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、加熱要素、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使用されます。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、さまざま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1つになりました。電子デバイス用の厚膜製造プロセスで製造される一般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、圧力センサー、エンジンおよびギアボックス制御、エアバッグ解放センサー、エアバッグ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、多くの場合、回路の大規模な熱サイクルに伴う拡張温度範囲も故障なしで要求されることです。^[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。

厚膜技術を利用する最もシンプルな形態は、配線が厚膜プロセスを使用して製造されるモジュール基板/ボードです。さらに、抵抗器や許容誤差の大きいコンデンサも厚膜方式で製造できます。厚膜配線は表面実装技術(SMT) と互換性を持たせることができ、必要に応じて (許容誤差やサイズ要件のため)、表面実装可能な部品 (抵抗器、コンデンサ、IC など) を厚膜基板上に組み立てることができます。

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）連続して堆積させる付加的なプロセスです。^[3]

低コストの製造方法として、抵抗器、サーミスタ、バリスタ、統合受動デバイスなどの個別受動デバイスの大量生産に適用できます。

厚膜技術も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）、ステンレス鋼であり、場合によってはポリマー、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 ）である。^[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、プロファイリング、穴あけが可能です。スクライブは、レーザーパルスのラインを材料に照射し、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すると、基板を簡単に単一のユニットに分割できます。プロファイリングは、たとえば、回路を円形のチューブやその他のさまざまな複雑な形状に適合させる必要があるセンサーの製造でよく使用されます。穴をあけると、基板の両面の間に「ビア」（導電性リンク）が設けられます。通常、穴のサイズは 0.15 ～ 0.2 mm の範囲です。

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、通常、必要な金属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生成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場合があります。または、厚膜技術者向けの製品を提供するいくつかの会社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の精度、集積密度、ラインとスペースの精度を向上させるために、フォトイメージング可能な厚膜技術が開発されました。ただし、これらの材料を使用すると、通常、プロセスフローが変わり、異なる製造ツールが必要になります。

乾燥/硬化

印刷後、インクが落ち着くまで時間を置いてから、堆積したインクの各層は通常、50 ～ 200 °C (122 ～ 392 °F) の中程度の高温で乾燥され、インクの液体成分が蒸発して層が一時的に基板上の所定の位置に固定され、最終処理の前に処理または保管できるようになります。これらの温度で硬化するポリマーベースのインクや一部のはんだペーストの場合、これが必要な最終ステップになることがあります。一部のインクは、紫外線にさらして硬化させる必要もあります。

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ホワイトによって初めて開発された精密研磨切断法を使用してトリミングできます。^[9]この方法では、通常0.027 mmの酸化アルミニウムなどの微細研磨媒体を使用します。研磨切断は、さまざまなサイズのカーバイドノズルチップを介して供給されます。ノズルは、抵抗器要素をプローブ接点で監視しながら焼成抵抗器内を前進させ、最終値に達すると研磨噴射が停止され、ノズルはゼロ開始位置に戻ります。研磨技術は、インク配合物に使用されるガラスフリットの熱やひび割れなしで、非常に高い許容差を実現できます。

抵抗器のレーザートリミング

焼成後、基板抵抗器は正しい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使用して製造されています。大きな基板に焼成された抵抗器が印刷され、小さなチップに分割されてから終端処理され、PCB ボードにはんだ付けできるようになります。レーザートリミングでは、2 つのモードが使用されます。パッシブトリミングでは、各抵抗器が特定の値と許容値にトリミングされ、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により、フィードバックを使用して特定の電圧、周波数、または応答に調整されます。

コンデンサや半導体の実装

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。また、ネイキッドダイ (カプセル化されていない実際のシリコンチップ) のマウントとワイヤボンディングは標準的なプロセスであり、余分なカプセル化が不要になるため、回路の小型化の基盤となります。

要素の分離

このステップは、多くのコンポーネントが 1 つの基板上に同時に製造されるため、多くの場合必要になります。したがって、コンポーネントを互いに分離する何らかの手段が必要です。このステップは、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の形態）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] したがって、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

プリント基板の設計に使用されるものと同じ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、ツール形式とステンシル製造/製造業者との互換性に注意する必要があり、また最終製造業者からの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、および熱的設計ルールが利用可能かどうかも考慮する必要があります。

参照

参考文献

^ 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。
^ Lu, B. (2010). 「自動車用途向け厚膜ハイブリッド技術」2010 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。
^ Andrew, W. 編 (1998).ハイブリッドマイクロ回路技術ハンドブック(第2版). Elsevier Inc. pp. 104–171.
^ 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 。
^ Zhang, Z.; et, al. (2011). 「ステンレススチール上の厚膜抵抗器のセンシング素子としての故障解析」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。
^ 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.
^ Ulrich, RK; Scharper, LW (2003).統合受動部品技術入門. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-24431-8。
^ Romenesko, BM; Falk, PR; Hoggarth, KG (1986). 「マイクロエレクトロニクス厚膜技術と応用」. Johns Hopkins APL Technical Digest . 7 (3): 284–289.
^ トリミングシステム。S.ホワイト社、工業部門。
^ Yebi, A.; Ayalew, B. ( 2015). 「厚膜樹脂の紫外線硬化のための偏微分方程式ベースのプロセス制御」。動的システム、測定、制御ジャーナル。137 (10月): 101010/1–10。doi : 10.1115/1.4030818。
^ Willfarht, A.; et., al. (2011). 「ステンシルの厚さとインクフィルムの堆積の最適化」。ResearchGate 、プロジェクト: 印刷熱電デバイス: 6–16。

外部リンク

ブダペスト工科経済大学 (BTE) の電子技術学部が開発した、電子製品の技術に関するコース、「厚膜」の章
EDN のブログで厚膜抵抗器と薄膜抵抗器を比較しています
無線周波数における厚膜技術の使用法を説明するプレゼンテーション
厚膜ハイブリッドの印刷
産業用途向け厚膜部品

[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 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回路技術ハンドブック(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). 「ステンレススチール上の厚膜抵抗器のセンシング素子としての故障解析」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のための偏微分方程式ベースのプロセス制御」。動的システム、測定、制御ジャーナル。137 (10月): 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フィルムの堆積の最適化」。ResearchGate 、プロジェクト: 印刷熱電デバイス: 6–16。

手順