книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Рис. 3.4. Зависимость толщины t отпечатка от угла наклона В ракеля :

относительная твердость ракеля: Î - 1,0; 2 -1,15; ско­

рость движения ракеля 20 см/с

^мкм

Рис. 3.5. Взаимосвязь скорости движения V ракеля и толщины t отпечатка для сереб­ ряно-палладиевых паст

Влияние скорости движения ракеля на толщину отпечат­ ка приведено на рис. 3.5.

Основными характеристиками, определяющими качество отпечатков, полученных трафаретной печатью, являются сле­ дующие:

Чтобы добиться качественного отпечатка, скорость дви­ жения ракеля должна быть такой, чтобы отход трафарета от него происходил с такой же скоростью, что и перемещение ракеля.

В табл. 3.3 приведена область варьируемых параметров при трафаретной печати паст.

Т а б л и ц а З . З . Основные параметры трафаретной печати паст

Одно из важных требований, которое должно обеспечить трафаретная печать, - равномерность толщины отпечатка. Особенно трудно достичь равномерности, если площадь печа­ ти увеличивается. Для достижения однородной толщины от­ печатка кромка ракеля должна быть установлена параллельно плоскости подложки. Сама подложка должна иметь одинако­ вую толщину и минимальные отклонения от плоскостности.

Процесс печати с ракелем, установленным не параллель­ но поверхности подложки, не позволяет получить равномер­ ные отпечатки по ширине подложки, особенно это влияет на сопротивление резисторов.

Некоторые дефекты трафаретной печати и их влияние на характеристики толстопленочных элементов приведены в табл. 3.4.

Для обеспечения требуемых физических и электриче­ ских свойств паст, нанесенных на подложку при трафаретной печати, проводят процесс термической обработки, который включает два этапа: низкотемпературный - сушку, и высо­ котемпературный - вжигание.

Т а б л и ц а 3.4. Характеристики дефектов трафаретной печати и толстопленочных элементов

С у ш к а. Сушку осуществляют при невысокой (1 0 0 ...

... 200 °С) температуре; время сушки зависит от вида пасты и составляет 7 ... 30 мин. В процессе сушки из пасты удаляются органические растворители, происходит частичное перемеши­ вание частиц и усадка отпечатка пасты. Цроцесс сушки про­ водят в режиме, обеспечивающем постепенный подъем тем­ пературы, выдержку при этой температуре и ее постепенный спад.

Основные характеристики процесса сушки некоторых ти­

сушки следует основная высокотемпературная обработка, на­ зываемая вжиганием.

По характеру происходящих явлений процесс вжигания можно разделить на три стадии (рис. 3.7): выгорание (выжи-

гание) органического связующего (J), спекание частиц (II) и отжиг структуры (III).

Процесс высокотемпературной обработки, так же как и сушки, осуществляется при постепенном повышении темпера­ туры, выдержке при этой температуре, в затем - постепенном охлажденее.

В интервале температур 3 0 0 ... 500 °С происходит один из важных этапов - разложение полимеров и их выгорание (область I). Для полного выгорания полимерных веществ температуру повышают до 5 5 0 ...5 8 0 °С. При этой темпера­ туре происходит образование газов: СН4 , СгНб, паров воды, оксида углерода. Эти газы должны быть удалены таким обра­ зом, чтобы они не попали в высокотемпературную рабочую зону. В противном случае может произойти их разложение,

àtcn

t

Рис. 3.7. Общим вид кривой “температура - время” высокотемпературной обработки паст:

I - выжигание; / / - спекание; III - отжиг

осаждение на поверхности подложки и адсорбация нанесенной пастой, что ухудшит в дальнейшем способность к пайке про­ водниковых элементов.

Вторая стадия процесса вжигания - спекание (область II) - является основополагающей в формировании электриче­ ских и механических свойств. В процессе спекания происходит физико-химическое превращение нанесенной пасты, находя­ щейся в жидковязком состоянии, в твердое механически проч­ ное тело. Этот процесс может рассматриваться как процесс уменьшения свободной энергии сложного вещества, находяще­ гося в пастообразном состоянии. Электропроводность толсто­ пленочных проводников в большей мере зависит от того, ка­ ким образом в процессе спекания произойдет контактирование металлических частиц, входящих в состав пасты. Образова­ ние контакта в свою очередь определяется видом контактиру­ ющих частиц, их формой и режимами высокотемпературного спекания.

Основываясь на некоторых представлениях “механизма9’ спекания порошковых веществ в металлургии и керамической

Рис. 3.8. Схематическое изображение стадий образования контакта между частицами пасты на этапе спекания:

а- начальная стадия контактирования двух частиц;

б- рост площади контакта; в - увеличение площади контакта (Si > 5); г - практическое слияние частиц

технологии, рассмотрим процесс высокотемпературного спе­ кания (рис. 3.8). В процессе спекания частицы соединяются вместе, а весь отпечаток пасты подвергается усадке. Процесс спекания начинается при температуре (0 ,6 ... 0 ,9) • *Пл (*пл - температура плавления частиц). Его можно разделить на две стадии: в первой стадии частицы контактируют друг с дру­ гом (см. рис. 3.8, а), и происходит рост контактирующих по­ верхностей (см. рис. 3.8, б, в). Во второй стадии происходит увеличение плотности всего отпечатка пасты за счет слияния частиц (см. рис. 3.8, г). В идеальном случае две частицы сфе­ роидальной формы радиусом г в процессе спекания образуют площадь контакта 5, которая зависит от времени т и темпе­ ратуры процесса t:

Sp/ r g = k(t)r,

где p>qiiL k(t) - величины, зависящие от параметров процесса

иматериала частиц.

Впроцессе спекания частиц происходят следующие явле­ ния, которые определяют рост площади контактирующих по­ верхностей между частицами и изменение пористости: вяз­ костное перемещение частиц; диффузия в объеме, по поверхно­ сти и по границам зерен; испарение. Скорость спекания опре­ деляется “механизмом” взамодействия этих всех факторов.

“Механизм” спекания частиц различных металлов имеет от­ личия. Так, например, при спекании алюминиевых паст в диапазоне температур 600 ... 700 °С в течение 50 мин, веро­ ятно, происходит контакт между тончайшими слоями оксида алюминия, образованными на поверхности хаждой частицы. Точно такой же слой оксида образуется на частицах нике­ ля при вжигании на воздухе. Появление оксидных слоев в этих местах влияет на электросопротивление толстопленоч­ ных проводников. В табл. 3.6 приведены теоретические и экс­ периментальные значения электросопротивления паст из раз­ личных функциональных частиц после высокотемпературной обработки.

Та б л и ц а 3.6. Удельное поверхностное электро­ сопротивление толстопленочных проводников

из паст различного состава

Пр и м е ч а н и е . Толщина пленок 25 мкм.

Впроцессе температурной обработки происходит измене­ ние массы, толщины и химического состава отпечатка пасты.

Так при выгорании органического растворителя проис­ ходит уменьшение массы (рис. 3.9). Наибольшее изменение массы происходит в диапазоне температур нагрева от 100 до 350 °С, при которых испаряются компоненты с высокой тем­ пературой испарения.

Изменение массы в диапазоне 400 ... 600 °С происходит, по-видимому, за счет окисления частиц палладия. В процессе вжигания паст за счет улетучивания растворителей и выго­ рания органических связующих происходит уменьшение тол­ щины отпечатка.

Рис. 3.0. Изменение массы Ат / т серебряно-пал­ ладиевой пасты при нагреве t

t, мкм

Рис. 3.10. Изменение толщины t отпечатка се­

ребряно-палладиевой пасты при высокотемпе­ ратурной обработке

На рис. 3.10 приведен график изменения толщины отпе­ чатка из серебряно-палладиевой пасты от температуры вжигания.

Наибольшее изменение толщины происходит в диапазо­ не 650.. .850 °С, т.е. когда происходят основные превраще­ ния в структуре пасты: размягчение фритты и спекание ее с частицами серебра и палладия, а также химические реахции окисления палладия и серебра.

Впроцессе спекания и термической обработки в атмосфе­ ре кислорода паст, содержащих рутений, происходит измене­ ние содержания кислорода и их состав.

Вцелом при спекании происходят три процесса, опре­ деляющие структуру и свойства толстопленочных элементов. Первый - окислительная химическая реакция между неоргани­ ческим связующим и проводящими частицами, которые, рас­ творяясь в расплавленной фритте (стекле), химически взаи­ модействуют с ней. Второй - взаимное растворение фритты пасты и поверхности подложки, в результате чего происходит

‘проникновение фритты в материал подложки. Толщ ина обра­ зующейся переходной зоны зависит от температуры спекания и времени, а также от физико-химических свойств стеклянной фритты и подложки. Третий - взаимодействие вещества про­ водящих и резистивных пленок при их контакте; в этом случае происходит диффузия контактирующих веществ, приводящая к изменению структуры и электрических свойств толстопле­ ночных элементов.

Завершающей стадией процесса высокотемпературной обработки является отжиг структуры, совпадающей с перио­ дом снижения температуры (см. рис. 3.7, область III). В этот период происходит частичное снятие внутренних напряжений, переход системы в более равновесное состояние.

В табл. 3.7 приведены режимы высокотемпературной об­ работки паст.

3.3. Влияние технологических параметров на свойства толстопленочных элементов

Используя различные составы паст, получают толсто­ пленочные элементы - пленки с различными электрическими свойствами, имеющими применение в качестве проводников, резисторов и диэлектрического слоя конденсаторов.

Кроме основного применения - формирования толсто­ пленочных элементов - группа паст (припойные) выполня­ ет дополнительную функцию, обеспечивая припайку выводов