激光微细熔覆快速制造厚膜无源元件关键技术的研究

论文摘要

目前,电子行业发展的两大主流是小型化和高频化,传统的厚膜技术由于存在着诸多自身的缺陷,已经远远不能满足中快速发展的需求。因此,在当前日趋激烈的竞争环境下,微电子行业迫切需要发展一种能在无掩模的条件下,快速制备出小尺寸,高精度、高稳定、高可靠性的混合电路的新兴技术。而膜式化元件由于是裸露元件的多层空间叠加和集成,尺寸大大地减少。同时,由于元件直接集成在电路上,使得互连短缩化,焊接点数减少,寄生电阻和电路噪声降低,产品成本下降,因此,为了适应更高密度的元件安装和电路的集成,在表面电路或内层电路上形成埋入式膜式元件,不仅具有产品尺寸小型化的特点,而且在不增大基板面积的情况下达到了高密度集成的目的。在国家自然科学基金及国家“863”高技术发展研究计划项目的资助下,本文提出了激光微细熔覆快速制造厚膜电子元件和混合电路技术,实现了在陶瓷基板上制备外电路、膜式化无源元件(电阻元件、电容元件、电感元件)和集成模块,并系统研究了预置膜的成型原理和导线、电子元件的制备以及集成等关键科学问题,在此基础上研制出预置膜成型Precision Spray系统,并对现有设备进行了改进。本文体现了该项目的部分研究成果,主要研究结果总结如下:本文率先在国内外提出不需要后续高温烧结工艺,直接采用激光微细熔覆快速制造技术在陶瓷基板上制备了外电路,厚膜电子元件以及集成模块,其制备工艺是采用Precision Spray系统将电子浆料喷绘在所设定的单元并通电烘干预置膜——按照设定的图形进行激光跟踪扫描烘干膜——清洗——扫描的区域被焊接在基板上。并利用该工艺制备了最小图形分辨率为20μm/40μm的极限值,大大地突破了传统厚膜制备技术下的极限值。通过对电子元件和导线的微观形貌、成分、组织的分析、电气和机械性能测试以及界面行为的分析,表明采用该技术制备的电路和电子元件,其性能、结合强度均优于传统工艺,而且不存在不同材料界面成分的扩散,稳定性和可靠性高,再现性好,满足目前电子行业和市场发展的需求。提出了一种制备预置膜层新技术(Precision Spray),并利用该技术在基板上制备了表面均匀的预置膜。同时,针对所制备的不同电子元件使用的材料不同,系统地研究了不同浆料下浆料特性和预置膜厚度对电子膜层质量和性能的影响,从而为后续激光扫描提供了可能。系统地研究了预置膜的厚度和激光工艺参数对所制备导线和电子元件的膜厚、宽度、质量、性能的影响规律,并确立了极限扫描速度、极限搭接量和极限功率和离焦量范围内的电子膜厚度和宽度范围,简要地分析了这种极限值存在的原因以及对最终产品质量和性能的影响,求得了大面积扫描下最佳的激光加工参数,导线:预置膜厚度4μm,功率密度1.0x104W/mm2,扫描速度5mm/s,焦点;电阻:预置膜厚度15μm,功率为35Watt,扫描速度3mm/s,两相邻线中心间距为0.05mm,焦点位置;电容:预置膜厚度6μm,离焦量1.5mm,激光加工功率25Watt,扫描速度2mm/s,两相邻线中心间距为0.2mm;电感(介质膜):预置膜厚度4μm,离焦量6.4mm,激光加工功率35Watt,扫描速度3mm/s,两相邻线中心间距为0.01mm。通过热分析、SEM、EDS和探针等分析技术对激光微细熔覆快速制造厚膜电子元件、导线和传统的烧结工艺下制备的电子元件、导线以及两种技术结合制备的电子元件、导线的微观组织形貌、元素分布、界面行为等相关性进行了系统地研究,并结合试验结果和理论分析,探讨了它们的成膜机理、附着机理和导电机理。研究结果表明:采用激光微细熔覆快速制造技术制备的导线和电子元件比传统烧结工艺制备的导线和电子元件质量高,性能优良,可靠性高,不存在不同材料间的界面成分扩散。而激光直接扫描得到的电子元件,再经过高温烧结工艺,性能质量变差。本文所研究开发的激光微细熔覆快速制造技术与Precision Spray系统开辟了一种快速、无掩模、高效、高速、高精度的柔性直写新技术。该技术在新品研发和小批量多品种生产单层和多层电路、电子元件、集成模块等场合,比传统工艺方法成本低,效率高,精度和质量高,稳定性好等。此外,该技术还可以用于微型焊接和复杂的特殊功能混合元件的制备等,具有极大的延展性和广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 制备厚膜无源元件的技术特点和发展概况
• 1.2.1 传统制备厚膜无源元件技术
• 1.2.2 新兴发展的制备厚膜无源元件技术-----直写技术
• 1.3 本课题的来源、方法、理论依据以及应用前景
• 1.3.1 本课题的来源
• 1.3.2 研究方法及内容
• 1.3.3 理论依据
• 1.3.4 激光微细熔覆快速制造技术的应用前景
• 1.4 研究目标、技术路线、技术关键及创新
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 技术路线
• 1.4.3 技术关键
• 1.4.4 本课题的创新点
• 1.5 小结
• 2 激光微细熔覆快速制造厚膜无源元件设备的设计及其制备
• 2.1 引言
• 2.2 激光微细熔覆快速制造厚膜无源元件的原理及可行性分析
• 2.2.1 制造原理
• 2.2.2 可行性分析
• 2.3 设备的设计与制备
• 2.3.1 设计思路
• 2.3.2 设备结构及制造
• 2.3.3 设备的性能指标
• 2.3.4 采用Precision Spray 系统制备的实例
• 2.4 小结
• 3 激光微细熔覆快速制造厚膜导带图形的研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料和试验方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法及其设备
• 3.3 激光微细熔覆快速制造厚膜导带的影响因素
• 3.3.1 导电浆料特性对厚膜导带质量的影响
• 3.3.2 预置膜厚度对导带宽度、厚度和质量的影响
• 3.3.3 激光加工参数对形成导带的宽度、厚度和质量的影响
• 3.4 激光微细熔覆快速制造导线机理的研究
• 3.4.1 导电浆料的热分析
• 3.4.2 预置层和导线的微观形貌分析
• 3.4.3 EDS 能谱分析
• 3.5 导带成型机理和附着机理的研究
• 3.5.1 导带的成型机理
• 3.5.2 导带的附着机理
• 3.6 导电机理的探讨
• 3.7 导电性能的研究及其应用
• 3.7.1 导带性能的研究
• 3.7.2 激光微细熔覆快速制造导带的应用
• 3.8 小结
• 4 激光微细熔覆快速制造厚膜电阻元件的研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验材料和试验方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验方法及设备
• 4.3 影响激光微细熔覆快速制造标准厚膜电阻特性的因素
• 4.3.1 方阻率
• 4.3.2 几何特性
• 4.3.3 材料
• 4.3.4 制备工艺
• 4.3.5 电阻和电极界面行为的影响
• 4.4 激光微细熔覆快速制造厚膜电阻工艺的研究
• 4.4.1 电阻浆料的特性对电阻质量的影响
• 4.4.2 激光加工参数对厚膜电阻的厚度、质量和性能的影响
• 4.4.3 制备工艺对电阻膜质量的影响
• 4.4.4 不同的端头材料对电阻的质量的影响
• 4.5 激光微细熔覆快速制造厚膜电阻机理的研究
• 4.5.1 电阻浆料的热分析
• 4.5.2 预置层、电阻膜以及电阻膜和端头界面的微观形貌
• 4.5.3 预置层、电阻膜以及电阻膜和端头界面的EDS 分析
• 4.6 厚膜电阻的成型机理和附着机理的研究
• 4.7 导电机理的探讨
• 4.8 厚膜电阻的性能以及应用的研究
• 4.8.1 电阻元件性能的研究
• 4.8.2 激光微细熔覆快速制造厚膜电阻元件的应用
• 4.9 小结
• 5 激光微细熔覆快速制造厚膜电容元件的研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料和试验方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验方法及设备
• 5.3 影响激光微细熔覆快速制造厚膜电容器特性的因素
• 5.3.1 介质膜的厚度
• 5.3.2 介质膜的致密性（针孔的数量）
• 5.3.3 介质层的有效面积和层数
• 5.3.4 介电常数
• 5.3.5 电极数和电极叠加面积
• 5.4 激光微细熔覆快速制造厚膜电容器工艺的研究
• 5.4.1 介质浆料的特性对电容器质量的影响
• 5.4.2 激光加工参数对形成介质膜厚度和质量的影响
• 5.4.3 不同的电极材料对介质膜质量影响
• 5.5 激光微细熔覆快速制造厚膜电容机理的研究
• 5.5.1 电容介质浆料的热分析
• 5.5.2 介质膜以及介质膜和电极界面的微观形貌
• 5.5.3 介质膜以及介质膜和电极界面的EDS 分析
• 5.6 厚膜电容的成型机理和附着机理的研究
• 5.7 电容器的工作原理
• 5.8 厚膜电容的性能以及应用的研究
• 5.8.1 厚膜电容的性能研究
• 5.8.2 激光微细熔覆快速制造厚膜电容元件的应用
• 5.9 小结
• 6 激光微细熔覆快速制造厚膜电感元件的研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料和试验方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验方法及其设备
• 6.3 影响激光微细熔覆快速制造厚膜电感特性的因素
• 6.3.1 基片材料的选择
• 6.3.2 匝数
• 6.3.3 导体膜的厚度和宽度
• 6.3.4 磁性介质膜的厚度
• 6.3.5 电感器的螺旋走向和形状
• 6.4 激光微细熔覆快速制造厚膜电感器工艺的研究
• 6.4.1 磁性介质浆料的特性对所制备电感器质量的影响
• 6.4.2 预置膜厚度对磁性介质膜厚度的影响
• 6.4.3 激光加工参数对磁性介质膜厚度和质量的影响
• 6.4.4 磁性介质膜上制备导线参数研究
• 6.5 微观分析和能谱分析
• 6.5.1 磁性介质膜的微观分析
• 6.5.2 磁性介质膜的X 射线探针分析
• 6.6 激光微细熔覆磁性介质膜的成膜机理和附着机理
• 6.6.1 磁性介质浆料的热分析
• 6.6.2 磁性介质膜的成膜机理和附着机理
• 6.7 激光微细熔覆快速制造厚膜电感性能的研究及其应用
• 6.7.1 激光微细熔覆快速制造厚膜电感性能的研究
• 6.7.2 激光微细熔覆快速制造厚膜电感的应用
• 6.8 小结
• 7 总结和展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 问题和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 一、攻读博士学位期间所发表（含已录用）的论文
• 二、攻读博士学位期间目前已投稿的论文
• 附录2 攻读博士学位期间相关成果和专利