薄膜&厚膜技术原理与工艺改进

厚膜与薄膜技术

相对于三维块体材料，所谓膜，因其厚度及尺寸比较小，一般来说可以看做是物质的二维形态。利用轧制、捶打、碾压等制作方法的为厚膜，厚膜（自立膜）不需要基体、可独立成立；由膜的构成物堆积而成的为薄膜，薄膜（包覆膜）只能依附在基体之上。

膜的主要功能分为三种：电气连接、元件搭载、表面改性。

①电气连接

电路板及膜与基板互为一体，元器件搭载在基板上达到与导体端子相互连接。

②元件搭载

不论采用引线键合还是倒装片方式，芯片装载在封装基板上需要焊接盘。而元器件搭载在基板上，不论采用DIP还是SMT方式都依赖导体端子，其中焊接盘和导体端子都是膜电路重要的部分。

③表面改性

通过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、抗腐蚀性、耐高温性等等。

薄膜技术介绍

一、薄膜材料

1.导体薄膜主要用于形成电路图形，为半导体芯片、元件、电阻、电容等电路搭载部件提供金属化及相互引线。值得注意的是，成膜后造成膜异常的原因包括：严重的热适配导致应力过剩，膜层的剥离导致电路断线；物质物理性质的原因，如热扩散、电迁移、反应扩散等。

2.介质薄膜因其优良的电学性、机械电性及光学电性在电子元器件、光学器件、机械器件等领域具有较大应用。其成膜方法有MO、CVD、射频磁控溅射、粒子束溅射等。

3.电阻薄膜常用的制作方法有真空蒸镀、溅射镀膜、电镀、热分解等。

4.功能薄膜在传感器、太阳能电池、光集成电路、显示器、电子元器件等领域具有广泛的应用。

二、成膜方法

1.干膜。真空蒸镀原理为镀料在真空中加热、蒸发，蒸汽析出的原子及原子团在基板上形成薄膜；溅射镀膜原理为将放电气体导入真空，通过离子体中产生的正离子的加速轰击，使原子沉积在基板上；CVD指气态原料在化学反应下形成固体薄膜在基板上形成沉积的过程。

2.湿膜。依据电场反应，金属可在金属盐溶液中析出成膜。其中，电镀的还原能量由外部电源提供；化学镀利用添加还原剂的方法，促成分解成膜。湿膜的优点在于投资低、可依据基板材料大规模大批量成膜，但缺点在于成膜过程中对环境纯净度具有较高的要求，杂质较多的环境对成膜的质量有很大的影响。

三、电路图形的成型方法

1.填平法。将光刻胶涂敷或将光刻胶干膜贴附在基板表面，形成“负”的图形，在槽中沉积金属膜层，将其填平，最后将残留的光刻胶剥离。其中，正胶在曝光后可溶，但负胶在曝光后不可溶。填平法具有容易混入气泡的缺点。

2.蚀刻法包括化学蚀刻和薄膜光刻两种方法。湿法蚀刻是指在基板表面覆上印刷电路所需的浆料，经烧成后，涂胶，掩膜曝光，去除光刻胶，最后通过有机溶剂去掉不需要的电极材料；干法蚀刻利用磁控溅射、真空蒸镀在基板表面形成薄膜，在光刻下制成电路图型，干法的膜厚精确可控制、图形精细度高，但是工艺难度大、设备投资较大。

3.掩膜法。利用机械或光刻的方法制成“正”掩膜，并加以定位，再由真空蒸镀方法成膜，在基板表面形成所需的电路图形。掩膜法的图形精度较高、工艺程序少，但需要预先制作掩膜。

4.喷砂法。在基板的整个表面形成膜，并在基板表面形成光刻胶图形，利用喷砂去掉多余的部分，经过剥离光刻胶后便能得到需要的电路图形，值得注意的是，喷砂过程中会产生灰尘。

厚膜技术介绍

一、基本原理

厚膜技术主要是指用丝网印刷的方法将导体浆料、电阻浆料或介质浆料等材料转移到陶瓷基板上，这些材料经过高温烧成后，会在陶瓷电路板上形成粘附牢固的膜。重复多次后，就会形成多层互连结构的包含电阻或电容的电路。

二、工艺流程

厚膜印刷的流程大致分为：设计制作菲林，出片打样，制作PS板，调油漆，上机印刷，磨光，裱纸，粘盒，检验，出货。

三、厚膜浆料

厚膜浆料主要由功能相、粘结相和载体三部分组成。

根据不同情况，功能相的材料也是有所区别的：作为导体浆料，功能相多为贵金属或贵金属混合物；作为电阻浆料，功能相多为导电性金属氧化物；作为介质，功能相多为玻璃或陶瓷。功能相决定了成膜后的电性能和机械性能，因此材料要求严格。粘结相多为玻璃、金属氧化物及玻璃和金属氧化物的结合，顾名思义，粘结相的作用就是把烧结膜粘结到基板上。不同于功能相和粘结相的粉末状态，载体是液态、是聚合物在有机溶剂中的溶液，其影响着厚膜的工艺特性，常作为印刷膜和干燥膜的临时粘结剂。

四、丝印工艺

随着电子电气行业微型化发展，要求厚膜电路组装密度以及布线的密度不断地提高，要求导体线条更细，线间距更窄。

目前最常用的工艺分为三种：1.采用高网孔率丝网。此工艺下线径会更细、目数更高、丝网的开口率更高、细线不易断线等特点。2.光刻或光致成图技术。先烧结成膜，再光刻成图工艺的材料通常有有机金浆、薄印金及无玻璃导体等；先光刻后成膜所采用的浆料因其具有光敏性，可以在经过曝光、显影后直接成图，省去了光刻胶步骤，且能够提高导体线条的精度。3.微机控制的直接描绘技术。此技术主要是在CAD上进行设计，然后直接在基板上描出厚膜图形，无需制版、制网，且该工艺下布线的线宽和间距可以精确控制，适合小批量和多品种的生产。

五、印后加工

1.摊平。印刷后，零件需要放置5-15分钟左右。这样可以使丝网筛孔的痕迹消失；同时，印刷后的印刷膜粘度仍然比较低，需要在摊平处理后达到较高的粘度。

2.干燥处理。摊平后，零件需要在70～150℃的温度范围下强制干燥15分钟左右。干燥处理对干燥设备、抽风系统、环境洁净度、干燥速率控制等具有较高的要求。

3.烧制。烧制的温度在650-670℃之间，在烧制过程中要随时调整炉温，保持浆料烧结的温度。

4.调整。通过向电路板喷砂或激光调整，对电阻值进行调整。

5.包封。大致的工艺完成后要进行包封对内接元件进行保护。

厚膜技术的进化

随着电子电气行业微型化发展，要求厚膜电路组装密度以及布线的密度不断地提高，导体线条更细，线间距更窄。但由于丝网印刷的特性，一般无法实现小于50微米（2mil）的图案，量产的实际水平多数在100um（4mil）以上。厚膜技术的高精度化，如何用厚膜技术实际50um（2mil）以下的超细布线，已成为极为关键的工艺技术进化节点。

为实现更高的精度，目前最常用的工艺分为三种：

1.厚膜印刷工艺：采用高网孔率丝网。此工艺的线径会更细、目数更高、丝网的开口率更高、细线不易断线。

2.厚膜光刻工艺：通过光刻或光致成图技术。先烧结成膜，再光刻成图工艺的材料通常有有机银浆、薄印银及无玻璃导体等；先光刻后成膜所采用的浆料因其具有光敏性，可以在经过曝光、显影后直接成图，省去了光刻胶步骤，且能够提高导体线条的精度。Thick Film Lithography就是此工艺，也是目前实际在规模化量产的高精度厚膜烧结工艺技术。

3.厚膜直接描绘技术：此技术主要是在CAD上进行设计，然后直接在基板上描出厚膜图形，无需制版、制网，且该工艺下布线的线宽和间距可以精确控制，适合小批量和多品种的生产。

一、厚膜光刻技术

厚膜光刻技术是将光刻技术应用于传统的厚膜工艺。与传统的厚膜工艺相比，该技术使图案能够形成更精细的分辨、更高精度和平整性，并且与薄膜相比，可以达到同样的封装密度水平。

厚膜光刻主要有感光性浆料法和厚膜蚀刻法。

1.感光性浆料法

感光性电极浆料主要是由银粉、感光性树脂溶剂、粘合剂、分散剂、稳定剂等按一定比例调和而成。工艺步骤是：

①用印刷法将浆料整板均匀地涂在基板上，干燥；

②用紫外光进行曝光；

③用碱性水溶液显影；

④干燥、烧结。

这种工艺的特点是制作出的电极线质量好，线宽可做到小于50um。是目前已知的实现商业化应用的厚膜光刻技术工艺，也是村田用于生产LTCC器件及电感器小型化的关键工艺。

▲ 感光性浆料法厚膜光刻

2.厚膜蚀刻法

这种方法与薄膜法几乎一样，只是将镀膜换成了印刷烧结。用印刷法整板印上银浆，烧结后涂上光刻胶，经过曝光、显影，形成抗蚀图，然后用一定浓度的硝酸溶液将图型外的材料腐蚀掉，最后去胶。由于银浆是在烧结后进行刻蚀的，因而不存在图形收缩问题，但整板烧结银浆，将产生应力；用浓硝酸作腐蚀液，环境污染大应考虑。

▲厚膜蚀刻法

二、厚膜光刻技术特点

1.技术优势

①高精度及高解析度

②极高的一致性

③优异的高温性工作性能

④制程简单流程短可控度高

⑤有极高的工艺灵活更适用于少量多品类市场

⑥工艺成本低，建设投入小

2.需要优化

在厚膜光刻工艺中对感光性浆料存在过度依赖，工艺能否实用化与相应材料的性能不可分割，材料的配套能力影响应用产品的商用化进程。

厚膜技术与薄膜技术的对比

一、工艺比较

二、基板材料

陶瓷材料具有稳定性高，机械强度高，导热性好，介电性好、绝缘性好，微波损耗低等特点，是极好的微波介质材料。薄膜及厚膜技术中可以使用的基板材料有氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅、石英等陶瓷类基板。

三、应用领域

薄膜技术的光学、电学、磁学、化学、力学及热学性质使其在反射涂层、减反涂层、光记录介质、绝缘薄膜、半导体器件、压电器件、磁记录介质、扩散阻挡层、防氧化、防腐蚀涂层、传感器、显微机械、光电器件热沉等方面具有广泛的应用，其中在光电子器件、薄膜敏感元件、固态传感器、薄膜电阻、电膜、电容、混合集成电路、太阳能电池、平板显示器、声表面波滤波器、磁头等的方面具有很大的应用。

厚膜技术因其高可靠性和高性能在汽车领域、消费电子、通信工程、医疗设备、航空航天中具有较多的应用，例如：开关稳压电源电路、视放电路、帧输出电路、电压设定电路、高压限制电路，飞行器的通信、电视、雷达、遥感和遥测系统，发电机电压调节器、电子点火器和燃油喷射系统，磁学与超导膜式器件、声表面波器件、膜式敏感器件等的应用。

总而言之，厚膜技术与薄膜技术在部分领域（例如：片式电阻）有一定的替代，但是厚膜技术由于成本、可靠性、高温性能等方面的优势，在很多产品的制造及相关工艺中无可替代，另外LTCC及HTCC等多层共烧结工艺中，无法应用薄膜技术。