[科普中国]-厚膜电路

厚膜电路是指在同一基片上采用阵膜工艺(丝网漏印、烧结和电镀等)制作无源网络并组装上分立的半导体器件、单片集成电路或微型元件而构成的集成电路。通常认为厚度为几微米至几十微米的膜为厚膜，制作厚膜的材料为导体、电阻、介质、绝缘和包封等五种浆料。厚膜集成电路工艺简便、成本低廉、能耐较大的功率,但它制作的元件种类和数值范围有一定限制。1

简介集成电路分为厚膜电路、薄膜电路和半导体集成电路。厚膜电路与薄膜电路的区别有两点：其一是膜厚的区别，厚膜电路的膜厚一般大于10μm，薄膜的膜厚小于10μm，大多处于小于1μm；其二是制造工艺的区别，厚膜电路一般采用丝网印刷工艺，最先进的材料基板使用陶瓷作为基板，（较多的使用氧化铝陶瓷），薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法。2

厚膜电路的优势在于性能可靠，设计灵活，投资小，成本低，多应用于电压高、电流大、大功率的场合。2

特点和应用与薄膜混合集成电路相比，厚膜混合集成电路的特点是设计更为灵活、工艺简便、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。厚膜微波集成电路的工作频率可以达到 4吉赫以上。2

它适用于各种电路，特别是消费类和工业类电子产品用的模拟电路。带厚膜网路的基片作为微型印制线路板已得到广泛的应用。2

主要工艺根据电路图先划分若干个功能部件图，然后用平面布图方法转化成基片上的平面电路布置图，再用照相制版方法制作出丝网印刷用的厚膜网路模板。厚膜混合集成电路最常用的基片是含量为96%和85%的氧化铝陶瓷；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毫米，最经济的尺寸为35×35～50×50毫米。在基片上制造厚膜网路的主要工艺是印刷、烧结和调阻。常用的印刷方法是丝网印刷。3

丝网印刷的工艺过程是先把丝网固定在印刷机框架上，再将模版贴在丝网上；或者在丝网上涂感光胶，直接在上面制造模版，然后在网下放上基片，把厚膜浆料倒在丝网上，用刮板把浆料压入网孔，漏印在基片上，形成所需要的厚膜图形。常用丝网有不锈钢网和尼龙网，有时也用聚四氟乙烯网。3

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。3

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。3

厚膜材料定义厚膜是指在基片上用印刷烧结技术所形成的厚度为几微米到数十微米的膜层。制造这种膜层的材料，称为厚膜材料。4

组成厚膜材料是一类涂料或浆料，由一种或几种固体微粒（0.2～10微米）均匀悬浮于载体中而形成。为了便于印刷成形，浆料必须具有合适的粘度和触变性（粘度随外力而改变的性质）。固体微粒是厚膜的组成部分，决定膜的性质和用途。载体在烧结过程中分解逸出。载体至少含有三种成分，树脂或聚合物粘合剂、溶剂和表面活化剂。粘合剂给浆料提供基本的流变特性；溶剂稀释树脂，随后挥发掉，以使印刷图样干涸；活化剂使固体微粒被载体浸润并适当分散于载体中。4

分类按厚膜的性质和用途，所用的浆料有五类：导体、电阻、介质、绝缘和包封浆料。4

导体浆料用来制造厚膜导体，在厚膜电路中形成互连线、多层布线、微带线、焊接区、厚膜电阻端头、厚膜电容极板和低阻值电阻。焊接区用来焊接或粘贴分立元件、器件和外引线，有时还用来焊接上金属盖，以实现整块基片的包封。厚膜导体的用途各异，尚无一种浆料能满足所有这些用途的要求，所以要用多种导体浆料。对导体浆料的共同要求是电导大、附着牢、抗老化、成本低、易焊接。常用的导体浆料中的金属成分是金或者金-铂、钯-金、钯-银、铂-银和钯-铜-银。4

在厚膜导体浆料中，除了粒度合适的金属粉或金属有机化合物外，还有粒度和形状都适宜的玻璃粉或金属氧化物，以及悬浮固体微粒的有机载体。玻璃可把金属粉牢固地粘结在基片上，形成厚膜导体。常用无碱玻璃，如硼硅铅玻璃。4

厚膜电阻是厚膜集成电路中发展最早、制造水平最高的一种厚膜元件，可以制造各种电阻。对厚膜电阻的主要要求是电阻率大、阻值温度系数小、稳定性好。4

与导体浆料相同，电阻浆料也有三种成分：导体、玻璃和载体。但是，它的导体通常不是金属元素，而是金属元素的化合物，或者是金属元素与其氧化物的复合物。常用的浆料有铂基、钌基和钯基电阻浆料。4

厚膜介质用来制造微型厚膜电容器。对它的基本要求是介电常数大、损耗角正切值小、绝缘电阻大、耐压高、稳定可靠。4

介质浆料是由低熔玻璃和陶瓷粉粒均匀地悬浮于有机载体中而制成的。常用的陶瓷是钡、锶、钙的钛酸盐陶瓷。改变玻璃和陶瓷的相对含量或者陶瓷的成分，可以得到具有各种性能的介质厚膜，以满足制造各种厚膜电容器的需要。4

厚膜绝缘用作多层布线和交叉线的绝缘层。对它的要求是绝缘电阻高、介电常数小，并且线膨胀系数能与其他膜层相匹配。在绝缘浆料中常用的固体粉粒是无碱玻璃和陶瓷粉粒。4

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何星 - 副教授 - 上海交通大学