一文讀懂薄膜&厚膜技術原理與工藝改進

News

新聞資訊

返回列表

2022-06-15 10:44:52

一文讀懂薄膜&厚膜技術原理與工藝改進

厚膜與薄膜技術

相對于三維塊體材料，所謂膜，因其厚度及尺寸比較小，一般來說可以看做是物質的二維形態。利用軋制、捶打、碾壓等制作方法的為厚膜，厚膜（自立膜）不需要基體、可獨立成立；由膜的構成物堆積而成的為薄膜，薄膜（包覆膜）只能依附在基體之上。

膜的主要功能分為三種：電氣連接、元件搭載、表面改性。

電氣連接

電路板及膜與基板互為一體，元器件搭載在基板上達到與導體端子相互連接。

元件搭載

不論采用引線鍵合還是倒裝片方式，芯片裝載在封裝基板上需要焊接盤。而元器件搭載在基板上，不論采用DIP還是SMT方式都依賴導體端子，其中焊接盤和導體端子都是膜電路重要的部分。

表面改性

通過膜的使用可以使材料在某些性能上得到改性，如增加材料的耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫性等等。

薄膜技術介紹

一、薄膜材料

1.導體薄膜主要用于形成電路圖形，為半導體芯片、元件、電阻、電容等電路搭載部件提供金屬化及相互引線。值得注意的是，成膜后造成膜異常的原因包括：嚴重的熱適配導致應力過剩，膜層的剝離導致電路斷線；物質物理性質的原因，如熱擴散、電遷移、反應擴散等。

2.介質薄膜因其優良的電學性、機械電性及光學電性在電子元器件、光學器件、機械器件等領域具有較大應用。其成膜方法有MO、CVD、射頻磁控濺射、粒子束濺射等。

3.電阻薄膜常用的制作方法有真空蒸鍍、濺射鍍膜、電鍍、熱分解等。

4.功能薄膜在傳感器、太陽能電池、光集成電路、顯示器、電子元器件等領域具有廣泛的應用。

二、成膜方法

1.干膜。真空蒸鍍原理為鍍料在真空中加熱、蒸發，蒸汽析出的原子及原子團在基板上形成薄膜；濺射鍍膜原理為將放電氣體導入真空，通過離子體中產生的正離子的加速轟擊，使原子沉積在基板上；CVD指氣態原料在化學反應下形成固體薄膜在基板上形成沉積的過程。

2.濕膜。依據電場反應，金屬可在金屬鹽溶液中析出成膜。其中，電鍍的還原能量由外部電源提供；化學鍍利用添加還原劑的方法，促成分解成膜。濕膜的優點在于投資低、可依據基板材料大規模大批量成膜，但缺點在于成膜過程中對環境純凈度具有較高的要求，雜質較多的環境對成膜的質量有很大的影響。

三、電路圖形的成型方法

1.填平法。將光刻膠涂敷或將光刻膠干膜貼附在基板表面，形成“負”的圖形，在槽中沉積金屬膜層，將其填平，***將殘留的光刻膠剝離。其中，正膠在曝光后可溶，但負膠在曝光后不可溶。填平法具有容易混入氣泡的缺點。

2.蝕刻法包括化學蝕刻和薄膜光刻兩種方法。濕法蝕刻是指在基板表面覆上印刷電路所需的漿料，經燒成后，涂膠，掩膜曝光，去除光刻膠，***通過有機溶劑去掉不需要的電極材料；干法蝕刻利用磁控濺射、真空蒸鍍在基板表面形成薄膜，在光刻下制成電路圖型，干法的膜厚***可控制、圖形精細度高，但是工藝難度大、設備投資較大。

3.掩膜法。利用機械或光刻的方法制成“正”掩膜，并加以定位，再由真空蒸鍍方法成膜，在基板表面形成所需的電路圖形。掩膜法的圖形精度較高、工藝程序少，但需要預先制作掩膜。

4.噴砂法。在基板的整個表面形成膜，并在基板表面形成光刻膠圖形，利用噴砂去掉多余的部分，經過剝離光刻膠后便能得到需要的電路圖形，值得注意的是，噴砂過程中會產生灰塵。

厚膜技術介紹

一、基本原理

厚膜技術主要是指用絲網印刷的方法將導體漿料、電阻漿料或介質漿料等材料轉移到陶瓷基板上，這些材料經過高溫燒成后，會在陶瓷電路板上形成粘附牢固的膜。重復多次后，就會形成多層互連結構的包含電阻或電容的電路。

二、工藝流程

厚膜印刷的流程大致分為：設計制作菲林，出片打樣，制作PS板，調油漆，上機印刷，磨光，裱紙，粘盒，檢驗，出貨。

三、厚膜漿料

厚膜漿料主要由功能相、粘結相和載體三部分組成。

根據不同情況，功能相的材料也是有所區別的：作為導體漿料，功能相多為貴金屬或貴金屬混合物；作為電阻漿料，功能相多為導電性金屬氧化物；作為介質，功能相多為玻璃或陶瓷。功能相決定了成膜后的電性能和機械性能，因此材料要求嚴格。粘結相多為玻璃、金屬氧化物及玻璃和金屬氧化物的結合，顧名思義，粘結相的作用就是把燒結膜粘結到基板上。不同于功能相和粘結相的粉末狀態，載體是液態、是聚合物在有機溶劑中的溶液，其影響著厚膜的工藝特性，常作為印刷膜和干燥膜的臨時粘結劑。

四、絲印工藝

隨著電子電氣行業微型化發展，要求厚膜電路組裝密度以及布線的密度不斷地提高，要求導體線條更細，線間距更窄。

目前***常用的工藝分為三種：1.采用高網孔率絲網。此工藝下線徑會更細、目數更高、絲網的開口率更高、細線不易斷線等特點。2.光刻或光致成圖技術。先燒結成膜，再光刻成圖工藝的材料通常有有機金漿、薄印金及無玻璃導體等；先光刻后成膜所采用的漿料因其具有光敏性，可以在經過曝光、顯影后直接成圖，省去了光刻膠步驟，且能夠提高導體線條的精度。3.微機控制的直接描繪技術。此技術主要是在CAD上進行設計，然后直接在基板上描出厚膜圖形，無需制版、制網，且該工藝下布線的線寬和間距可以***控制，適合小批量和多品種的生產。

五、印后加工

1.攤平。印刷后，零件需要放置5-15分鐘左右。這樣可以使絲網篩孔的痕跡消失；同時，印刷后的印刷膜粘度仍然比較低，需要在攤平處理后達到較高的粘度。

2.干燥處理。攤平后，零件需要在70～150℃的溫度范圍下強制干燥15分鐘左右。干燥處理對干燥設備、抽風系統、環境潔凈度、干燥速率控制等具有較高的要求。

3.燒制。燒制的溫度在650-670℃之間，在燒制過程中要隨時調整爐溫，保持漿料燒結的溫度。

4.調整。通過向電路板噴砂或激光調整，對電阻值進行調整。

5.包封。大致的工藝完成后要進行包封對內接元件進行保護。

厚膜技術的進化

隨著電子電氣行業微型化發展，要求厚膜電路組裝密度以及布線的密度不斷地提高，導體線條更細，線間距更窄。但由于絲網印刷的特性，一般無法實現小于50微米（2mil）的圖案，量產的實際水平多數在100um（4mil）以上。厚膜技術的高精度化，如何用厚膜技術實際50um（2mil）以下的超細布線，已成為極為關鍵的工藝技術進化節點。

為實現更高的精度，目前***常用的工藝分為三種：

1.厚膜印刷工藝：采用高網孔率絲網。此工藝的線徑會更細、目數更高、絲網的開口率更高、細線不易斷線。

2.厚膜光刻工藝：通過光刻或光致成圖技術。先燒結成膜，再光刻成圖工藝的材料通常有有機銀漿、薄印銀及無玻璃導體等；先光刻后成膜所采用的漿料因其具有光敏性，可以在經過曝光、顯影后直接成圖，省去了光刻膠步驟，且能夠提高導體線條的精度。Thick Film Lithography就是此工藝，也是目前實際在規?；慨a的高精度厚膜燒結工藝技術。

3.厚膜直接描繪技術：此技術主要是在CAD上進行設計，然后直接在基板上描出厚膜圖形，無需制版、制網，且該工藝下布線的線寬和間距可以***控制，適合小批量和多品種的生產。

一、厚膜光刻技術

厚膜光刻技術是將光刻技術應用于傳統的厚膜工藝。與傳統的厚膜工藝相比，該技術使圖案能夠形成更精細的分辨、更高精度和平整性，并且與薄膜相比，可以達到同樣的封裝密度水平。

厚膜光刻主要有感光性漿料法和厚膜蝕刻法。

1.感光性漿料法

感光性電極漿料主要是由銀粉、感光性樹脂溶劑、粘合劑、分散劑、穩定劑等按一定比例調和而成。工藝步驟是：

①

用印刷法將漿料整板均勻地涂在基板上，干燥；

②

用紫外光進行曝光；

③

用堿性水溶液顯影；

④

干燥、燒結。

這種工藝的特點是制作出的電極線質量好，線寬可做到小于50um。是目前已知的實現商業化應用的厚膜光刻技術工藝，也是村田用于生產LTCC器件及電感器小型化的關鍵工藝。

▲ 感光性漿料法厚膜光刻

2.厚膜蝕刻法

這種方法與薄膜法幾乎一樣，只是將鍍膜換成了印刷燒結。用印刷法整板印上銀漿，燒結后涂上光刻膠，經過曝光、顯影，形成抗蝕圖，然后用一定濃度的硝酸溶液將圖型外的材料腐蝕掉，***去膠。由于銀漿是在燒結后進行刻蝕的，因而不存在圖形收縮問題，但整板燒結銀漿，將產生應力；用濃硝酸作腐蝕液，環境污染大應考慮。

▲厚膜蝕刻法

二、厚膜光刻技術特點

1.技術優勢

①

高精度及高解析度

②

極高的一致性

③

優異的高溫性工作性能

④

制程簡單流程短可控度高

⑤

有極高的工藝靈活更適用于少量多品類市場

⑥

工藝成本低，建設投入小

2.需要優化

在厚膜光刻工藝中對感光性漿料存在過度依賴，工藝能否實用化與相應材料的性能不可分割，材料的配套能力影響應用產品的商用化進程。

厚膜技術與薄膜技術的對比

一、工藝比較

（點擊查看大圖）

二、基板材料

陶瓷材料具有穩定性高，機械強度高，導熱性好，介電性好、絕緣性好，微波損耗低等特點，是極好的微波介質材料。薄膜及厚膜技術中可以使用的基板材料有氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅、石英等陶瓷類基板。

三、應用領域

薄膜技術的光學、電學、磁學、化學、力學及熱學性質使其在反射涂層、減反涂層、光記錄介質、絕緣薄膜、半導體器件、壓電器件、磁記錄介質、擴散阻擋層、防氧化、防腐蝕涂層、傳感器、顯微機械、光電器件熱沉等方面具有廣泛的應用，其中在光電子器件、薄膜敏感元件、固態傳感器、薄膜電阻、電膜、電容、混合集成電路、太陽能電池、平板顯示器、聲表面波濾波器、磁頭等的方面具有很大的應用。

厚膜技術因其高可靠性和高性能在汽車領域、消費電子、通信工程、醫療設備、航空航天中具有較多的應用，例如：開關穩壓電源電路、視放電路、幀輸出電路、電壓設定電路、高壓限制電路，飛行器的通信、電視、雷達、遙感和遙測系統，發電機電壓調節器、電子點火器和燃油噴射系統，磁學與超導膜式器件、聲表面波器件、膜式敏感器件等的應用。

總而言之，厚膜技術與薄膜技術在部分領域（例如：片式電阻）有一定的替代，但是厚膜技術由于成本、可靠性、高溫性能等方面的優勢，在很多產品的制造及相關工藝中無可替代，另外LTCC及HTCC等多層共燒結工藝中，無法應用薄膜技術。

2022-06-15 10:44:52