基板精度高、 表面狀態(tài)良好和刮板移動速度較快時，宜采用硬度大的刮板。刮板的硬度一般在肖氏硬度 5090之間，接觸角常為 45 60。刮板的移動速度對印刷膜厚也有 一定的影響，常用的刮板移動速度為5 20 cm/s。印制過程中，要保持刮板與基板平行，有試驗表明，當不平行度為 0.023、刮板行程10cm時，印刷圖案兩端的膜厚幾乎相差一倍。3

36、）其他影響因素基板材料種類、尺寸精度、翹曲度、平整度以及表面光潔度等都會影響絲網印刷的質量 和重現(xiàn)性。基板與漿料特性良好匹配才能獲得符合質量要求的印刷厚膜。在印制電容介質時，為減少針孔缺陷避免短路，往往需要進行多次印刷，印刷次數(shù)增 多，則膜厚增加，因此，印刷中必須嚴格規(guī)定印刷次數(shù)，多次印刷時一般采用目數(shù)大的絲網。為了保證印刷厚膜的圖形精度，在電路設計時圖形尺寸不宜過大，否則膜厚容易不均勻，邊緣厚而中間薄。印刷時印刷方向對厚膜性能也有很大影響。在絲網印刷過程中，如果能夠確保各種條件一致，就能獲得膜厚均勻、線條清晰的圖案，并把精度控制在一定的范圍內，保持良好的重現(xiàn)性。目前在生產中利用絲網印刷工藝通

37、常能 獲得75 ym線寬和間距的圖形分辨率。3. 細線印刷和多層化印刷技術隨著電路小型化、 集成化發(fā)展的要求， 電路尺寸不斷縮小， 要求厚膜電路具有更高的圖 形分辨率。在保證厚膜電路電性能及其他性能的前提下，必須將線條做得越來越細，這就是細線技術或細線工藝。采用細線技術能夠實現(xiàn)25 g的圖形分辨率。在同一基片上采用多層布線結構也可以大大提高電路的組裝密度，多層化布線結構采用多層化印刷技術制作。細線印刷和多層化印刷對漿料、絲網、掩模等提出了更高的要求。細線印刷的厚膜漿料必須具有高觸變性，在漿料中常加入0.11.0wt%的觸變劑以改善漿料的觸變性。皂土、膠體 AI2O3、膠體SiO2、硅酸鈣、膠體

38、氧化鈣是常用的無機觸變劑。 漿料中的無機微粒尺寸也更加細小，一般為0.5 1.0 ym。分散性更好的單球形顆粒更加有利于細線印刷，一些漿料供應商針對細線印刷開發(fā)了單球形漿料。為了提高細線印刷的分辨率，對絲網也不斷進行改進。例如，有研究表明，增加不銹鋼絲網中碳的含量，同時減少鎳含量而保留附加的氮，這樣可以增加絲網的抗拉伸強度，用較細的線徑獲得更好的強度，網孔開口面積從40%提高到60%，從而提高細線精度。采用不同于傳統(tǒng)金屬掩模的新型金屬箔掩模，這種掩模表面平整且具有陡直的邊界，也有利于提高細線分辨率。多層化印刷中，常用逐層印刷法，即交替地印燒導體層與介質層，這種方法生產工序少， 生產效率較高。由

39、于多種厚膜元件共存，進行多次印燒，要求導體、介質、電阻等各種漿料 的相容性好、附著力強、熱膨脹系數(shù)匹配。4.2.2其他圖案形成技術除絲網印刷外，還可以用直接繪圖、 等離子噴涂等方法制成厚膜元件圖案。 隨著光刻工 藝的進步，以前僅用來制造薄膜電路的光刻工藝也用來制作厚膜電路，出現(xiàn)了光刻厚膜等厚膜制造技術。1. 直接繪圖法直接繪圖法是采用集計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術于一體的直接描繪系統(tǒng)，將厚膜漿料直接描畫到基片上，形成設計規(guī)定的厚膜圖案的一種成膜工藝。典型的直接繪圖系統(tǒng)包括圖案發(fā)生器、圖案繪制系統(tǒng)控制器、漿料輸送系統(tǒng)以及精確定位的X-Y基板工作臺。圖案發(fā)生器解讀 CAD

40、設計信息，產生電路圖案。電路圖案信息輸入后，計算機的圖形終端可以顯示厚膜圖案，以備檢驗、存儲待用。繪圖時，圖案信息由計算 機輸入到繪圖系統(tǒng)控制器，控制器根據(jù)圖案信息同步驅動漿料輸送系統(tǒng)和X-Y基板工作臺，對描繪筆/漿料輸送系統(tǒng)和 X-Y工作臺發(fā)出指令繪圖。厚膜圖案的線寬、厚度由描繪筆的噴 嘴大小、X-Y工作臺的移動速度和筆中漿料的噴射壓力來控制。直接繪圖法描繪的厚膜圖形表面光滑、邊界整齊，線條的寬度、厚度和分辨率采用計算機控制，具有很好的重現(xiàn)性。直接繪圖法能夠跟蹤基板表面形貌，不管基板是否翹曲， 直接繪圖法都能獲得均勻的線條，因此適合多層電路的制作。直接繪圖法也能夠用于細線印刷， 即使使用普通

41、絲網印刷漿料也容易達到50ym的分辨率。此外，直接繪圖法無需進行圖樣拷貝、掩模制版，設計更改方便快捷、產品研制周期短、工藝參數(shù)易控制，因此特別適合新產 品研制和小批量生產。2. 等離子噴涂法等離子噴涂成膜法是利用高溫等離子流把粉料變成熔融狀粒子，并高速噴射到基板上淀積成膜的一種方法。等離子噴涂是在等離子噴槍電極間產生高溫電弧，通入Ar、He、N2等惰性氣體，形成高溫、高速的電弧等離子流。運載氣體將噴涂的粉料送入等離子流，粉料在高溫下迅速熔融，并以很高的速度噴射到基板上形成膜層。成膜速度一般為450卩m/min,可得厚度1 y m艸 的膜層，膜厚誤差在 ±10%范圍內。為了獲得均勻的膜

42、層，必須很好地控制等離子體噴射的 溫度與速度、供料速度、電極結構和粉粒形狀等。等離子噴涂方法無需燒結，速度快，工藝 簡單，成本較低。3.光刻法絲網印刷、直接繪圖法以及等離子方法都是加法工藝，而利用光刻技術進行厚膜制作的方法是減法工藝。采用光刻法能夠得到高精度的線條和分辨率。光刻法是在基板表面先全部覆蓋漿料層或者選擇性地印上比目標圖形尺寸稍大的一層 漿料，然后烘干、燒結。在燒結后的圖形上涂上光刻膠，根據(jù)目標圖形掩模進行光刻，采用 刻蝕工藝除掉不需要的部分。一般通過濕法刻蝕能夠獲得2530m的線條圖案。光刻厚膜工藝特別適合表面層金屬化圖案的制作。光刻厚膜電路精度高， 在微波電路中能夠顯著降低傳輸損

43、耗。有時候，將金屬粉料（主要是金、銀）與負性感光樹脂混合配制成光敏厚膜漿料，對印制好并烘干的膜層利用紫外光光刻定義圖形。用紫外光曝光時，被曝光的區(qū)域發(fā)生聚合反應被保留，而沒有曝光的部分被去掉。這種方法也稱作光敏厚膜工藝。§.3厚膜的干燥和燒成4.3.1 干燥在絲網印刷工藝中，圖案印好后，為使圖案的幾何尺寸固定下來， 同時方便下一次印刷 或燒成的進行，就需要進行干燥，干燥包括自然干燥與加熱干燥兩個階段。 在自動生產線上， 兩個階段在同一傳送帶上進行。自然干燥是指將剛印好的厚膜圖案，在常溫下擱置一段時間，自然干燥也稱作流平。印刷后不久，漿料的粘性仍較低，需要一段時間才能恢復較高粘性。自然

44、干燥時間不宜過長， 通常幾分鐘即可。自然干燥之后需要進行加熱干燥， 也稱作烘干。這時大部分有機溶劑揮發(fā)， 圖案附著在 基片上。加熱干燥過程必須控制適宜的升溫速率以防止由于溶劑快速揮發(fā)而造成膜開裂，以及防止僅僅膜層表面干燥硬化。烘干時間 15 60分鐘不等，溫度在120 C 150 C之間。采 用真空干燥或紅外線干燥效果更好，膜層干燥得更均勻。干燥過程對產品的性能、成品率等影響很大，需嚴格控制干燥條件；否則可能會在厚膜 中產生氣泡、裂紋等缺陷。干燥后的厚膜可進行再次印刷或燒成。4.3.2燒成經過印刷、干燥后，厚膜生產的下一道工序就是燒成（有文獻也稱為燒結），經過燒成工序，膜層牢固地固定在基片上，

45、并且具有所要求的電性能和物理性能?，F(xiàn)在所用的厚膜燒成爐大多采用密閉的馬弗爐，如鉻鎳鐵金屬馬弗爐等。燒成爐應有干凈的爐內環(huán)境，并能夠 提供穩(wěn)定可控的溫度和氣氛。厚膜漿料的燒成有三個作用。使?jié){料中的有機載體燃燒、熱分解并蒸發(fā)，即脫膠。脫膠不充分，膜層中殘留有炭，會造成膜層的起皮發(fā)泡，必須充分去除。使粉末狀存在的功能相材料產生氧化、還原、熔化、增粒、收縮、密實等物理化學過程，獲得具有所需功能的 均質膜。促進玻璃粘結劑熔化或金屬化合物與基板反應，使膜層與基板牢固結合。1 燒成過程厚膜燒成的過程中發(fā)生有機載體的揮發(fā)和燃燒、玻璃粉料的熔融、各組分之間的物理化學反應及晶粒的成長等一系列變化， 最后形成具有一

46、定結構和功能的厚膜層， 牢固地附著在 基板表面。以Pd-Ag厚膜電阻為例，其燒成過程大致分為四個階段： 低溫預熱階段。該階段主要是有機溶劑揮發(fā)、增稠劑燃燒。一般加熱至U350 C,有機物質的揮發(fā)燃燒過程基本完成。 氧化階段。升溫到 330C以后，部分Pd逐漸被氧化生成 PdO, PdO含量隨溫度升高 繼續(xù)增加。在350400 C, Ag也逐漸被氧化為 Ag2Oo 還原反應階段。隨溫度升高，Pd和Ag的氧化物逐漸產生合金化反應，生成Pd-Ag合金。當溫度高于 600 C以后，PdO開始還原反應生成 Pd并放出氧氣，隨溫度的升高，還 原反應速率增大，在800C時，PdO急劇分解，放出大量氧氣，故最

47、高燒結溫度應保持在 750C 左右。在520750C范圍內，PdO和Pd-Ag合金結晶形成晶粒，晶粒尺寸隨溫度的上升而增大。同時，溫度超過 550 C以后，玻璃粘結料開始軟化，并逐漸熔融，由于玻璃對固體顆粒 的潤濕和流動，固體顆粒之間相互吸附，粘結起來，生成”鏈狀結構”。d.膜層凝固階段。在750 C保溫一定時間后， 即可開始降溫。在降溫過程中，玻璃逐漸 冷卻硬化，到550 C左右時完全凝固，膜層牢固地附著在基片表面。2 影響燒成的參數(shù)厚膜元件的燒成包括升溫、最高溫度下保溫、降溫三個階段，因此影響燒成的主要參數(shù) 有最高燒結溫度、保溫時間、升降溫度速率、燒結氣氛和燒結次數(shù)等。1）最高燒成溫度最高

48、燒結溫度對厚膜元件和結構的影響最大，這個溫度的選擇要保證厚膜能夠完成應有的物理、化學變化，反應既要充分，又不能產生有害的作用，從而使厚膜元件的性能達到最 佳。最高燒結溫度一般高于玻璃軟化點100C左右，以使玻璃料熔融后充分浸潤固體顆粒，起到良好的粘結作用。最高燒結溫度過低，通常稱為 ”生燒”。此時導電網絡形成不良，方阻相當高，膜層結構 不穩(wěn)定，性能低劣。最高燒結溫度過高，稱為過燒”。此時晶粒大小懸殊，膜層結構極不均勻，同時氧化物可能分解放出氣體，使膜層凹凸不平。2）保溫時間在最高燒結溫度下恒溫對膜層進行燒結的時間稱為保溫時間。保溫時間的確定要保證使反應充分進行、膜層結構穩(wěn)定、晶粒大小均勻等。對于含有玻璃料的厚膜，保溫時間不宜過 長，以免引起漿料中的玻璃相“上浮”至U厚膜表面，從而降低膜層的可焊性和附著力。3）升降溫速率升溫速率主要影響預熱階