李建輝, 沐方清, 吳建利

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，安徽 合肥 230088；2.微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC)技術(shù)集多層布線技術(shù)、厚膜技術(shù)及多層共燒技術(shù)于一體，可以與導(dǎo)體布線、互連通孔、電極、電阻等一次燒成，既提高組裝密度，又簡(jiǎn)化工藝，是電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、多功能和高可靠性的較有效的技術(shù)途徑，在航天、航空、雷達(dá)、通信、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。

電阻(器)是電子產(chǎn)品中應(yīng)用較多的重要元件，表貼分立電阻無(wú)疑將占用基板表面許多空間。在LTCC基板上將電阻做成厚膜電阻成膜在基板表面或埋置于基板內(nèi)部，可以節(jié)約基板表面面積；并且由于厚膜電阻不需焊接，減少了組裝工序，電阻可靠性得到提高；埋置電阻還可縮短信號(hào)傳輸距離，信號(hào)延遲減小，產(chǎn)品性能得到提高[3-4]。但制作厚膜電阻時(shí)，影響電阻電性能(特別是阻值)的因素較多，漿料組分、制備工藝、成膜工藝以及燒結(jié)工藝均對(duì)電阻性能有重要的影響[5]。LTCC厚膜電阻是在生瓷片上印刷電阻漿料再疊壓燒結(jié)形成的，生瓷片是柔性的非致密生料片，不如常規(guī)熟瓷基板表面平整致密，其膜厚控制也不如在熟瓷表面成熟。對(duì)LTCC埋置電阻來(lái)說(shuō)，一般是不能調(diào)阻；對(duì)LTCC表面電阻來(lái)說(shuō)，有的也不能調(diào)阻，如形成回路的功分電阻。因此，印制LTCC厚膜電阻也帶來(lái)一定的阻值命中難度問(wèn)題。有不少學(xué)者對(duì)厚膜電阻及其精度問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]根據(jù)所使用的厚膜電阻漿料的不同對(duì)厚膜電阻印刷膜厚控制范圍進(jìn)行調(diào)整。文獻(xiàn)[7]研究了LTCC印刷、層壓和燒結(jié)等工藝對(duì)埋置電阻方阻的影響；文獻(xiàn)[8]研究了內(nèi)埋電阻在不同印刷工藝作用下方阻隨電阻長(zhǎng)寬比的變化；文獻(xiàn)[9]采用激光修調(diào)法對(duì)LTCC內(nèi)埋電阻進(jìn)行更精確控制，提到綜合各位置區(qū)域的平均值，因電阻尺寸引起的膜厚差異波動(dòng)百分比平均約為7.01%。雖然不少文章提到印刷及電阻尺寸對(duì)印制膜厚有影響，但鮮有對(duì)電阻尺寸影響及影響原因進(jìn)行深入分析。本文通過(guò)在LTCC基板中制作不同尺寸的厚膜電阻，分析研究了LTCC厚膜電阻尺寸對(duì)印制膜厚和阻值的影響，提出了提高LTCC厚膜電阻命中率的方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

厚膜電阻器的物理模型見(jiàn)圖1所示。

圖1 厚膜電阻示意圖

厚膜電阻器的阻值可以表示為

(1)

電阻率則可表示為

(2)

式中：ρ為電阻材料的電阻率；L為電阻長(zhǎng)度，mm；W為電阻寬度，mm；d為電阻的膜層厚度，mm；R□為方阻，Ω/□；d與絲網(wǎng)線徑、乳膠厚度、刮板壓力、刮板速度、電阻漿料粘度等有關(guān)。

LTCC基板采用Ferro A6M生瓷帶制作，電阻漿料為FX 87-101系列，所用電極為金導(dǎo)體漿料。設(shè)計(jì)厚膜電阻尺寸包括寬度為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm四種，電阻方數(shù)有0.5□、1□、2 □和3 □，厚膜電阻樣品設(shè)計(jì)如圖2所示。圖2中1～4號(hào)電阻為0.5□；5～8和9～12號(hào)電阻均為1□，但9～12號(hào)電阻橫排；13～16號(hào)電阻為2□；17～19號(hào)電阻為3□。除9～12號(hào)電阻橫排外，其余電阻均為縱排。網(wǎng)版采用325目不銹鋼絲網(wǎng)，絲徑28 μm，孔徑50 μm，紗厚53 μm，開(kāi)孔率41%，乳膠厚度為15 μm。生瓷帶通過(guò)生瓷切片、打孔、填孔、印制、疊壓和燒結(jié)而成LTCC基板?；鍩Y(jié)峰溫為850 ℃，燒結(jié)周期約12 h。LTCC基板中厚膜電阻制作工藝流程如圖3所示。采用CyberScanCobra500濕膜測(cè)厚儀按厚膜電阻序號(hào)順序測(cè)量電阻長(zhǎng)度方向中部斷面膜層厚度；采用數(shù)字繁用表測(cè)量厚膜電阻阻值。

圖2 厚膜電阻樣品設(shè)計(jì)圖

圖3 LTCC厚膜電阻樣品工藝流程

2 結(jié)果與分析

2.1 電阻尺寸對(duì)印制電阻膜厚的影響

按照?qǐng)D2電阻設(shè)計(jì)，在LTCC生瓷片表面，用同一個(gè)印刷網(wǎng)版、同一標(biāo)稱(chēng)值100 Ω/□的電阻漿料，印制不同尺寸的電阻，測(cè)試了電阻印刷后的濕膜厚度、干膜厚度和基板燒結(jié)后電阻器的阻值，結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 電阻尺寸對(duì)印制電阻膜厚的影響

由表1可知，用同一標(biāo)稱(chēng)值的電阻漿料印制的不同尺寸的電阻，所印制的電阻膜厚不一樣。圖4為不同尺寸電阻所印制膜層的烘干膜厚趨勢(shì)圖。從圖表可見(jiàn)，電阻尺寸越小，所印制電阻濕膜膜層越厚，烘干膜層也越厚；反之，電阻尺寸越大，所印制電阻濕膜膜層越薄。寬度為0.5 mm的0.5□、1□、2□的電阻其干膜厚度均>30 μm。當(dāng)電阻寬度≥1 mm并且長(zhǎng)度≥1 mm時(shí)，厚度下降明顯；當(dāng)電阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm后，膜厚下降減緩。1 □縱向排列的電阻膜厚與橫向排列的電阻膜厚相比沒(méi)有明顯差別，前者比后者(刮印方向)僅厚0.7 μm～1.8 μm(約3%～7%)。

圖4 不同電阻尺寸所對(duì)應(yīng)的印制電阻干膜厚

從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，1～4號(hào)電阻烘干膜厚與濕膜膜厚的比率約為2/3，后面電阻烘干膜厚與濕膜膜厚的比率總體呈逐漸增大趨勢(shì)。這可能與測(cè)量時(shí)間先后有關(guān)。電阻漿料含有一定比率的有機(jī)溶劑等有機(jī)載體；生瓷片內(nèi)含有有機(jī)粘結(jié)劑等有機(jī)物，結(jié)構(gòu)并不致密[10]。當(dāng)漿料印制在LTCC生瓷片上時(shí)，漿料中的一些有機(jī)溶劑等有機(jī)載體可通過(guò)與生瓷片接觸的界面而進(jìn)入生瓷片中。另外，漿料中還有低熔點(diǎn)易揮發(fā)的有機(jī)物。測(cè)試厚膜電阻濕膜時(shí)，需要在濕膜測(cè)厚儀下對(duì)位、掃描和選線測(cè)量，所有電阻并非均能在印刷后第一時(shí)間進(jìn)行掃描，而是有先后順序。隨著時(shí)間增加，漿料中滲入生瓷片中的有機(jī)物和揮發(fā)的有機(jī)物不斷增加，漿料中有機(jī)成分便減少，濕膜有變干趨勢(shì)，所測(cè)試的厚膜電阻濕膜厚度便下降。因此，測(cè)定濕膜厚度只能反映印刷后第一時(shí)間所測(cè)電阻的真實(shí)濕膜厚，后面所測(cè)濕膜厚度則偏小。雖然同一生瓷片上不同時(shí)間測(cè)量的濕膜厚度有變化，但可根據(jù)第一時(shí)間測(cè)量的濕膜厚度來(lái)調(diào)整印制參數(shù)，在一定范圍內(nèi)改變所印膜層厚度，提高工作效率。烘干膜厚則比較穩(wěn)定，排除了測(cè)量時(shí)間先后的影響。

電阻印刷過(guò)程中，漿料通過(guò)絲網(wǎng)孔印刷到生瓷片上，在生瓷片上鋪展、流平。根據(jù)絲網(wǎng)印刷膜厚傳統(tǒng)計(jì)算方法[11-12]，電阻濕膜厚度=絲網(wǎng)厚度(加上乳膠厚度)×開(kāi)孔率。絲網(wǎng)印刷漿料膜層形成圖如圖5所示。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所用印制網(wǎng)版參數(shù)，計(jì)算得濕膜厚度=(53 μm+15 μm)×41%=27.88 μm。而烘干膜厚約為濕膜膜厚2/3，因此計(jì)算得到烘干膜厚為18.6 μm。該數(shù)值僅與尺寸較大的16號(hào)和19號(hào)電阻烘干膜厚相近，其他尺寸電阻膜厚均比計(jì)算值18.6 μm大，小尺寸電阻膜層厚度普遍較大，與計(jì)算值相差較多。

圖5 絲網(wǎng)印刷漿料膜層形成圖

對(duì)于小尺寸的厚膜電阻，作者認(rèn)為不能用常規(guī)的絲網(wǎng)印刷膜厚計(jì)算方法計(jì)算膜厚，應(yīng)考慮絲網(wǎng)下的空間。漿料印刷時(shí)粘度降低，處于流動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)能力與漿料所受刮板壓力、印刷速度、漿料粘度及絲網(wǎng)下空間大小等因素有關(guān)。

厚膜電阻印制時(shí)，為了對(duì)位方便，一般先印制電極，電極烘干后再印制電阻。印制電阻時(shí)，漿料受壓力作用進(jìn)入絲網(wǎng)并處于流動(dòng)狀態(tài)，只要有自由空間漿料就可流過(guò)去，直到推力和流動(dòng)阻力平衡或受力消去才停止流動(dòng)。因此，對(duì)于小尺寸電阻，印刷時(shí)其濕膜厚度應(yīng)是電極厚度、乳膠厚度和絲網(wǎng)開(kāi)孔透過(guò)漿料所形成膜層的總和，如圖6所示。圖6中，電極厚度為15 μm，乳膠厚度為15 μm，絲網(wǎng)厚度為53 μm，開(kāi)孔率為41%，計(jì)算得到小尺寸電阻的濕膜厚度約為34.5 μm，與1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、9號(hào)、13號(hào)等幾個(gè)尺寸≤1 mm×0.5 mm的小尺寸電阻膜厚實(shí)測(cè)值相近。其他尺寸電阻干膜厚則小于30 μm。1號(hào)、5號(hào)、9號(hào)電阻膜層比計(jì)算的膜層略大，可能是絲網(wǎng)乳膠與電極接觸不完全緊密，或電極與乳膠厚度之和超過(guò)30 μm所致?？梢?jiàn)，端頭電極和網(wǎng)版乳膠層對(duì)尺寸≤1 mm×0.5 mm的小尺寸電阻膜厚作用明顯。

圖6 小尺寸電阻絲網(wǎng)印刷漿料膜層形成圖

去掉端頭電極的厚度影響，按漿料在絲網(wǎng)下完全填充，濕膜厚度可簡(jiǎn)化為乳膠厚度和絲網(wǎng)開(kāi)孔透過(guò)漿料所形成膜層的總和，為36.7 μm，則干膜厚約為24.5 μm。表1中，除寬度為0.5 mm的電阻外，寬度為1.0 mm的2號(hào)、6號(hào)、10號(hào)電阻干膜厚比計(jì)算值還大，說(shuō)明漿料確實(shí)填滿了這幾個(gè)電阻絲網(wǎng)下的乳膠空間，可能電極厚度還起了部分作用。尺寸為2.0 mm×1.0 mm的14號(hào)、3.0 mm×1.0 mm的18號(hào)電阻干膜厚與計(jì)算值相當(dāng)或略小，可能由于長(zhǎng)度原因，電極厚度基本未對(duì)電阻中部膜厚起作用。

在印刷時(shí)，絲網(wǎng)在刮板的壓力下產(chǎn)生形變與基板接觸，漿料則在刮板壓力下通過(guò)刻有圖形的絲網(wǎng)(沒(méi)有乳膠的部位)漏印到生瓷片上。絲網(wǎng)是有一定彈性的，刮板也有一定的柔韌性，絲網(wǎng)受到印刷刮板和漿料的壓力后會(huì)發(fā)生彈性形變。離支撐越遠(yuǎn)，壓力作用更大，其形變也越大，絲網(wǎng)下降越多，故所印刷的電阻區(qū)可容納的漿料便減少，膜層便變薄。電極僅在電阻端頭存在，乳膠則在電阻周邊均存在。電阻較長(zhǎng)時(shí)，在電阻中部，在印刷刮板壓力作用下端頭電極抬高絲網(wǎng)的作用也就不明顯了，此時(shí)，主要乳膠層起支撐作用；而當(dāng)電阻尺寸增大后，乳膠支撐的絲網(wǎng)也會(huì)因受力而變形，如圖7所示。這時(shí)電阻的濕膜厚度若按傳統(tǒng)方法計(jì)算，即(絲網(wǎng)厚度+乳膠厚度)×開(kāi)孔率，其濕膜厚<27.88 μm，相當(dāng)于干膜厚度<18.6 μm。但實(shí)際電阻膜厚并沒(méi)有減小，可見(jiàn)，漿料印刷時(shí)并非形成圖5所示的絲網(wǎng)厚度+乳膠厚度的網(wǎng)孔漿料柱，而是絲網(wǎng)部分形成網(wǎng)孔漿料柱，絲網(wǎng)下面漿料量與印刷時(shí)絲網(wǎng)下的空間大小有關(guān)。漿料在刮板壓力作用下不僅位于絲網(wǎng)孔下，還會(huì)向空余的周邊流淌，直至填滿。當(dāng)然，能否填滿絲網(wǎng)下空間與刮板壓力、印刷速度、漿料粘度等印刷參數(shù)有關(guān)。因此，盡管絲網(wǎng)下降，乳膠厚度作用減弱，但膜層厚度仍可大于濕膜傳統(tǒng)計(jì)算厚度。

圖7 絲網(wǎng)印制示意圖

當(dāng)所印制的電阻面積大于一定尺寸時(shí)，中部絲網(wǎng)因受壓力形變甚至直接與生瓷片接觸，這時(shí)所形成的膜層很薄，與邊緣乳膠厚度關(guān)系不大。文獻(xiàn)[13]提到，對(duì)于線寬大于3 mm的印制線條，乳膠對(duì)膜層厚度基本不起作用。

2.2 電阻尺寸對(duì)印制電阻方阻的影響

在LTCC基板上同時(shí)印制不同大小的厚膜電阻，電阻尺寸對(duì)厚膜電阻方阻的影響見(jiàn)表1和圖8所示。由圖8可見(jiàn)，在同為縱向排列、相同方數(shù)情況下，電阻尺寸越小，方阻越低；尺寸越大，方阻越高。最大方阻比最小方阻大了近一倍。這一現(xiàn)象通過(guò)式(1)和表1可得到解釋。電阻尺寸越小，所印制的膜層越厚，因此阻值越小。由圖8還可見(jiàn)，寬度為0.5 mm的不同長(zhǎng)度的厚膜電阻，和長(zhǎng)度<1 mm的不同寬度的電阻，其方阻值均較低，在60 Ω/□附近，而電阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm及≥2 mm×1 mm的幾個(gè)不同方數(shù)的厚膜電阻其方阻值均在80 Ω/□以上。因此，在用同一生瓷片上，用相同標(biāo)稱(chēng)值的電阻漿料制作不同阻值的厚膜電阻時(shí)，電阻尺寸不能相差太大，特別電阻寬度不能相差太大，以免電阻命中率顧此失彼。

圖8 不同電阻尺寸所對(duì)應(yīng)厚膜電阻方阻

2.3 電阻尺寸對(duì)厚膜電阻電阻率的影響

由式(2)可知，電阻膜厚乘以方阻是厚膜電阻的電阻率。但式(2)中這一膜厚是燒結(jié)后電阻的厚度，這個(gè)厚度的數(shù)值需要將基板上電阻剖切后拋光才能較準(zhǔn)確得到，測(cè)試比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本研究將電阻燒結(jié)前的干膜厚度乘以燒結(jié)后的方阻值作為參考對(duì)象對(duì)電阻進(jìn)行判研。姑且把電阻干膜厚度乘以方阻稱(chēng)為“名義電阻率”，表2和圖9分別列出了不同尺寸電阻的“名義電阻率”和散點(diǎn)圖。由圖9可見(jiàn)，所印制電阻的“名義電阻率”在1 700 Ω·μm～2 040 Ω·μm 之間，該批不同尺寸厚膜電阻的“名義電阻率”的平均值為1 887.64 Ω·μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為92.75 Ω·μm，約為平均值的4.91%，相對(duì)較小。雖然不同電阻尺寸對(duì)厚膜電阻方阻有較大影響，電阻干膜厚的測(cè)試結(jié)果因選擇測(cè)試部位不同和操作方式不同也存在一定差別，但電阻尺寸對(duì)“名義電阻率”的影響幅度不是很大。這也在一定程度上證明，厚膜電阻的電阻率或“名義電阻率”是厚膜漿料的本征材料屬性，與電阻圖形尺寸或印制工藝的關(guān)聯(lián)度很小。因此，在厚膜電阻尺寸按方阻與尺寸間關(guān)系(類(lèi)似于圖8所示)而設(shè)計(jì)確定了的前提下，控制好厚膜電阻的干膜厚度就能提高阻值命中率。

表2 不同尺寸電阻的“名義電阻率”

圖9 不同尺寸電阻的“名義電阻率”

3 結(jié) 語(yǔ)

同一印刷網(wǎng)版印制不同尺寸的厚膜電阻，電阻尺寸越小，所印制電阻濕膜膜層越厚，烘干膜層也越厚。隨濕膜厚度測(cè)量先后時(shí)間不同，濕膜有變干趨勢(shì)，厚度下降，干膜厚/濕膜厚隨時(shí)間增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

當(dāng)厚膜電阻尺寸≤1.0 mm×0.5 mm時(shí)，電阻的端頭電極和網(wǎng)版乳膠層對(duì)印制膜厚作用明顯，電阻干膜較厚，方阻較低；當(dāng)電阻尺寸≥1.0 mm×1.0 mm時(shí)，厚膜電阻的端頭電極對(duì)印制膜厚作用明顯減弱，電阻干膜厚度下降明顯；當(dāng)電阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm后，膜厚下降減緩，方阻較高，端頭電極對(duì)印制膜厚作用很小，乳膠厚度對(duì)印制膜厚作用亦減弱。

不同尺寸厚膜電阻的阻值與電阻干膜厚之間基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，電阻燒結(jié)前的干膜厚度乘以燒結(jié)后的方阻值近似為一個(gè)具有較小標(biāo)準(zhǔn)偏差的常數(shù)。