激光微細(xì)熔覆快速制造厚膜無源元件關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、目前，電子行業(yè)發(fā)展的兩大主流是小型化和高頻化，傳統(tǒng)的厚膜技術(shù)由于存在著諸多自身的缺陷，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中快速發(fā)展的需求。因此，在當(dāng)前日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，微電子行業(yè)迫切需要發(fā)展一種能在無掩模的條件下，快速制備出小尺寸，高精度、高穩(wěn)定、高可靠性的混合電路的新興技術(shù)。而膜式化元件由于是裸露元件的多層空間疊加和集成，尺寸大大地減少。同時(shí)，由于元件直接集成在電路上，使得互連短縮化，焊接點(diǎn)數(shù)減少，寄生電阻和電路噪聲降低，產(chǎn)品成本下降，因此，為了適

2、應(yīng)更高密度的元件安裝和電路的集成，在表面電路或內(nèi)層電路上形成埋入式膜式元件，不僅具有產(chǎn)品尺寸小型化的特點(diǎn)，而且在不增大基板面積的情況下達(dá)到了高密度集成的目的。 在國(guó)家自然科學(xué)基金及國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，本文提出了激光微細(xì)熔覆快速制造厚膜電子元件和混合電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在陶瓷基板上制備外電路、膜式化無源元件（電阻元件、電容元件、電感元件）和集成模塊，并系統(tǒng)研究了預(yù)置膜的成型原理和導(dǎo)線、電子元件的制備以及集成等

3、關(guān)鍵科學(xué)問題，在此基礎(chǔ)上研制出預(yù)置膜成型Precision Spray系統(tǒng)，并對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。本文體現(xiàn)了該項(xiàng)目的部分研究成果，主要研究結(jié)果總結(jié)如下： 本文率先在國(guó)內(nèi)外提出不需要后續(xù)高溫?zé)Y(jié)工藝，直接采用激光微細(xì)熔覆快速制造技術(shù)在陶瓷基板上制備了外電路，厚膜電子元件以及集成模塊，其制備工藝是采用Precision Spray系統(tǒng)將電子漿料噴繪在所設(shè)定的單元并通電烘干預(yù)置膜——按照設(shè)定的圖形進(jìn)行激光跟蹤掃描烘干膜——清洗——掃

4、描的區(qū)域被焊接在基板上。并利用該工藝制備了最小圖形分辨率為20μm/40μm的極限值，大大地突破了傳統(tǒng)厚膜制備技術(shù)下的極限值。通過對(duì)電子元件和導(dǎo)線的微觀形貌、成分、組織的分析、電氣和機(jī)械性能測(cè)試以及界面行為的分析，表明采用該技術(shù)制備的電路和電子元件，其性能、結(jié)合強(qiáng)度均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，而且不存在不同材料界面成分的擴(kuò)散，穩(wěn)定性和可靠性高，再現(xiàn)性好，滿足目前電子行業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展的需求。 提出了一種制備預(yù)置膜層新技術(shù)（Precision S

5、pray），并利用該技術(shù)在基板上制備了表面均勻的預(yù)置膜。同時(shí)，針對(duì)所制備的不同電子元件使用的材料不同，系統(tǒng)地研究了不同漿料下漿料特性和預(yù)置膜厚度對(duì)電子膜層質(zhì)量和性能的影響，從而為后續(xù)激光掃描提供了可能。 系統(tǒng)地研究了預(yù)置膜的厚度和激光工藝參數(shù)對(duì)所制備導(dǎo)線和電子元件的膜厚、寬度、質(zhì)量、性能的影響規(guī)律，并確立了極限掃描速度、極限搭接量和極限功率和離焦量范圍內(nèi)的電子膜厚度和寬度范圍，簡(jiǎn)要地分析了這種極限值存在的原因以及對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量和

6、性能的影響，求得了大面積掃描下最佳的激光加工參數(shù)，導(dǎo)線：預(yù)置膜厚度4μm，功率密度1.0x104W/mm2,掃描速度5mm/s，焦點(diǎn)；電阻：預(yù)置膜厚度15μm，功率為35Watt，掃描速度3mm/s，兩相鄰線中心間距為0.05mm，焦點(diǎn)位置；電容：預(yù)置膜厚度6μm，離焦量1.5mm，激光加工功率25Watt，掃描速度2mm/s，兩相鄰線中心間距為0.2mm；電感（介質(zhì)膜）：預(yù)置膜厚度4μm，離焦量6.4mm，激光加工功率35Watt，掃

7、描速度3mm/s，兩相鄰線中心間距為0.01mm。 通過熱分析、SEM、EDS和探針等分析技術(shù)對(duì)激光微細(xì)熔覆快速制造厚膜電子元件、導(dǎo)線和傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝下制備的電子元件、導(dǎo)線以及兩種技術(shù)結(jié)合制備的電子元件、導(dǎo)線的微觀組織形貌、元素分布、界面行為等相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，探討了它們的成膜機(jī)理、附著機(jī)理和導(dǎo)電機(jī)理。研究結(jié)果表明：采用激光微細(xì)熔覆快速制造技術(shù)制備的導(dǎo)線和電子元件比傳統(tǒng)燒結(jié)工藝制備的導(dǎo)線和電子元件

8、質(zhì)量高，性能優(yōu)良，可靠性高，不存在不同材料間的界面成分?jǐn)U散。而激光直接掃描得到的電子元件，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)工藝，性能質(zhì)量變差。 本文所研究開發(fā)的激光微細(xì)熔覆快速制造技術(shù)與Precision Spray系統(tǒng)開辟了一種快速、無掩模、高效、高速、高精度的柔性直寫新技術(shù)。該技術(shù)在新品研發(fā)和小批量多品種生產(chǎn)單層和多層電路、電子元件、集成模塊等場(chǎng)合，比傳統(tǒng)工藝方法成本低，效率高，精度和質(zhì)量高，穩(wěn)定性好等。此外，該技術(shù)還可以用于微型焊接和復(fù)雜的