1、第三章 厚膜沉积技术 本章主要介绍厚膜印刷工艺中所涉及到的一些具体问题。其中涉及厚膜材料的选择；厚膜浆料的特性与选择；丝网印刷过程中丝网、掩模、印刷等工艺；印刷中各外界因素对成膜特性的影响等。另外，还介绍了烘干、烧结等工艺过程。厚膜浆料的组成与特性 厚膜电路是在所需的陶瓷基片上，通过丝网印刷粘性浆料形式的导电的、电阻性的和绝缘的材料。将印刷的厚膜浆料烘干以去除易挥发的成分，并且暴露在高温下激活粘结机理，使厚膜粘附于基板上。利用这种方式，通过逐次沉积各层，可以形成多层之间互连结构，其中还可以包含集成的电阻、电容和电感。所有的厚膜浆料都有两个共同的一般特征：1.它们都是符合非牛顿流变学的粘性流体，
2、适合丝网印刷。牛顿流体的研究对象是水或气体等小分子流体，牛顿流体定律中的比例系数即粘度是一个不变的常数，这类流体称为“牛顿流体”。随着现代科学技术的发展，出现了大量新型流体，若套用牛顿流体公式，会发现它们的粘度不再是一个不变的常数，人们将这类流体称为“非牛顿流体”。例如，当我们在油漆家具或粉刷墙面时，希望涂层越均匀越平整越好。但在垂直面上要做到这一点并不容易。其实，油漆和涂料就是非牛顿流体，它们的粘度是可变的。我们选定油漆、涂料的配方时，可使油漆或涂料在涂刷时粘度很小，而一旦刷子离开，粘度又变得很大，不会自行下流。这样既涂刷省力又质量上乘。涂料的这种特殊性质，用术语就称为“触变性”。也就是说，
3、涂料或油漆这种非牛顿流体当有外力作用时粘度变得很小，没有外力时又变得很大，具有这种流变性能的流体称为“剪切变稀流体”。2.厚膜浆料都由两类不同的多组份相组成，一类相用于实现厚膜的电学和机械特性，一类载体相提供适当的流变性。厚膜浆料即为具有剪切变稀性质的非牛顿流体厚膜浆料即为具有剪切变稀性质的非牛顿流体 常规的厚膜浆料有四个主要成分：a.形成膜功能的有效成分b.提供基板与保持活性粒子悬浮状态的结合料之间粘结的粘结相c.提供合适的流体特性以适用于丝网印刷的有机粘合剂d.调节载体相粘性的溶剂或稀释剂a.有效成分 浆料中的有效成分决定了烧结厚膜的电学特性。若有效成分是金属，烧结厚膜将会是导体；若是导电
4、的金属氧化物，烧结膜将会是电阻；若是绝缘体，烧结膜将会是电介质。有效成分一般是颗粒尺寸在110微米之间的粉末，平均直径在5微米左右。颗粒的表面形貌可根据制作金属粒子方法不同有很大差别，球形、薄片状或圆形的颗粒均可由粉末制造工艺得到。必须严格控制粒子形态、尺寸和分布状态以保证烧结膜性能的均匀性。b.粘结成分 有两种主要的成分用于厚膜与基板的粘结：玻璃和金属氧化物，两者可以单独使用，也可以混合使用。采用玻璃或玻璃料作为粘结的成份的厚膜也称为玻璃釉材料。它有两种粘结机理，即化学反应和物理反应。在化学反应中，熔融的玻璃在一定程度上和基板上的玻璃相发生化学反应。在物理反应中，在基板不规则的表面流动，流入
5、孔和气孔中，紧缚在基板表面的细小露头上。总的粘结强度是两种因素的总和。在热循环过程中，物理结合比化学结合更易受影响而退化，在应力作用下先断裂。第二类材料利用金属氧化物提供和基板的粘结。纯金属如铜或镉和浆料混合并且与基片表面氧原子发生反应生成氧化物。烧结使膜层、氧化物和基板发生熔接。但是，金属氧化物的生成需要很高的温度(9501000摄氏度)，成为此方法一大缺陷。第三类材料同时利用氧化物和玻璃，典型的氧化物材料是ZnO或CaO,同时加入玻璃来增加粘结强度和降低反应温度。它结合了两种技术的优点，可在低温下烧结。c.有机粘合剂 有机粘合剂一般是触变流体，使用它有两个目的：在膜烧结前，使有效成份和粘结
6、成份保持悬浮状态，同时，在丝网印刷过程中使浆料具有合适的流体特性。有机粘合剂一般都是不挥发的有机物，它不蒸发，但在350摄氏度左右会开始燃烧。在烧结过程中粘结剂必须完全被氧化，才不会产生玷污表面的碳。用作有机粘合剂典型的材料是乙基纤维素和各种丙烯酸酯类。d.溶剂或稀释剂 有机粘合剂太稠，不能进行丝网印刷，还需加入溶剂和稀释剂。稀释剂要比粘合剂挥发性强，约100摄氏度以上就很快挥发。溶剂中还要加入增塑剂、表面活化剂和能改变浆料触变特性的触变剂以改善浆料性能和印刷特性。典型的稀释剂主要成分是松油醇、丁基卡必醇等醇类合成物。例.钯银导体浆料的典型配方固体微粒：导电相：Ag 56.4%,Pd 14.1
7、%粘结相：3%，硼硅玻璃 1.5%载体(25%)：有机粘合剂：乙基纤维素 溶剂：丁基卡必醇醋酸酯为了完成按配比加工，厚膜浆料的各组分按一定比例混合在一起并用三辊球磨机研磨足够长时间，以保证彻底的混合。目前，国外研究生产电子浆料的公司很多，领袖当属1802年创建的美国杜邦公司(Dupont).23Bi O厚膜材料的特性与选择一、厚膜导体材料厚膜导体中的导体材料分为贵金属和贱金属两大类。对于厚膜导体金属的要求主要有以下几点：1)电导率高,TCR小；2)与玻璃不发生反应，不向厚膜介电体及厚膜电阻体中扩散；3)与介电体及电阻体的相容性好；4)不发生迁移现象；5)可以焊接及引线键合;6)不发生焊接浸蚀；
8、7)耐热循环；8)资源丰富，价格便宜。选用导体时，通常要进行下述试验:1)测定电阻值(按需要有时也包括TCR)2)浸润性。测量导体膜上焊料液滴的展宽直径。3)耐焊料浸蚀性。将导体膜反复浸入焊料液体中，测量到明显发生浸蚀的浸入次数。4)迁移性。在导体图形间滴上水滴，并施加一定的电压，测量达到短路经过的时间。5)结合强度。在导体膜上焊接引线，沿垂直于膜面方向拉伸，测量拉断时的强度，确定破断位置，分析断面形貌结构等。6)热老化后的强度。焊接后，在150摄氏度下放置48小时，测量导线的结合强度等。下面介绍几种能较好满足上述要求的常用厚膜导体材料：a)AgAg浆料的最大优点是电导率高。焊接后的Ag厚膜导
9、体，随时间加长及温度上升，其与基板的附着强度下降。这是由于Ag与玻璃层间形成Ag-O键，以及与焊料扩散成分生成 所致。为了防止或减少 的发生，或者使Ag膜加厚，或者在Ag上电镀Ni.Ag的最大缺点是易化学迁移。这是由于Ag与基板表面吸附的水分相互作用，生成 AgOH，它不稳定，容易被氧化而析出Ag,从而引起Ag的迁移。为了抑制，一般要在浆料中添加pd或pt.3Ag Sn3Ag Snb)Ag-Pd 在Ag中添加Pd,当Pd/(Pd+Ag)0.1左右时，即可较好的抑制Ag的迁移。但当Pd的添加量较多时，会发生氧化生成PdO，不仅使导体焊接性能变差，而且造成电阻的增加。因此，Ag/Pd比一般控制在(
10、2.5:1)(4:1).最近，通过粒度控制，采用球形Ag颗粒，防止其凝聚等，使膜的导电性提高，由此开发出Ag/Pd为(5:1)(10:1)的制品。为提高Ag-Pd导体的焊接浸润性，以及导体与基板间的结合强度，需要添加 。在烧成过程中，部分 溶入玻璃中，在使玻璃的相对成分增加的同时，它与 基板发生如下反应：使膜的结合强度得到增大。23Bi O23Bi O23Al O2323232()Bi OAl OBi AlO 焊接时要对膜加热，加热时间增加，金属颗粒与玻璃成分之间分散的 ，会由于焊料的主要成分Sn向导体内部扩散，而发生还原反应：从而使膜的结合强度下降。故最近开发了许多不含Bi而采用其他玻璃粘结
11、剂的Pd-Ag浆料，特别是适用于 AlN陶瓷基片的浆料。23Bi O2322343Bi OSnBiSnOc)Cu 与贵金属相比，Cu具有很高的电导率，可焊接，耐迁移性，耐焊料浸蚀性都好，而且价格便宜。Cu在大气中烧结会氧化，需要在氮气气氛中烧结。在多层工艺中与介电体共烧时容易出现分层现象和微孔，由于烧结时缺氧，有机粘结剂等不能完全燃烧和排除，与分层一起造成绝缘性能的下降。Cu与 基片的界面处易生成 （偏铝酸铜）,影响膜与基片的结合强度和膜的导电性能。23Al O24Cu AlOd)Au 在金浆料中按膜与基片的结合方式分为玻璃粘结剂型、无玻璃粘结剂型、混合结合型三种。将Au与玻璃粉末分散于有机溶
12、剂中形成玻璃粘结剂型浆料，在烧结时玻璃易浮到膜层表面，对导电性及引线键合等都有影响。代替玻璃而加入 等，与基板反应，生成 （铝酸铜、铝酸镉）等化合物，成为导体膜与基板之间的界面。这种化合物和基板之间形成化学结合的形式，属于不用玻璃粘结剂的浆料，但生成化合物温度高是难点。因此，出现了加入玻璃及 等富于流动性的物质，使烧结温度降低的混合结合型浆料。2,TiO CuO CdO2424,CuAl O CdAl O23Bi O二、厚膜电阻材料 厚膜电阻器是由电阻浆料经印刷、烘干、烧结、微调等工序制成。到目前为止，已经发表了大量关于各类厚膜电阻体浆料的资料，这些浆料多以 ，添加Ta的SnO,炭黑，等为主导
13、电成分，经大气中烧成各种各样的厚膜电阻体。导电机制 烧成后的厚膜电阻材料的主要成分是导电相和粘结相。导电相起着电流通路的作用；粘结相则把导电相粘结于基片之上。23,PdAg Ti O2227,(,)xRuO M Ru OMBi Pb Al 图中可见烧成后的导电相成链状结构。粘结相电阻率很高，可看作是绝缘相。为了得到性能优良成品率高的厚膜电阻器，要求导电相在粘结相中均匀分布。为保证导电相在粘结相中均匀分散开来，在整个电阻材料中，导电相体积比应为30%左右。流过厚膜电阻中的电流，由各种串联和并联的导电链中流过的分路电流组成。以Pd-Ag电阻材料为例，其导电成分主要有：a.Pd-Ag合金固溶体(次要
14、)：Pd,Ag材料形成合金固溶体，合金内部的晶格畸变，对电子起散射作用；b.PbO相(主要)：烧结过程中，PdO晶格中往往吸收过量的氧，从而形 成 空位，为保持电中性，每一个 空位会引起两个 正电 中心，这是 失去一个电子所致，相当于 空格点上多一个空穴 ，形成P型半导体形式的导电机制。c.接触导电相(次要)：在导电链形成过程中，导电相有时不能很好的接触，有的颗粒间存在微小间隙或被很薄的粘结相隔开。PdPdPdPdPd 粒径对电气特性的影响(以 为例)a.当电阻体的组成比一定时，所用玻璃颗粒的粒径对阻值的影响如左图所示。可见，在高阻值端，粒径对阻值的影响极为显著，粒径越小，阻值越大。b.右图表
15、示 粒径对膜层电气性能的影响，粒径越小，阻值越小。采用小粒径的 及玻璃粉体制成的电阻体具有更小的电流噪声。2RuO2RuO2RuO三、厚膜介质材料 厚膜介电材料通常分为HK(高介电常数)材料和LK(低介电常数)材料两大类。前者介电常数K值在数百以上，主要用于厚膜电容器的介电层，后者的K值在以下，多用于表面钝化、交叉绝缘层、多层布线绝缘层以及低容量的电容器等。LK介电材料 为用于回路的多层化及回路保护，要求LK介电体与导体材料的相容性要好，隔绝外界环境的气密性要高，扩散要少，而且容易实现多层化。同时，布线导体使用Cu时，要适合在氮气气氛中烧成。为适应上述种种要求，开发了非晶玻璃(FG)和晶态玻璃
16、(CG)二类玻璃系列的LK介电材料。a.非晶玻璃系列的介电材料 回路保护用的钝化玻璃要求能在450600摄氏度下容易形成无针孔的膜层，且要求表面绝缘电阻高，与导体及其他元件不起反应，化学性能稳定等。一般采用PbO-ZnO系玻璃及PbO-等。当用于积层数较少的多层电路及交叉绝缘时，一般要在PbO-ZnO系及PbO-系玻璃中混入 ,MgO等填充物用以调整玻璃的热膨胀系数、机械强度、粘度、软化点、介电特性等。23B O23B O2SiO23B O23B O2SiO23Al O非晶玻璃介电体的缺点有：1.稳定性差。若采用厚膜印刷法实现多层化，则必然伴随着多次反复烧成，玻璃成分与填充物之间都会发生反应，
17、从而使介电体与基板之间的热膨胀系数匹配变差，随着积层数增加，可靠性下降；2.介电体的微细结构中易产生空洞(void).b.晶态玻璃系列的介电材料 晶态玻璃是在玻璃中加入Ti,Zr,Fe,V 等元素的氧化物、氟化物等作为形核剂而制取的。将原材料升温加热，达到某一温度，形成无数均匀的晶核，进一步升温，晶粒开始生长，从而形成晶态玻璃。晶态玻璃具有以下优点：1.机械强度高；2.基本上不发生气泡；3.气密性较好；4.热膨胀系数可控制；5.耐热性好；6.化学稳定性好，与导体基本上不发生化学反应。晶态玻璃中有几个基础玻璃系，经常使用的有以MgO-,CaO-为代表的铝硅酸玻璃；还有以PbO-ZnO-，为代表的
18、铅硼酸玻璃。23Al O2SiO23Al O2SiO23B O2323Bi OPbOB O HK介电材料 传统的HK介电材料为 玻璃，但其缺点是：烧成温度低，烧成时间短，不适宜共烧工艺；采用玻璃助烧剂时，又会引起介电常数的下降；烧成体为多孔质，耐湿性差。近年来仍继续以 为基进行开发，多采用使高介电常数 的成分Ba和Ti被Pb,Ca,Fe,W,Cu,Mg等置换构成钙钛矿结构介电体来改善性能。3BaTiO3BaTiO3BaTiO丝网印刷 一、印刷 所谓印刷是指将文章，图像，图案等通过机械手段大量复制的过程，其要素有原稿、版、油墨、印刷介质、印刷机等。将原稿制成版，版上放置油墨，利用印刷机，使油墨通
19、过版，将原稿逼真且高效率地再现在印刷介质上。印刷的种类根据版的形状有凸版、平版、凹版、孔版等几大类。凸版印刷是可进行活字排版的活版印刷，一般出版物多采用此法。版面上粘附油墨，将纸等印刷介质压于其上直接由版面到印刷介质实现印刷。下图是圆筒辊凸版印刷示意图。除此之外，凸版印刷中还有将印刷介质平压在平版面上的平压式，版面为圆筒状的轮转式等。平版印刷中，通过涂胶、带电、表面处理等，使被印刷的文字、图像、图案等与油墨、炭粉等产生特殊的亲和力，而后将纸等印刷介质压于其上进行印刷。胶版印刷就属于平版印刷的一种，图示的轮转式用的最多，版辊与压辊之间有一胶辊(转印辊)，将胶辊上转印的内容印刷在介质上。凹版印刷与
20、凸版印刷一样，要在版面上粘附油墨，不需要的油墨用布或纸擦除，仅在凹部留有油墨，然后将纸等印刷介质压于其上进行印刷。照相凹版印刷就属于此，要将过剩的油墨用刮板刮除。上述印刷方法尽管所用的版有所不同，但印刷时印刷介质要压在版上是共同的。压力大小因版的种类不同而异，凹版压力最大，胶版压力最小。二、丝网印刷法 在电子封装工程中，作为微细图形的印刷法，尽管有时也采用照相凹版印刷及胶版印刷，但实际应用最多的还是属于孔版印刷的丝网印刷法，其在厚膜印刷、印制线路板的蚀刻印刷、电镀阻挡掩模及焊料阻挡掩膜的形成、焊膏的印刷等方面是不可缺少的。l 起源 丝网印刷最早起源于中国，距今已有两千多年的历史了。早在秦汉时期
21、就出现了夹颉印花法。隋代大业年间，人们开始用绷有绢网的框子进行印花。到了宋代，改进了原来使用的油性涂料，开始在染料里加入淀粉类的胶粉，使其成为浆料进行印刷。l基本原理：现代丝网印刷技术，是利用感光材料通过照相制版的方法制作丝网印版(使丝网印版上电路部分丝网为通孔，而非电路部分的丝网孔被堵住)。印刷时通过刮板的挤压，使浆料通过电路部分的网孔转移到承印物上，形成与原稿一样的电路。厚膜浆料通过不锈钢丝网印刷到基板上，在设计工艺的时候，先产生1：1的每一层的掩膜图形，这些掩膜图形用来对涂有光敏材料或者乳胶的丝网进行曝光。光敏乳胶膜上没有黑色掩模保护的乳胶被紫外光硬化，受到保护的部分很容易被水洗去，从而
22、形成窗口。丝网印刷的过程如下图所示，其过程如下：a.丝网放置在丝网印刷机上，基板放置在丝网的正下方；b.浆料涂在丝网的上面；c.刮板刮过丝网的表面，在漏印网版的未开口部位由刮板以一定的压下量和速度刮送浆料；d.刮送的浆料在漏印网版的开口部位被压入填充；e.刮板刮过后，与基板紧贴的网版与基板脱离；f.浆料靠自身的粘结性附着在基板上，形成漏印图形，电路被转印到基板上。l丝网 丝网孔版是丝网印刷中主要采用的形式，它主要由绷于框架上的丝网和用于光刻图形的感光乳胶组成。a.丝网材料最早采用蚕丝，故称其为丝网印刷。随着新材料的出现，还采用尼龙、聚酯等树脂纤维以及不锈钢等金属纤维。不锈钢丝网强度高、伸缩小、
23、尺寸精度高，与其他丝网比可选用更细的丝径，丝网开口大，适合于更纤细的图案，浆料透过性最好，耐药品性强。因此，厚膜印刷主要采用不锈钢丝网。b.丝网的网格是由不锈钢丝或聚酯网丝编织成一大张长的薄网板，沿着网板长度的方向称为“经线”方向；沿着网板宽度的方向称为“纬度”方向。c.大多数厚膜印刷的网板都是编织成“平针”图案，每一根丝每次只是简单地上下交叉绕过一根丝。d.丝网上网眼的大小(疏密)用目表示，目代表了每英寸(25.4mm)长度上网眼数目：目数在经纬方向上是一样的。通常它在80线/英寸到400线/英寸之间变化，前者用于粗糙的印刷如焊膏，后者用于精细线条的印刷。开口长度即丝与丝之间的间隔，即使目数
24、相同，它也因丝径不同而异。开口长度大，浆料易透过，印刷性好，且网丝直径越细，图形的印刷精度(例如细线和微孔的分辨率，线条边缘的直线性等)越高，因而应选用目数高的细丝网。1()()()ininin目数丝径开口长度网目的测量：网目尺又称经纬密度仪，主要用于测量各种丝网的目数。测量时，首先使丝网处于透亮的状态下或放在看版台上，将网目尺放在丝网上，然后将网目尺慢慢移动，使网目尺上的竖线与丝网的经线或纬线平行，这时由于丝网经纬线和网目尺上的竖线产生重叠的效果，在网目尺上形成菱形花纹，花纹的横向对角所指的网目尺上对应的数字，即是所测的丝网目数。对于通常厚膜印刷用丝网来说，导体用对于通常厚膜印刷用丝网来说，
25、导体用300400目，目，电阻体用电阻体用200300目，介电体用目，介电体用200目左右。目左右。e.丝网开口大小 这个参数强烈地影响在印刷过程中浆料的印刷量，并限制了用于制作浆料的材料最大粒子尺寸。开口尺寸取决于目数和丝径：其中，O为开口尺寸，M为目数，D为丝的直径。()1/()O inMD in 在印刷过程中，浆料的转移量取决于丝网开口的体积，一般丝网的厚度等于丝径的两倍，丝网开口的体积可由下式估算：当D=1/M或0时，开口体积为0，开口的体积必然有一个 最大值。将上式展开对D求导，可求得开口尺寸为最大时 321()(2)()V inDDM13DMl 网框 选择网框的标准：1)网框必须具
26、有一定的强度。因为绷网时，丝网对网框产生一定的拉力和压力。这就要求网框耐压，不变形。2)在保证强度的条件下，网框尽量选择轻的，便于操作和使用。3)网框与丝网的粘接面要有一定的粗糙性，以加强丝网和网框的粘结力。4)网框要有一定的牢固性。网框要经常与水、溶剂接触，并受温度的影响，一定的牢固性可保证网框的重复使用。5)使用时根据印刷尺寸的大小确定合适的网框。丝网的网框一般是用铸铝制成，网框的底部平行于顶部，并保持一定的距离。按照这种方式，丝网和印刷机平行并且相对于基板具有相同的基准点。l 绷网 绷网是制作丝网印版的第一道工序。首先按照印刷尺寸选好相应的网框，将网框与丝网粘合的一面清洗干净。若是第一次
27、使用的网框，需用细砂纸打磨，使网框粗糙，提高网框与丝网的粘结力，若是使用过的网框也要用砂纸打磨干净，去掉残留的胶及其他物质。清洗后的网框在绷网前，先在与丝网接触的面预涂一遍粘合胶并晾干。绷网时，用手工或机械绷网，丝网拉紧后使丝网与网框贴紧，并在丝网与网框接触部分再涂布粘合胶，然后吹干。待粘合胶干燥后，松开外部张力，剪断网框外边四周的丝网，用单面胶带纸贴在丝网与网框粘结部位，防止印刷时溶剂或水对粘合剂的溶解。最后用清水或清洗剂冲洗丝网，待晾干后，就可涂布感光胶了。1)绷网张力 在使用绷网机绷网时，一般都使用张力仪测试丝网张力。绷网夹头的移动是通过气压表来控制的。尼龙丝网的绷网气压值是0.81MP
28、a,不锈钢丝网的绷网气压值是11.3MPa.2)绷网角度 丝网绷紧方式有丝网与框架平行的正绷网方式以及丝网与框架倾斜的斜绷网方式。在正绷网方式下，当形成印刷图形的乳胶边缘正好与网丝重叠时，该部位的浆料涂布量就会很少，致使图形的宽度、厚度都会低于设计值。此外，多个图形不能得到完全相同的位置关系，从而造成相同图形的宽度、厚度出现偏差。对于斜绷网，网丝交叉部位也会影响线条边缘的直线性，但对于多个图形来说，可以得到相同的宽度和膜厚。微细图形漏印网版多采用斜绷网方式。网丝和框架之间的张角一般采用 两种，得到的图形精度较高。0045,22.5l 网版图形形成 丝网面上印刷图形的形成方法分直接制版法和间接制
29、版法两种。直接制版法是在丝网表面直接涂布感光乳胶，干燥后形成感光膜，在此感光膜上密贴原版光刻掩膜，经紫外线曝光、显影，直接形成印刷版。直接制版法乳胶嵌入网丝之中，耐印性及尺寸稳定性都很好，但图形边角附近网丝交叉部位容易残留乳胶显像残渣等，这往往成为印刷图形边缘不平直的原因。间接制版法是在漏印用的乳胶薄膜上，密贴原版光刻掩模，经紫外线曝光、显像，形成带有图形的漏印版膜，再将其贴附于丝网之上形成丝网漏印孔版。间接制版法图形边缘平直，价格也低，但胶膜与网丝的附着力低，耐印性差，胶膜显像后在丝网上贴附时的尺寸精度也低。1)涂胶 光敏乳胶一般以重铬酸盐和重氮盐为光敏剂，根据制版法的不同，分为直接乳胶和间
30、接乳胶。间接乳胶只有几个小时的搁置寿命，而直接乳胶在曝光前可保存几个月。直接乳胶的初始状态是液体，丝网的外围四周用透明玻璃纸带形成一个挡坝来控制胶层的厚度。丝网顶部放置在平整表面上，用上网浆器涂布乳胶或将乳胶倾注在丝网上，用直尺刮平，使乳胶均匀地涂覆丝网，填满网孔。2)曝光 丝网曝光是把掩膜和光敏乳胶面接触，然后在紫外线下进行曝光，光源更易使用平行光。曝光时间的长短取决于光源的强度、乳胶与光源的距离、乳胶的种类、掩模版的质量和乳胶的厚度等。常用的是紫外冷光灯及高压汞灯。3)显影 网框在曝光后放入温水或药物水中浸泡10分钟左右，图文就显现出来。随后用海绵在水中轻轻擦洗丝网印版，使图文部分网孔基本
31、上都成为通孔，然后加压喷水，清除图文部分所残留的未感光材料，使图文部分网孔全部变通，最后擦净水并进行烘干就制出了丝网印版。l 印刷1)丝网印刷的两种基本方法 接触工艺和非接触工艺。接触工艺中，丝网在印刷中总是和基板保持接触，然后快速下降基板或升高丝网，两者就会分开；非接触工艺中，丝网和基板之间有一小段距离，丝网会被刮板拉伸，直到刮板正下方正好同基板接触为止。一旦刮板过去，丝网“快速恢复”，把浆料留在基板上。因此，丝网和基板间的初始距离被称为“快速恢复距离”或“离版距离”。a.非接触工艺可以获得较好的线条轮廓清晰度，大多数的厚膜浆料印刷都采用这种方式。接触工艺一般应用于模板印刷焊膏。b.在印刷过
32、程中，浆料涂在丝网上，刮板与丝网成线接触，扫过整个丝网。刮板施加的压力使浆料通过丝网上的开口印刷到基板上，粗糙的基板表面比光滑的丝网表面具有更大的表面张力，所以当刮板扫过后使浆料留在基板表面。c.浆料的触变性有助于该工艺，当刮板施加压力在浆料上时，浆料变得较稀薄，更易流动；当刮板经过后，浆料再一次变得较稠，并在基板上保持了线条的清晰轮廓。2）刮板 刮板形状有图示的三种类型，厚膜印刷多使用菱形刮板和平行刮板。a.刮板要能追从基板的弯曲和翘曲，且能吸收、分散基板形变造成的冲击等，需要采用具有橡胶弹性的材料。刮板材料硬度按橡胶常用的HS(肖氏硬度)来标定，厚膜印刷使用的刮板硬度一般在6080HS范围
33、内。材质一般为聚氨酯类、氯丁橡胶等。选材特别要注意不能受浆料中溶剂的侵蚀。b.刮板的作用是将浆料从网版的开口部位向基板挤压出，挤压力的大小随刮板安装角度而变化。一般刮板角度为 ，角度变小，挤压力增大。c.刮板刃部磨损后，相当于刮板角度发生了变化，而且刃部带伤会损坏网版，这些都有损于印刷质量。因此，注意保持刃部的尖锐状态十分必要。0045 803)丝网印刷机设置 影响丝网印刷效果的变量已经认定的有100多个，从浆料特性到印刷机设置再到丝网特性等。下面列出了几个最影响印刷质量的丝网印刷机调整参数。丝网到基板的距离(“快速恢复距离”)设定a.这是丝网印刷机最重要的参数。若间距太大，丝网很快会失去张力
34、，印刷的线条轮廓不清晰，位置精度也受到影响；b.若间距太小，丝网离板速度过慢，填充网版开口时粘度下降的浆料粘度又重新上什，附着在孔壁上的浆料量增加，基板上涂布的浆料量就会减少，从而印刷图形上会出现气泡、针孔、空洞等缺陷。c.“快速恢复距离”的大小取决于丝网的尺寸。网丝和基板之间的平行性 若丝网和基板之间不是严格平行，在印刷过程中快速恢复距离就会变化，这会造成印刷线轮廓清晰度和厚度的改变。刮板速度 若刮板速度太快，印刷中可能会产生孔洞而使轮廓清晰度变差；进一步增加速度，刮板开始“刨平”浆料，而不是沿着丝网表面扫过，印刷的浆料将变得很厚；若刮板速度太慢，会增加丝网与基片的接触时间，浆料不能被合适地
35、截留，印刷的浆料也会过厚。一般常用的速度为525cm/s，并保持匀速。刮板位置 若刮板位置太高，印刷的浆料会太薄或出现孔洞；若刮板位置太低，过大的压力将加载在浆料上，造成印刷的浆料太薄，并且可能使施加了压力的浆料滞留在丝网和基板之间，失去线条的轮廓清晰度。丝网印刷机设置顺序 此顺序适用于大多数丝网印刷机，可用最少的时间，保证较好印刷效果。a.固定基片。一般是利用载片台上设置的定位柱或定位边，先压紧互相垂直的两定位边，再用真空吸附或机械夹紧固定。固定好的基片要防止漏印网版多次印刷时发生偏离或松动，同时防止基片边缘对漏印网版造成损伤。b.调整漏印网版。首先要保证版面与基片面平行，然后调整离版距离，
36、顺序是先向下调版面，使其与基片表面接触，再按离版距离上调版面。调整基片与网版的相对位置时，可利用基片的外形或利用已印刷上的标志来进行。目前已有附带图形识别功能，能自动调节位置的印刷机。位置基本调好后，要通过多次试印，在校正离版距离、印刷图形状态的同时，对纵、横及角度方向作进一步调整。c.接着调整刮板下压量(印刷时刮板下压的距离)、刮板与基板的平行度，以及印刷速度等。先将刮板降到接触基板表面，调整平行度时，使刮板略微上升，目视确定刮板与基板间的间距，或在两者之间夹一片纸条，看纸条在间隙各部位滑动阻力是否一致。刮板下压量超过离版距离的部分称为过压量，它对印刷质量有很大的影响，在能获得均匀清晰印刷图
37、形的前提下，一般取过压量越小越好。过大的过压量会造成刮板前端变形，缩短寿命，还可能造成印刷图形的阴渗。随着过压量增大，刮板会更多的进入网版的图形开口内，减少了浆料的填充量，从而印刷膜厚减少；随着印刷速度的增大，浆料的剪切速度增加，粘度下降，通过网版的能力增强，从而膜厚增加。d.每次印刷后，浆料被刮板刮向一方，下次印刷则浆料不足，而且，在该状态下放置，网版也会干燥、堵塞，造成浆料透过性变差。因此，在刮板前方设置一金属制的回刮板，其作用是每次印刷后将浆料刮回印刷前的位置，并将浆料涂覆在网版表面。回刮板与网版平行设置，二者保持一定间距，其速度也要调整以达到最佳。4)印刷膜厚的测量 一般分为接触式和非
38、接触式两种。非接触式适用于湿膜与已烧成膜。如利用高倍金相显微镜，先聚焦到基板上一区域作为基准，然后把显微镜重新聚焦到膜表面，物镜移动的距离就是厚度；或者通过光干涉显微镜，将一束光照射到印刷层上，通过干涉条纹描绘出印刷层的外形，与基板上的标记线比较得出膜层厚度。接触式适用于已烧成膜。通过探针以设置好的速率在膜表面移动，检测探针位置，随探针的移动可绘出膜外形。l 烘干1)流平 印刷后不久，浆料的粘性仍很低，在烘干前需要一段时间才能恢复较高粘性。若膜印刷后马上暴露在高温下，浆料粘性仍然很低，可能会铺展在基片上。一般流平在室温中进行515分钟，浆料填入丝网网格纹路处，一些溶剂也在室温下缓慢挥发。2)烘
39、干 在流平之后，器件在70150摄氏度范围烘干约15分钟。烘干必须在洁净室中进行，以防止灰尘或纤维微粒聚集到烘干的膜上。否则在烧结过程中，微粒会烧掉，在膜上留下孔洞。烘干过程去除了浆料中大多数的挥发成分，90%左右的溶剂和胶在此过程中去除。这些溶剂中有毒性，烘干必须在通风柜或其他排放设备下进行。烘干过程必须控制升温速率以防止由于溶剂快速挥发造成的膜开裂。l 烧结 烘干之后，将基板放置在带式炉中，根据浆料制造商对自己产品提供的烧结曲线，进行厚膜高温烧结。厚膜浆料的烧结有三个作用：a.使浆料中作为辅助材料的有机载体燃烧、热分解，并蒸发，即脱胶过程。脱胶不充分，膜层中残留有C,会造成膜层的起皮发泡，
40、必须充分去除。b.使以粉末状存在的主材料氧化、还原、熔化、增粒、收缩、密实等，获得具有导电性，绝缘性，电阻性等功能的均质膜。c.玻璃粘结剂熔化或金属化合物与基板反应，使膜层与基板实现牢固结合。现代所用的厚膜烧结炉均采用密闭的马弗炉(金属或石英)，如铬镍铁金属马弗炉等。炉子的选择需满足：a.干净的炉内环境；b.针对浆料的温度曲线，能够提供稳定和可控的温度；c.稳定可控的气氛。烧结过程包括加温、在最高温度下保温、降温三个阶段，通过烧结，固态物质在高温下产生固相反应，颗粒结成一体，达到最大的致密度和强度，并具有一定的电气特性。1)烧结过程 一般厚膜烧结的基本过程就是在一定气氛下进行热处理的过程，可概
41、括为：低温阶段去除有机粘合剂；随着温度的升高，玻璃熔融，粉末颗粒相互粘结成链状结构或网状结构，并伴随各组分之间的化学反应及晶粒成长等过程，最后形成具有一定结构和性能的厚膜层，牢固的附着于基片表面。以pd-Ag电阻为例，其烧结大致分为四个阶段：a.干燥和低温预热阶段。这个阶段主要是溶剂挥发、有机粘合剂燃烧。一般到350摄氏度，此过程才基本完成。b.氧化阶段。在330摄氏度以后，开始氧化阶段，Pd逐渐被氧化生成PdO.在350400摄氏度范围内，Ag也逐渐被氧化。0330222CPd OPdO 2242AgOAg Oc.还原反应阶段。超过550摄氏度，玻璃料开始软化，逐渐熔融。超过520摄氏度，P
42、d和Ag的氧化物逐渐产生合金化反应，生成Pd-Ag合金，其含量随温度的上升近似成直线增加。同时，PdO含量随温度升高也继续增加。在800摄氏度以下，PdO含量通常比Pd-Ag合金含量多。当温度高于600摄氏度以后，开始发生还原反应：随温度的升高，PdO还原反应速率增大，在800摄氏度时，PdO急剧分解，放出大量氧气。故最高烧结温度应保持在750摄氏度左右。在520750摄氏度范围内，PdO和Pd-Ag合金结晶晶粒的大小随温度的上升成直线增加。玻璃熔融后，由于玻璃对固体颗粒的润湿和流动，固体颗粒之间相互吸附，粘结起来，构成了”链状结构”。222PdOPdOd.膜层凝固阶段。在750摄氏度保温一定
43、时间后，即可开始降温，降温过程中，玻璃逐渐冷却硬化，到550摄氏度左右完全凝固，膜层牢固的附着在基片表面。图示为 电阻烧结过程图。(a)为印刷后浆料的状态，在玻璃大颗粒之间由有机载体树脂填充，树脂中混有作为电阻体主材料的微细 粉末。(b)为膜经干燥、溶剂蒸发后的状态，在玻璃周围附着有 粉末及有机粘结剂。(c)为玻璃软化温度附近，特别是颗粒度较小的玻璃软化、流动，玻璃颗粒靠近、密实化。(d)为在更高温度下，粉末在玻璃颗粒间凝聚、收缩形成导电网络。2RuO2RuO2RuO2RuO2)影响烧结的因素a.最高烧结温度 最高烧结温度必须高于有机粘合剂的燃烧温度与玻璃料的软化点。最高温度烧结应在有机粘合剂
44、完全燃尽后才开始，否则燃烧产生的气体将影响烧结气氛。一般在玻璃料熔融前就应该完全除去有机物或其他媒质中的碳。对厚膜来说，最高烧结温度一般高于玻璃软化点100摄氏度左右，以使玻璃料熔融后充分浸润导电颗粒，起到良好的粘结作用。最高烧结温度的提高会引起方阻的降低。其原因是最高烧结温度提高时，玻璃粘度下降，改善了玻璃对分散在其中的导电颗粒的浸润，使更多的导电颗粒互连接组成导电网络，引起方阻下降。最高烧结温度过低，通常称为”生烧”。此时导电网络形成不良，方阻相当高，膜层结构不稳定，性能低劣；最高烧结温度过高，称为“过烧”。此时晶粒大小悬殊，膜层结构极不均匀，同时氧化物可能分解放出气体，使膜层凹凸不平。b
45、.保温时间的确定 在最高烧结温度下恒温对膜层进行烧结的时间称为保温时间。保温时间的确定要保证使反应进行充分，膜层结构稳定，晶粒大小均匀。对于含有玻璃料的厚膜，保温时间以短为宜，以免引起浆料中的玻璃“上浮”到表面，从而降低膜层的附着力。c.气氛的选择 主要根据材料本身的性质以及对烧结膜性能的要求来决定。气氛可分为氧化性气氛、还原性气氛和中性气氛三类。例如，Pd-Ag电阻必须在氧化气氛下烧成，因为其导电网络由PdO,Pd-Ag合金组成，在烧结过程中需要氧化；Cu导线需在还原气氛中烧成，否则生成的CuO会降低导线的导电性能。d.粉末颗粒特征 包括粒度大小，粒度分布，表面状态，内部结晶结构等。粉末颗粒
46、的特性及其烧结后的性能很大程度上取决于粉末制备方法。颗粒形状以球形最好，因为更易被浸润，晶粒长大也较均匀。3)烧结炉 干燥后的电路片可用几种方法烧成，最普通的方法是用小型箱式炉或传送带隧道炉。箱式炉结构简单，炉温偏差大，不易获得性能再现性良好的厚膜元件或互连线。传送带隧道炉具有生产连续性好，效率高，温度及时间控制精确，成品率高等优点。炉温能烧到1100摄氏度左右。将炉子稍微倾斜 ，或采用强制通风法使新鲜的干燥空气通过炉膛，就能使膜保持清洁。02烧结炉中，空气流动的方向是从炉子的出口到入口，以保证放出的有机物很快离开炉子，而不会进入高温区。气流速度太慢，则去除有机物能力太弱；气流速度太快，会在炉
47、中产生湍流，使烧结曲线不稳定一般马弗炉采用电阻加热(镍铬加热元件)，围绕金属马弗炉周围有很重的耐火砖，而耐火砖易吸收潮气，为保持稳定的烧结曲线，炉子不用时会被“压火”到一个较低的温度，但不能关闭。已经烧成的厚膜元件及互连线，因工艺需要再进行一次或多次烧结后，烧成膜的性能将发生变化。一般用“重烧性”的优劣来评价厚膜元件及互连线的物理和化学性能变化的程度。为了减少由于重复烧结所引起的阻值变化，安排烧结程序时，尽可能将电阻器放在最后烧成。三、丝网印刷的几点注意事项l 丝网的颜色对制版有何影响？丝网有白色、黄色、琥珀色、红色等，丝网颜色对制版的质量有很大的影响。这是因为照射光通过掩膜胶片透明部分到达光
48、敏剂层，照射光接触白色丝网时发生反射、漫散射现象，白色丝网反射，散射的是白色光，白光对感光材料有影响，使印版出现晕影。有色丝网能吸收一部分照射光，减少光的反射强度，而且有色丝网反射、散射的是有色光，这种光不是活性光，对感光材料不产生影响。l 晕影是如何产生的？晕影是制版中的一种常见现象。主要表现形式是，图文部分显影后边缘部分网孔没有全部成为通孔，网孔为似透非透状，图文边缘参差不齐，就像月亮周围的风圈环。产生晕影的原因主要有两点：一是白色丝网使图文边缘感光材料受光敏化程度不均匀；二是曝光时底片与丝网贴合不紧，时图文边缘部分感光材料受光不均匀。l 印刷过程中印版封网的主要原因是什么？如何解决？封网
49、指印刷过程中浆料堵塞开口网孔，无法继续通过的现象。产生原因有：一、印刷中浆料颗粒过大，和网孔开口尺寸不匹配，可通过选择合适的浆料或丝网来解决；二、由于溶剂挥发而使浆料粘度增高，在网孔处形成瞬间干燥。此时要注意生产车间的通风、湿度情况，另外浆料配方选择上冬季使用速干性浆料；夏季使用迟干性浆料；三、浆料本身粘度过高，可通过添加合适的稀释剂解决。l 丝网印版重复使用时，怎样进行脱膜处理？脱膜是指为减少丝网浪费，将丝网印版上已固化的感光材料从丝网上剥离下来，将丝网清洗干燥后继续使用。脱膜的程序是：先将印刷后残余的浆料清洗干净，然后用脱膜剂浸泡510分钟，等版膜发白后用加压清水冲洗丝网，干燥后即可再次使
50、用。其中脱膜剂的主要成分有：漂白粉、次氯酸碱、双氧水等。焊膏的孔(模)板印刷 焊膏是由合金焊粉，焊剂载体等组成的膏状混合物，在表面安装技术(SMT)技术中起到粘固元件，促进焊料润湿，清除氧化物、硫化物、微量杂质，保护表面不发生再次氧化，形成牢固冶金结合等作用。印刷焊膏是SMT的第一道工序，它直接影响着后续的贴片、回流焊、清洗、测试等工艺。对于需要印刷如焊膏这类大颗粒粘性材料的情况，网状丝网不适用，丝网的线会妨碍焊膏印刷到基板上，在所印刷的膜上留下空白并堵塞丝网的开口。图(a)为元器件、基板、印刷、搭载等的精度均为理想的情况，实际上很难实现；(b)表示搭载位置偏差为50微米，回流焊后封装布线引脚
