厚膜技術

厚膜技術は、表面実装デバイスモジュール、ハイブリッド集積回路、発熱体、集積受動デバイス、センサーなどの電子デバイス／モジュールの製造に用いられます。主な製造技術はスクリーン印刷（ステンシル）であり、電子デバイスの製造に加えて、様々なグラフィック複製ターゲットにも使用できます。1950年代には、電子デバイス／モジュールの主要な製造／小型化技術の一つとなりました。電子デバイス用の厚膜製造プロセスで製造される典型的なフィルムの厚さは、0.0001～0.1 mmです。[ 1 ]

厚膜回路/モジュールは自動車業界で広く使用されており、燃料/空気の混合比、圧力センサー、エンジンおよびギアボックスの制御、エアバッグのリリースセンサー、エアバッグの点火装置などのセンサーに使用されています。共通しているのは高い信頼性が要求されることで、多くの場合、広い温度範囲と故障のない回路の大規模な熱サイクルが求められます。[ 2 ]その他の応用分野としては、低コストおよび/または高い信頼性が求められる宇宙電子機器、民生用電子機器、およびさまざまな測定システムがあります。

厚膜技術を活用する最もシンプルな形態は、配線を厚膜プロセスで製造するモジュール基板／ボードです。さらに、抵抗器や大公差コンデンサも厚膜法で製造できます。厚膜配線は表面実装技術（SMT）に対応しており、必要に応じて（公差やサイズ要件などにより）、表面実装部品（抵抗器、コンデンサ、ICなど）を厚膜基板上に実装できます。

厚膜デバイス/モジュールの製造は、スクリーン印刷プロセスを使用して、電気絶縁基板上に導電層、抵抗層、誘電体層を複数層（通常は最大6～8層）連続して堆積する付加的なプロセスです。[ 3 ]

厚膜抵抗ネットワーク

低コストの製造方法として、抵抗器、サーミスタ、バリスタ、集積受動デバイスなどの個別受動デバイスを大量に生産するのに適しています。

厚膜技術はハイブリッド集積回路に使用される代替技術の一つであり、典型的には電子機器の小型化（部品または要素/面積または体積）において、PCB（プリント回路基板）/PWB（プリント配線基板）および薄膜技術に基づくSMTと競合し、補完し合っている。[ 4 ]

手順

典型的な厚膜プロセスは次の段階で構成されます。

基板のレーザー加工

典型的な厚膜回路基板は、Al 2 O 3 /アルミナ、酸化ベリリウム（BeO）、窒化アルミニウム（AlN）、ステンレス鋼、場合によっては一部のポリマー、まれに二酸化ケイ素（SiO 2 ）でコーティングされたシリコン（Si）です。[ 5 ] [ 6 ] 厚膜プロセスに一般的に使用される基板は、94％または96％アルミナです。アルミナは非常に硬く、材料のレーザー加工はそれを加工する最も効率的な方法です。厚膜プロセスは小型化の手段でもあり、通常、1つの基板には多くのユニット（最終回路）が含まれます。レーザー加工を使用すると、スクライブ、プロファイル、穴あけが可能です。スクライブは、一連のレーザーパルスを材料に照射し、材料の30～50％を除去するプロセスです。これにより基板が弱くなり、他のすべてのプロセスが完了したら、基板を単一のユニットに簡単に分割できます。例えば、プロファイリングはセンサー製造において、回路を円筒形チューブやその他の複雑な形状にフィットさせる必要がある場合に広く用いられます。穴あけ加工によって基板の両面に「ビア」（導電性リンク）を設けることができ、通常、穴のサイズは0.15～0.2mmです。

基板を加工する前にレーザー加工すると、加工後にダイヤモンドソーを使用してレーザー加工またはダイシングするよりもコスト面で有利です。

インクの準備

電極、端子、抵抗器、誘電体層などのインクは、一般的に、必要な金属粉末またはセラミック粉末を溶剤（セラミック厚膜ペースト）またはポリマーペースト[ 7 ]と混合してスクリーン印刷用のペーストを作製することによって調製されます。均質なインクを得るために、インクの混合成分を3本ロールミルに通すことがあります。あるいは、厚膜技術者向けの製品を提供する複数の企業から既製のインクを入手することもできます。

スクリーン印刷とその改良

スクリーン印刷は、スキージを使用して、模様のついた織りメッシュスクリーンまたはステンシルを通してインクを転写するプロセスです。[ 8 ]

従来のスクリーン印刷における精度、集積密度、そしてラインとスペースの精度を向上させるため、フォトイメージング可能な厚膜技術が開発されました。しかし、これらの材料の使用は、通常、プロセスフローを変化させ、異なる製造ツールを必要とします。

乾燥/硬化

印刷後、インクが定着するまで時間をかけた後、塗布されたインクの各層は通常、50～200℃（122～392°F）の中高温で乾燥されます。これにより、インクの液体成分が蒸発し、層が基板上に一時的に固定されます。これにより、最終加工前の取り扱いや保管が可能になります。ポリマーベースのインクや、これらの温度で硬化する一部のはんだペーストの場合、これが最終工程となる場合があります。一部のインクは、紫外線照射による硬化も必要です。

発砲

厚膜プロセスで使用される金属、セラミック、ガラスのインクの多くでは、層を基板上の所定の位置に永久的に固定するために高温（通常 300 °C 以上）での焼成が必要です。

抵抗器の研磨トリミング

焼成後、抵抗器はSSホワイト社によって初めて開発された精密研磨切削法を用いてトリミングすることができます。[ 9 ]この方法では、通常0.027mmの酸化アルミニウムからなる微細研磨材を使用します。研磨材は、様々なサイズの超硬ノズルチップを通して供給されます。ノズルは焼成された抵抗器内を前進させ、抵抗素子はプローブ接点で監視されます。最終値に達すると研磨材の噴射が停止され、ノズルはゼロ開始位置に戻ります。この研磨技術は、インク配合に使用される ガラスフリットの熱やひび割れを生じさせることなく、非常に高い公差を実現できます。

抵抗器のレーザートリミング

焼成後、基板抵抗器は適切な値にトリミングされます。このプロセスはレーザートリミングと呼ばれます。多くのチップ抵抗器は厚膜技術を用いて製造されています。大型基板に抵抗器が印刷され、焼成され、小さなチップに分割された後、終端処理されてPCB基板にはんだ付けされます。レーザートリミングには2つのモードがあります。パッシブトリミングでは、各抵抗器が特定の値と許容誤差にトリミングされます。アクティブトリミングでは、電源投入時に回路上の抵抗器をレーザートリミングすることで、フィードバックを用いて特定の電圧、周波数、または応答に調整されます。

コンデンサと半導体の実装

SMTプロセスの開発は、実際には厚膜プロセスから発展したものです。ネイキッドダイ（封止されていないシリコンチップそのもの）の実装とワイヤボンディングは標準的なプロセスであり、これにより余分な封止が不要になるため、回路の小型化の基盤が整いました。

要素の分離

1枚の基板上に多くの部品が同時に製造されるため、この工程はしばしば必要となります。そのため、部品同士を分離する何らかの手段が必要となります。この工程は、ウェーハダイシングによって実現できます。

デバイスの統合

この段階では、デバイスを他の電子部品（通常はプリント基板）と統合する必要がある場合があります。これは、ワイヤボンディングまたははんだ付けによって実現できます。

厚膜製造のプロセス制御

厚膜製造には、基板の粗さ、ペーストの硬化温度と時間、選択されたステンシルの厚さとペーストの種類など、慎重な制御を必要とする多くのステップがあります。[ 10 ] [ 11 ] そのため、使用されるペーストの数とプロセスステップによって、プロセスの複雑さと最終製品のコストが決まります。

厚膜技術に基づく回路設計

プリント基板設計に使用されるものと同一または類似の電子設計自動化ツールは、厚膜回路の設計にも使用できます。ただし、ステンシル製造業者／メーカーとツールフォーマットの互換性、そして最終メーカーからシミュレーションおよびレイアウト設計のための幾何学的、電気的、熱的設計ルールが提供されているかどうかにも注意が必要です。

参照

参考文献

  1. ^ Kasap, S.; Capper, P. 編 (2017). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials . Springer International Publishing. pp.  707– 721. ISBN 978-3-319-48933-9。
  2. ^ Lu, B. (2010). 「自動車用途向け厚膜ハイブリッド技術」. 2010年第5回国際マイクロシステムパッケージングアセンブリおよび回路技術会議. pp.  1– 34. doi : 10.1109/IMPACT.2010.5699549 . ISBN 978-1-4244-9783-6. S2CID  33904731 .
  3. ^ Andrew, W. 編 (1998).ハイブリッドマイクロサーキット技術ハンドブック（第2版）. Elsevier Inc. pp.  104– 171.
  4. ^ Vandermeulen, M.; Roy, ​​D.; Pirritano, S.; Bernacki, D.; et, al (2004). 「小型3Dチップスタッキングパッケージングソリューションのための高密度厚膜基板」第37回国際マイクロエレクトロニクスシンポジウム (IMAPS 2004): エレクトロニクスのすべて…チップとシステムの間. doi : 10.13140/RG.2.1.1087.3369 .
  5. ^ Zhang, Z.; et, al. (2011). 「ステンレス鋼上の厚膜抵抗器をセンシング素子として用いた場合の故障解析」. 2011 第12回電子パッケージング技術および高密度パッケージングに関する国際会議. pp.  1– 5. doi : 10.1109/ICEPT.2011.6066957 . ISBN 978-1-4577-1770-3. S2CID  10294851 .
  6. ^ Parikh, MR (1989).マイクロエレクトロニクスのための厚膜技術（論文）. リーハイ大学.
  7. ^ Ulrich, RK; Scharper, LW (2003).統合受動部品技術入門. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-24431-8。
  8. ^ Romenesko, BM; Falk, PR; Hoggarth, KG (1986). 「マイクロエレクトロニクス厚膜技術とその応用」. Johns Hopkins APL Technical Digest . 7 (3): 284– 289.
  9. ^トリミングシステム。S.ホワイト社、工業部門。
  10. ^ Yebi, A.; Ayalew, B. (2015). 「厚膜樹脂の紫外線硬化における偏微分方程式に基づくプロセス制御」 . Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control . 137 (Oct): 101010/1–10. doi : 10.1115/1.4030818 .
  11. ^ Willfarht, A.; et., al. (2011). 「ステンシルの厚さとインク膜の堆積の最適化」 ResearchGate , プロジェクト: プリンテッド熱電デバイス: 6–16 .
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