Modul 3 – Vrstvové technológie
Na substrát z izolačného materiálu sa nanášajú dielektrické, rezistorové a vodivé vrstvy.
Rozlišujeme tenkovrstvovú technológiu, kde sa vrstvy realizujú naparovaním resp.
naprašovaním a hrubovrstvovú technológiu, kde sa vrstvy realizujú pomocou sieťotlače. Pod
tenkými vrstvami rozumieme také, ktorých hrúbka sa pohybuje v rozsahu 10 až 1000 nm.
Osobitné miesto patrí polymernej hrubovrstvovej technológií, ktorá je perspektívne sa
rozvíjajúcou technológiou pre realizáciu vodivých vrstiev, rezistorov a dielektrickej izolácie
aj v niekoľkých vrstvách. Ako substrát je možné použiť štandardné typy dosiek plošných
spojov, keramiku a flexibilné (ohybné) fóĺie.
1. Tenkovrstvové technológie
1.1 Fyzikálne metódy depozície tenkých vrstiev
a) Vákuové naparovanie
Vytvárame ním tenké (amorfné) vrstvy odparovaním vyhrievaného materiálu vo vysokom
vákuu (<10-4 Pa) kondenzáciou jeho pár na chladnejšej podložke, pričom na dosiahnutie
primeraných naparovacích rýchlostí ho treba vyhriať na takú teplotu, aby tlak nasýtených pár
dosiahol minimálne 1Pa, obvykle 1000 - 2000°C. Pre odparovacie špirály a lodičky zvyčajne
používame Mo, W alebo Ta, ktoré majú požadovaný nízky tlak pár a netvoria s odparovanými
materiálmi eutektickú zliatinu. Vysokotaviteľné alebo reaktívne materiály (Ta) odparujeme
ohrevom elektrónovým zväzkom s energiou 4 -10 keV a prúdom niekoľko sto mA.
1
.
Obr.1. Princíp vákuového naparovania
Zlúčeniny možno pripravovať reaktívnym naparovaním s privádzaním plynu obsahujúceho
atómy budúcej zlúčeniny, dvojzložkové materiály bleskovým odparovaním ∼100 µm zrniečok
dopadajúcich na vyhriatu podložku, kovy explóziou tenkých drôtikov prechodom prúdového
impulzu ∼106Acm-2 (Metóda „flash naparovania“)
Obr.2 Metóda naparovania „flash“
2
b) Katódové naprašovanie
Je spôsobom nanášania tenkých vrstiev impulzným odprašovaním na substrát. Pri diódovom
type je materiál katódy tlejivým výbojom v inertnom plyne (Ar) pri tlaku 0,1-1 Pa, napätí
niekoľko kV a energii 40 -130 keV odprašovaný na substrát na anóde. Kladné ióny plynu
vznikajúce vo výboji nárazovou ionizáciou sú elektrickým poľom unášané ku katóde a
uvoľňujú z nej čiastočky materiálu vo forme neutrálnych atómov a čiastočne aj iónov.
Pomerne vysoký tlak v systéme spôsobuje zvýšené znečistenie zvyškovou atmosférou, preto
nemožno získať extrémne čisté vrstvy. Efektívnosť procesu vyjadruje koeficient katódového
rozprašovania S ako pomer počtu rozprášených atómov Na a dopadnutých iónov Ni.
Obr.3 Princíp katódového naprašovania
(ióny Ar + bombardujú terč vyrážajú materiál terča a sekundárne elektróny, ktoré priťahuje
uzemnená podložka (anóda). Elektróny prichádzajúce do kolízie s atómami Ar môžu spôsobiť
ionizáciu, ktorej výsledkom je ión Ar+ a dva elektróny)
3
Obr.4 Základné usporiadanie pre diódové jednosmerné naprašovanie
-
Reaktívnym katódovým naprašovaním vytvárame tenké vrstvy zlúčenín (Al2O3)
chemickou reakciou odprašovaného materiálu s pridaným reaktívnym plynom.
-
Magnetrónové
naprašovanie
zväčšuje
pravdepodobnosť
ionizujúcich
zrážok
zakrivovaním dráh elektrónov vonkajším magnetickým poľom.
-
Getrovacie rozprašovanie potláča vplyv nečistôt nosného plynu ich chemickou
väzbou s rozprašovaným kovom a následným usadzovaním na stenách nádoby.
-
Triódovým naprašovaním možno pri zníženom tlaku zachovať koncentráciu
ionizujúcich elektrónov pomocnou termokatódy emitujúcej elektróny nezávisle od tlaku, čo
znižuje kontamináciu zvyškovou atmosférou.
-
Vysokofrekvenčným rozprašovaním vytvárame izolačné a dielektrické vrstvy. Vf pole
(∼MHz, 20 mA cm-2) zabraňuje hromadeniu kladného náboja na nevodivom terčíku s
materiálom a js záporné predpätie hromadeniu záporného náboja počas kladnej polvlny vf
zdroja. Pracovný tlak býva ∼0,1 Pa, naprašovacia rýchlosť ∼ 80 nm min-1, u kovov býva
podstatne vyššia.
-
Plazmové naprašovanie - pri tlaku 2 – 7 Pa sa zapáli tlejivý výboj. Kladné ióny
bombardujú terčík a vyrážajú z neho atómy. Tieto sa dostávajú na substrát. Metódou možno
naparovať aj ťažko naparovateľné izolátory, ak ich upevníme na kovovú podložku.
4
Obr.5 Plazmové naprašovanie
1.2 Chemické metódy depozície tenkých vrstiev
a) Chemická depozícia z kvapalnej fázy
-
Homogénna reakcia - vytváranie kovových vrstiev redukciou iónov roztoku kovu
zmiešaním s redukčným roztokom na substráte. Používa sa na plátovanie medi pre DPS,
nanášanie striebra na sklo (plast) pre zrkadlá.
-
Autokatalytická redukcia - vytváranie kovových vrstiev redukciou iónov na
katalytickom povrchu. Bezprúdové pokovenie Ni, Co, Pd, Pt, Cu, Au, Ag používame len
výnimočne, pretože reduktanty (NaH2PO2, formaldehyd, hydrazín) sú drahšie ako elektrická
energia na galvanické pokovenie.
-
Konverzné pokrývanie - (elektro)chemické pôsobenie na kov so vznikom vrstvy jeho
zlúčeniny pre zvyšovanie koróznej odolnosti chromátovaním, úpravu povrchov pod nátery,
vytváranie čiernych antireflexných vrstiev konverznou oxidáciou Fe, Cu a ich zliatin.
-
Anodizácia - vytváranie oxidových vrstiev na kovovej (Al), alebo polovodičovej (pri
zisťovaní koncentračného profilu prímesí v Si, GaAs) anóde elektrolýzou. Kyslíkové ióny pre
5
oxidáciu možno získať aj z plazmy jednosmerného alebo vysokofrekvenčného elektrického
výboja v kyslíku.
b) Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD – Chemical Vapour Deposition )
CVD
umožňuje
vytvárať
polovodičové,
dielektrické
aj
kovové
vrstvy
rôzneho
stechiometrického zloženia amorfnej alebo polykryštalickej štruktúry, akú nemožno získať
inými metódami. Možno ju uskutočňovať pri atmosférickom tlaku a teplote 700 – 1050°C za
použitia H2 ako nosného plynu v prostredí reaktora.
Obr.6 Horizontálny reaktor pre metódu CVD
Homogénnejšie vrstvy možno získať nízkotlakovou CVD pri teplotách 650-800 OC, pretože
pri tlakoch 50 - 100 Pa sa výrazne zväčšuje difuzivita plynov. Metódou CVD sa pre
mikroelektroniku pripravujú najmä dielektrické, pasivačné a aj epitaxné polovodičové vrstvy.
Patria tu procesy:
6
1.
Pyrolýza - tepelný rozklad plynov na horúcich substrátoch. (Kremík vyrábaný
pyrolytickým rozkladom silánu v atmosfére Ar alebo H2 na vhodnej podložke).
2.
Redukcia - redukčným činidlom, najčastejšie vodíkom.
3.
Oxidácia, nitridácia a karbidizácia - depozícia oxidov, nitridov a karbidov.
4.
Hydrolýza - depozícia polykryštalických vrstiev na princípe rozkladu solí pôsobením
vody.
5.
Rozklad - depozícia polykryštalických vrstiev rozkladom plynov pri ochladzovaní.
6.
Chemické transportné reakcie - nastavením tepelných rovnovážnych konštánt.
7.
Kombinované reakcie.
2. Hrubvrstvová technológia
2.1 Úvod
Za hrubé vrstvy (Thick Films) sa považujú vodivé, rezistorové a dielektrické vrstvy, ktoré sú
v definovanom topologickom tvare zvyčajne prostredníctvom špeciálnych pást deponované na
keramický alebo iný substrát, a ktoré spravidla tvoria pasívnu súčasť elektronického obvodu
(obr.7). Pasty sa na substrát nanášajú zvyčajne sieťotlačovou technológiou. Po tomto kroku
nasleduje ich tepelné spracovanie. Typická hrúbka vypálenej hrubej vrstvy sa pohybuje od 10
µm do 30 µm.
7
Obr. 7 Hybridné obvody pre priemyselné aplikácie
Do pasívnej siete sú jednou zo montážnych techník (spájkovanie, kontaktovanie, Flip Chip,
SMT, lepenie vodivými lepidlami alebo adhezívami) zabudované elektronické súčiastky
a celok tvorí hybridný integrovaný obvod (HIO).
Hrubé vrstvy sú súčasťou HIO, technológie SMT, technológie tvorby DsPS hlavne pri
aplikácii polymérnych hrubovrstvových pást na ohybných fóliách (PTF - Polymer Thick
Film), pri kombinácia tenkých a hrubých vrstiev na jednom substráte alebo v jednom
multičipovom module MCM. Hrubé vrstvy sú jednou z techník aplikovaných v oblasti
hrubovrstvových senzorov.
2.2 Sie otla ová technológia
Sieťotlačová technológia predstavuje pretláčanie sieťotlačovej pasty na substrát. Pretláčanie
pasty sa uskutočňuje cez voľné otvory obrazca, spravidla pozitívnej sieťotlačovej šablóny,
8
pohybom stierky na substrát. Presnosť a precíznosť tvaru a hrán obrazca, hrúbka a vlastnosti
nanesenej vrstvy sú ovplyvnené faktormi:
Stierka
Maskovacia
emulzia
Natlačená
pasta
Pasta
Voľné oká
sietky
Substrát
Obr. 8 Sieťotlačová technológia
2.3 Základné parametre procesu sie otla e:
-
Vplyv použitých šablón a sieťky.
-
Materiál sie oviny.
o
Polyester — má dobrú flexibilitu, preto sa používa pre tlač na neplanárne
povrchy. Je pružnejší ako nylon alebo oceľ. Má vysokú životnosť a stierke kladie
minimálny odpor.
o
Nylon je najelastickejším materiálom, čo je v niektorých prípadoch výhodou.
Pri tlači však môže dochádzať k deformácii obrazca. Je málo pružný a má tendenciu
prilepiť sa k substrátu, čo zapríčiňuje neostrý motív. Nylonové sieťky sa najčastejšie
používajú pri tlači vrstiev na hornú stranu viacvrstvovej štruktúry.
9
ľ
o
Oce — jej hlavnou výhodou je, že poskytuje vysokú presnosť a kvalitu tlače.
Je ideálnym materiálom pre tlač na ploché povrchy, tlač na zakrivený povrch je
problematická pre malú flexibilitu a pružnosť ocele. Obyčajne sa používa pre tlač na
malých plochách.
- Vplyv procesu sieťotlače, kde patria rýchlosť pohybu, tlak stierky a smer pohybu stierky.
- Vplyv materiálu pasty, viskozita, tixotrópia, čistota a kvalita povrchu substrátu.
2.4 Parametre sie oviny
Sieťotlačové šablóny sa vyrábajú napínaním sieťoviny z vlákien polyesteru, nylonu alebo
nerezovej ocele na vhodný rám z kovu. Typ sieťoviny a parametre sieťoviny sa volí
v závislosti od:
-
materiálu, ktorý bude cez sieťovinu pretláčaný,
-
od požadovanej presnosti motívu a ostrosti obrazca,
-
hrúbky sieťotlače,
-
veľkosti častíc pasty,
-
od štruktúry povrchu podložky, na ktorú sa pasta tlačí.
Hrúbka natlačenej pasty závisí predovšetkým od hrúbky použitej maskovacej emulzie, od
viskozity pasty, kvality povrchu substrátu a tiež od technických parametrov sieťoviny:
ĺ
- Po et vlákien na lineárnej d žke
č
- Priemer vlákien d (µm).
- Parameter otvoru (oka) w (µm),
- Hrúbka sie oviny a (µm).
ť
- Napätie sie oviny (N/cm) a jej odolnosti voči deformácii.
ť
- Spôsob tkania sieťoviny a uhla natočenia vzhľadom k smeru tlače.
10
Hrúbka maskovacej emulzie predurčuje hrúbku natlačenej sieťotlačovej vrstvy, a preto je
dôležité jej optimálne nanesenie.
Na presnosť sieťotlače vplýva mnoho ďalších parametrov:
-
čo najmenší pomer veľkosti rámu k veľkosti obrazca,
-
správna poloha motívu voči smeru pohybu stierky (pozdĺžne čiary v smere pohybu
stierky, obrazec umiestniť centricky v smere osi y, kratšie čiary umiestniť smere osi x),
-
nie príliš veľký prítlak stierky (tak, aby sa obrazec práve objavil na podložke),
-
šírka, dĺžka dráhy a tvrdosť stierky,
-
vzdialenosť sieťoviny od podložky (odskok),
-
dodržanie hranice elastického predĺženia sieťoviny (u polyesterových vlákien je
hranicou cca 3 %, u nerezových vlákien asi 1 %),
-
uhol smeru vlákien k tlačenému motívu (experimentálne bolo zistené, že optimálny
uhol natočenia je 22,5 °).
2.5 Iné spôsoby nanášania hrubých vrstiev
Dispenzing: Nanášanie pasty, tekutiny dotykom alebo vytláčaním zo zásobníkov
prostredníctvom plných alebo dutých ihiel. V elektronike sa najviac používa dispenzing dutou
ihlou. (viskozita pasty, výška konca ihly nad podložkou, vzduchový piest)
Bezkontaktný dispenzing – nanášanie lepidiel pre povrchovú montáž (eliminácia ihiel,
konštantná výška vypúšťacieho otvoru nad podložkou). Lepidlo sa vypúšťa zo vzdialenosti
1až 3,5 mm. Počet dávok na 1 bod býva 1 až 5.
11
pasta
alebo
lepidlo
Obr.9.Bezkontaktné nanášanie lepidla na substrát
Jetting: riadený let kvapky elektrickým poľom vypúšťanej z dispenzera (rýchlosť, presnosť,
možnosť ovrstvova ve mi malé plochy – nanášanie spájky na kontakty Flip chip, BGA).
Nanesenie pasty laserom: zdroj látky je 20 až 100 µm silný nosič s nanesenou 10 až 50 µm
tenkou vrstvou pasty, ktorá sa prenesie na substrát ožiarením laserovým lúčom. Výsledok je
veľmi presný a rýchly.
riadenie
tlaku
dispenzer
riadenie
teploty
elektródy
riadenie
náboja
vychy ovacie
elektródy
ľ
riadenie
výchylky
pasta alebo
lepidlo
pomocný len
pre nastavenie
smeru pádu
kvapky
č
substrát
Obr.10 Princíp Jettingu a ovrstvenie pastou z fólie pomocou laseru
12
2.6 Kovové masky (šablóny)
Kovové masky umožňujú vylúčiť používanie štandardných maskovacích emulzií. Ich výhody
sú:
-
vhodný prostriedok pre precíznu sieťotlač spájkovacej pasty,
-
výborná schopnosť prenášať pastu na podložku pre svoju maximálne otvorenú
plochu,
-
odolné voči riedidlám a rozpúšťadlám,
-
odolné voči abrazívnemu opotrebeniu,
-
veľmi dobrá dlhodobá stabilita vlastností.
Výber typu šablóny závisí na požadovanej presnosti a použitom procese. Hrúbka šablóny je
určená minimálnou veľkosťou štrbín šablóny pre tlač jemných padov. Všeobecne platí, že
tenšie šablóny vykazujú lepšiu pretláčavosť pást. Je to preto, že tenšie šablóny vykazujú
menšie šmykové napätie voči spájkovacím pastám pri prechode cez štrbinu.
Kovové masky sa vyrábajú prevažne z kvalitných nehrdzavejúcich oceľových, mosadzných
alebo niklových fólií, ktorých hrúbka je < 300 µm. V praxi sa pre tlač pást používajú 3
rozdielne typy šablón, ktorých vlastnosti závisia na tom, ako boli pripravené:
Obr.11 Technológia kovových šablón
13
Chemicky leptané šablóny:
Chemicky leptané šablóny sú používané v najširšom meradle pretože ich príprava je
najlacnejšia a sú trvanlivé. Tieto šablóny sa však nehodia pre tlač jemných padov, ktorých
rozmer je pod 0,5 mm a to z dôvodu nedobrej kvality hladkosti pri okrajoch leptaných
otvorov.
Šablóny vyrezávané laserom
šablóny vyrezávané laserom majú lepšie ukončenie stien otvorov než chemicky leptané
šablóny, ale ešte stále to nie je dokonale hladký okraj, ktorá môže spôsobiť ťažkosti pri
tlačení super-jemných padov ako 0,4 mm a mikro BGA pady s priemerom 0,25 a 0,3 mm.
Šablóny tvorené elektrolyticky
Je zrejmé, že i keď cena je vyššia, šablóny tvorené elektrolyticky sa najlepšie hodia pre tlač
ultrajemných padov, pretože ich hladkosť stien otvorov zaručuje kvalitnú tlač spájkovacích
pást.
Výber typu šablóny závisí na požadovanej presnosti a použitom procese. Hrúbka šablóny je
určená minimálnou veľkosťou štrbín šablóny pre tlač jemných padov. Všeobecne platí, že
tenšie šablóny vykazujú lepšiu pretláčavosť pást. Je to preto, že tenšie šablóny vykazujú
menšie šmykové napätie voči spájkovacím pastám pri prechode cez štrbinu.
2.7 Materiály hrubých vrstiev, vlastnosti a spracovanie
Pasty sú tixotrópne sieťotlačové kompozície používané na tvorbu vodivých, rezistorových a
dielektrických vrstiev v elektronickom obvode. Sieťotlačové pasty vo všeobecnosti delíme na
cermetové, polymérne, špeciálne a z pohľadu elektrických vlastností ich delíme na:
-
vodivé,
-
rezistorové,
-
dielektrické.
Niektoré vlastnosti vodivých hrubovrstvových materiálov sú uvedené v tab.1.
14
Tabu ka 1. Niektoré vlastnosti vodivých hrubovrstvových materiálov
Au
Adhézia na substráte 96 % Al2O3 6,9 - 20
Au - Pt
Au - Pd
Ag
Ag - Pt
Ag - Pd
4,2 - 11
10,3
5,5 - 8,2
3,5 - 8,3
5,5 - 1,7
(MPa)
Hrúbka zasušenej vrstvy (µ
µm)
20 - 25
25 - 30
25 - 30
25 - 30
25 - 30
25 - 30
Hrúbka vypálenej vrstvy (µ
µm)
7 - 13
13 - 19
13 - 15
15 - 18
15 - 18
10 - 17
50 - 100
50 - 100
2 - 10
2-7
3 - 18
Plošný elektrický odpor R (mΩ
Ω/
) 2-5
pri hrúbke vrstvy 25,4 µm
Pasty pozostávajú v závislosti na ich elektrickej funkcii zo 4 základných zložiek:
-
funk ného materiálu (práškové častice kovov, oxidov, ..),
-
rozpúš adla alebo riedidla (dočasné spojivo, ktoré pomáha pri miešaní pasty a pri
č
ť
sieťotlači upraviť viskozitu),
-
permanentného spojiva (slúži ako adhezivo voči substrátu)
-
do asného spojiva (drží ostatné zložky pasty pokope počas sieťotlače a odstraňuje sa
č
počas oxidácie vyhorením v počiatočných štádiách výpalu).
Hrubovrstvové odporové materiály sa vyznačujú širokým rozsahom hodnôt odporu, malým
teplotným koeficientom odporu, malým napäťovým koeficientom odporu, malým driftom
odporu, možnosťou trimovania a schopnosťou znášať vysoké prúdové a napäťové zaťaženie.
Typy odporových pást: Pasty na báze PdAg obsahujú jemne dispergované prášky paládia a
striebra, ktoré sú zmiešané s borosilikáto - olovnantým sklom. Ostatné typy pást sú systémy
zložené prevažne z oxidov ruténia (RuO2), irídia (IrO2) a ródia (RhO2).
Hrubovrstvové dielektrické materiály sa používajú pre:
-
Kondenzátory. Skladajú sa z jednej, alebo viacerých dielektrických vrstiev, ktoré sú
umiestnené medzi dvoma vodivými elektródami umiestnenými priamo na substráte.
15
-
Premostenia. Izolujú dve vodivé dráhy, ktoré sa navzájom križujú. Viacvrstvové
štruktúry sa používajú pre izoláciu jednotlivých vrstiev.
-
Glazúru. Glazúra sa používa pre ochranu vytvorených kondenzátorov a rezistorov,
kvôli minimalizácii nepriaznivému vplyvu okolia, alebo operáciám počas výroby.
-
Puzdrenie. Spojenie častí puzdrenia, obyčajne nízkotaviteľným sklom.
Obr.12 Rôzne vypaľovacie profily spracovania hrubovrstvových materiálov
Dielektriká musia splňovať niekoľko kritérií: odolnosť voči vlhkosti, nesmú vytvárať oxidy s
kovmi v elektródach a nesmie dochádzať k migrácii iónov. Spomenuté kritériá sú splnené u
sklenených materiálov.
16
Sušenie
Sušenie prebieha pri teplotách 100 - 150°C. Po tomto procese je možné na danú štruktúru
natlačiť ďalšiu vrstvu, alebo pokračovať v procese výpalu.
Obr.13. Statická pec pre proces sušenia
Výpal
Cieľom výpalu je odstrániť zostávajúce organické materiály z pasty, zabezpečiť elektrické
vlastnosti vrstvy a tiež zabezpečiť adhéziu natlačenej vrstvy k substrátu. Typické vypaľovacie
profily trvajú 1 hod s maximom teploty cca 850°C.
17
Obr.14. Programovateľná pec pre výpal HV materiálov
Trimovanie rezistorov
Keďže tolerancia vypálených odporových vrstiev je okolo ± 20 %, je potrebné dostavenie
parametrov. V praxi sa používa niekoľko rôznych metód, z ktorých najčastejšie používané sú
trimovanie pieskovaním alebo laserom.
priamy rez
meandrový rez
dvojitý rez
L – rez
priamy rez
Obr.15 Spôsoby trimovania hrubovrstvových rezistorov
Keramické substráty pre hrubé vrstvy
Hlavnou funkciou substrátov je poskytovať mechanickú podložku a elektrickú izoláciu pre
hrubovrstvové hybridné štruktúry. Pri návrhu hrubovrstvových štruktúr je potrebné vziať do
úvahy nasledovné parametre:
18
-
Relatívna permitivita εr, ktorá ovplyvňuje kapacitu spojenú s hrubovrstvovými
elementmi na substráte.
-
Elektrická pevnosť Ep: určuje prierazné napätie substrátu.
-
Stratový činiteľ tgδ: definuje elektrické straty v substráte, čo je dôležité hlavne pri
mikrovlnných a vysokofrekvenčných aplikáciách.
-
Merná tepelná vodivosť: determinuje tepelné vlastnosti substrátu. Vysoká tepelná
vodivosť je dôležitá pri tepelných senzoroch.
-
Koeficient teplotnej rozťažnosti: je hlavný faktor determinujúci kompatibilitu medzi
substrátom a komponentmi.
-
Vnútorný odpor Ri: určuje elektrickú izoláciu medzi obvodovými elementmi na
substráte.
-
Medzi vlastnosti substrátov, ktoré ovplyvňujú výrobný proces patria schopnosť znášať
vysoké teploty, mechanická odolnosť, hladkosť povrchu, minimálne zvlnenie,
kompatibilita s použitými materiálmi, nízka cena pri výrobe.
Tabu ka 2. Vlastnosti materiálov pre hrubovrstvovú technológiu
Vlastnos
ť
Tepelná vodivos (W/mK)
ť
AlN
Al2O3
BeO
SiC
Si3N4
LTCC
140 - 170
10 - 35
150 - 250
90
10 - 40
2-4
5,5
5,40
3,1
3,1
4,3
Koeficient teplotnej roz ažnosti 2,65
ť
-6
-1
pri 100°C (10 K )
Merný elektrický odpor (Ω
Ω/cm)
4,0.10 11
> 10 14
1013 - 1015
>5
10 9
10 14
Elektrická pevnos ( kV/mm)
15
> 10
10
0,7
16 - 20
8,5
Relatívna permitivita (1MHz)
8,9
9,7
6,7
40
6,1
1,5 - 8,0
Mechanická pevnos (MPa)
450
400
240
450
650 -1 300
190
ť
ť
19
2.8 Polymérna hrubovrstvová technológia ( Polymer Thick Film Technology – PTFT )
PTFT sú perspektívne sa rozvíjajúcimi technológiami pre realizáciu vodivých, rezistorových
a dielektrických vrstiev . Ako substrát je možné použiť štandardné typy dosiek plošných
spojov (DPS), keramiku a flexibilné fólie. Hlavným cieľom aplikácie PTFT je znížiť výrobné
náklady v porovnaní s vysokoteplotnou hrubovrstvovou technológiou a klasickými DPS.
Ekonomicky výhodná je realizácia vodivých prepojení na tej istej strane tuhého substrátu, ako
leptaný Cu motív, čo ušetrí plátované prekovenia na druhú stranu, resp. ďalšiu vrstvu.
Vývoj v tejto oblasti začal v polovici sedemdesiatych rokov realizáciou membránových
klávesníc a riadiacich panelov. Technologicky dospel natoľko, že aplikačný rozsah
polymérnych hrubých vrstiev sa rozšíril až do strategických oblastí, ako telekomunikácie
a armáda .
Podstatnými prednos ami PTFT sú:
-
nízka výrobná cena, jednoduché výrobné procesy a vysoká výrobná kapacita
-
integrované rezistory a potenciometrové dráhy
-
PTF prekoveniami možno nahradiť nákladnejšie štandardné prekovené otvory
-
uhlíkovými vrstvami možno nahradiť drahšie zlaté vrstvy pre klávesnice
-
použiteľnosť pre opravy a modifikácie štandardných DPS
Obmedzeniami a nedostatkami PTFT sú:
-
použiteľnosť v prostrediach s teplotným rozsahom obmedzeným na -40 +80 °C
-
obmedzená zložitosť motívov, spájkovateľnosť a výkonová zaťažiteľnosť
-
približne 20 - násobne vyšší odpor vodivých dráh než u medených plátovaných
motívov
-
nerovnomerná vodivosť a nižšia reprodukovateľnosť parametrov
Uvedené vlastnosti a možnosti determinujú aplikačný rozsah PTFT, no uvedené prednosti ich
postavili do úspešnej pozície na trhu, pričom vývoj prináša ich stále širšie využitie .
20
Polymérne pasty
Existujú 2 základné skupiny pást, ktoré sa líšia spôsobom sušenia alebo vytvrdzovania:
1.
Pasty zasušované alebo vytvrdzované teplom: Obsahujú také typy živíc ako
je bisfenol – A, živice epoxidové, novolakové, fenolické, polyesterové, alkydové.
2.
UV trvdite né živice: Sú to takmer výlučne estery kyseliny akrylovej
a metakrylovej s rôznymi polyglykolmi, polyetermi, epoxidmi. Podľa výberu hlavného
reťazca živice možno dosiahnuť rôzny stupeň pružnosti, tvrdosti a odolnosti,
priľnavosti alebo rýchlosti vytvrdzovania.
Polymérne pasty sú zložené z pigmentov, rozpúšťadiel, plnív a ďalších prísad. Úlohou živíc
v paste je pôsobiť ako pojidlo pigmentov, plnidiel a ostatných aditív, tvoriacich súvislú vrstvu
na substráte. Dôležitou vlastnosťou polymérnych pást je ich priľnavosť ku podložke.
Rozpúš adla a riedidlá:
Väčšina živíc, ktoré sa používajú v oblasti polymérnych pást, má vysokú viskozitu. Preto
musí byť ich viskozita upravovaná. UV vytvrdzované pasty neobsahujú prchavé rozpúšťadlá.
Viskozita sa upravuje riedidlami z makromolekulárnych akrylátov alebo metakrylových
esterov. Tie, na rozdiel od rozpúšťadiel neunikajú, ale ostávajú v paste, kde sa zosieťujú so
živicou.
Plnivá:
Takmer všetky pasty obsahujú plnivá. Najčastejšie sa používajú inertné anorganické prášky
a to buď syntetické, ako je napr. kremík alebo prírodné, ako je napr. síran bárnatý a pod.
Používajú sa pre úpravu reológie pást na rôzne stupne tixotrópie. Tiež sa používajú na úpravu
povrchu pást od lesklých povrchov až po matné.
alšie prísady:
Pre ďalšie úpravy sa používa rad prísad, ktorými sa ovplyvňuje tekutosť, adhézia,
fotocitlivosť alebo tvrditeľnosť.
21
Vytvrdzovanie a sušenie:
Po sieťotlači sa pasta zosušuje rôznymi spôsobmi. Najjednoduchšie je odparenie rozpúšťadiel
z mokrej vrstvy, ktoré sa uskutočňuje buď pri normálnej teplote alebo zrýchlene, pri zvýšenej
teplote, obvykle 80 – 90°C, pričom je potrebné dbať na dostatočnú cirkuláciu vzduchu, aby
proces prebiehal dostatočne rýchlo. Výsledkom je zasušená pasta, ktorá sa ešte dá zo substrátu
odstrániť riedidlom (pri opravách). Potom nasleduje obvykle vytvrdzovanie na báze
chemického vytvrdzovacieho princípu, ktorý prebieha obvykle pri zvýšenej teplote.
Vytvrdzovací systém môže byť podľa požiadaviek aplikácie jednozložkový alebo
dvojzložkový.
UV vytrdzovacie systémy používajú pre iniciáciu reakcie vytvrdzovania svetlo o vlnovej
dĺžke 250 až 400 nm. Svetlo je absorbované fotoiniciátormi v paste. Fotoiniciátory sa delia
a produkujú voľné radikály. Tie reagujú s UV živicou a vyvolávajú reťazovú reakciu, ktorá
zosieťuje živicu a monoméry. Reakcia je veľmi rýchla, obvykle prebieha len niekoľko
sekúnd. Hlavnou výhodou UV tvrditeľných pást je obmedzené prenikanie UV žiarenia do
pasty. Preto sa tieto pasty používajú obvykle ako rezisty odolné voči leptaniu a pre
nespájkové masky pri výrobe DsPS.
V hrubovrstvovej technológii sa využíva systém stabilizácie vrstvy teplom a tiež UV
žiarením. Boli vyvinuté svetlocitlivé pasty, u ktorých sa diferenciácia obvykle robí expozíciou
cez matricu a vyvolaním. Typickým predstaviteľom svetlocitlivej polymérnej pasty je
materiál na báze FODELu
FODEL

Tvorba motívov pomocou fotocitlivých hrubých vrstiev je progresívna metóda tvorby
jemných vodivých dráh, spájkovacích plôšok a otvorov v dielektrickej vrstve vytvorených pre
prepájacie vertikálne cesty (vias) medzi dvoma vodivými vrstvami vo viacvrstvovej štruktúre
s veľkou hustotou prepojení. Jeden z najnovších progresívnych fotocitlivých materiálov je
materiál Fodel®. (ochranná známka fotocitlivej pasty, firmy DuPont). Procesy, ktoré
prebiehajú pri spracovávaní materiálu Fodel zvyšujú rozlišovaciu schopnosť čiara/medzera
22
porovnateľne s tenkými vrstvami. Materiál Fodel® obsahuje buď kompozíciu zlatých
a strieborných vodičov alebo kompatibilný dielektrický materiál.
UV svetlo
Sieť otlač
Sušenie
Exponovanie
Vyvolávanie
Výpal
Obr.16. Schéma spracovania fotocitlivých hrubých vrstiev[1]
PTF vodivé materiály: Obvyklými plnivami vodivých pást sú Ag, Cu a Ni.
Najpoužívanejšie, striebro, má plošný odpor 20-70 mΩ/□, poskytuje dobrý kontakt s Cu
fóliou, aj v prípade miernej povrchovej oxidovanácie, pasty na báze Ag nie sú priamo
spájkovateľné. Pasty na báze Cu sú priamo spájkovateľné, avšak ľahko oxidujú pôsobením
zvýšenej teploty. Pasty na báze Ni sú dobre spájkovateľné, majú dobrú stabilitu, ale značne
nižšiu vodivosť.
PTF uhlíkové materiály:
Využitie uhlíkových materiálov a ich zmesí s Ag je najmä pri
realizácii kontaktných klávesníc (a), kontaktov LCD cez vodivý elastomér (b), dráh
potenciometrov (c) .
23
Obr.17 Použitie uhlíkových vrstiev pre kontakty klávesníc, LCD a pre potenciometrové
dráhy
Uhlíkové vrstvy vo všeobecnosti nevyžadujú dielektrickú izoláciu, avšak PTF rezistory by
mali byť chránené pre zabezpečenie ich stability.
PTF dielektrické materiály: Hlavné funkcie dielektríktrických materiálov:
-
nespájkovateľná maska pre DPS technológie
-
dielektrická izolácia medzi vodivými vrstvami na tuhých i flexibilných substrátoch
-
zabezpečenie elektrickej pevnosti štruktúry
Vrchná, krycia dielektrická vrstva slúži súčasne ako nespájkovateľná maska.
Pre minimalizáciu rizika vzniku mikroskopických kanálikov v nanesenej dielektrickej vrstve
sa zvyčajne nanášajú dvojmo, pričom smery tlače sú navzájom kolmé. Hrúbka vrstvy býva
obvykle 30 - 50 µm, minimálne 20 µm . Pre rovnomernú a dostatočnú izolačnú pevnosť PTF
izolácie je kritická intenzita elektrického poľa okolo 40 kV/mm a izolačný odpor 1012 - 1013 Ω
.
24
Obr..18 Dvojvrstvový PTF vodivý motív s dielektrickou izolačnou maskou
Substráty pre polymernú technológiu
Ako tuhé substráty sa používajú tie isté materiály, ako pre klasické DPS. Pre realizáciu
flexibilných štruktúr ako membránové klávesnice sa používa polyester, polykarbonát,
polyethersulfon a polyimid.
2.10 Oblasti použitia polymérnych hrubovrstvových technológií
PTFT nachádzajú využitie najmä v oblasti realizácie dotykových panelov a membránových
klávesníc, kombinovaných DPS technológií pri výrobe DPS-PTF hybridných modulov a pod.
Výskum a vývoj v tejto oblasti priniesol mnoho zmien a vylepšení základných materiálov i
dizajnu realizovaných modulov.
25
Literatúra:
[1] Process Guidelines for Fodel on Green Tape, DuPont Microcitcuit Materials
This Module is part of:
Funded by:
26
Download

1 Modul 3 – Vrstvové technológie Na substrát z izolačného