книги / Микроэлектроника толстых пленок

нем шумов или низким температурным коэффициентом сопротивления. Пасты для неспециальных изделий яв­ ляются компромиссным вариантом желаемых свойств.

Ф и г. 3.5. Кривые смешивания для резистивных материалов марок 7823 и 7837.

В качестве стекол для этих систем применяются либо свинцовые, либо цинковые боросиликатные стекла. Тем­ пература плавления стекол выбирается таким обра­ зом, чтобы достигалось состояние равновесия в системе

ления, обычно применяют различные сложные комбина­ ции стекол. Размер частиц также влияет на сопротивление

Ф и г. 3.7. Кривые испытания резисторов на долговечность.

Обозначения те же, что на фиг. 3.6.

резистора и на температурный коэффициент сопротив­ ления.

3.5. Диэлектрические пасты

Толстопленочный конденсатор представляет собой ди­ электрический слой, нанесенный между двумя проводя­ щими пленками. В качестве диэлектриков наиболее широко используются смеси стекол и ферроэлектрических материалов. Из табл. 3.4 видно, что диэлектри­ ческая постоянная этих веществ может изменяться от 15 до 500, а сами диэлектрики обладают хорошими теп­ ловыми характеристиками [22]. По мере приближения состава диэлектрика к чистой окиси титана температура изготовления толстопленочного диэлектрика повышается и достигает 1300— 1500°С. Так же как и в случае рези­ стивных материалов, при выборе материала диэлект­ рика необходимо найти компромиссное решение между желаемыми значениями диэлектрической постоянной и температурным коэффициентом. Основная трудность за­ ключается в большом различии коэффициентов теплового расширения титанатных материалов и подложки из окиси

алюминия. Для уменьшения этого различия в смесях используются стекла с высокой температурой размягче­ ния, что уменьшает средний коэффициент теплового рас­ ширения. Чтобы избежать больших механических напря­ жений, возникающих на границе раздела стекло — титанат, размер частиц титаната должен быть минимальным.

Таблица 3.4

Пористость уменьшает диэлектрическую постоянную. Пористость систем на основе стекол может быть пол­ ностью ликвидирована, если объемная доля стекла в си­ стеме превышает 25%. Если же в системе концентрация титаната велика, то это приводит к растрескиванию ди­ электрика из-за большого дифференциального коэффи­ циента теплового расширения. Такое растрескивание может рассматриваться как вид слоистой пористости, очень сильно влияющей на диэлектрическую постоянную, поскольку эти трещины действуют как конденсаторы с малым значением емкости. Коэффициент расширения диэлектрика должен выбираться таким, чтобы последний все время находился в состоянии сжатия.

Другим важным фактором является выбор материала электродов толстопленочных конденсаторов. Эти мате­ риалы редко бывают взаимозаменяемыми. Здесь разли­ чие в большей степени обусловлено различием концент­ рации и остава стекол, чем взаимодействием между самими металлическими фазами электродов. В табл. 3.5

трех разных толщин, электроды которых приготовлялись из четырех проводящих материалов [22].

3.6. Состав материалов для нанесения пересечений

Разработка новых изоляционных материалов пере­ сечений способствовала возможности создания сложных толстопленочных гибридных схем. Диэлектрический слой в пересечениях предназначен для изоляции верхнего про­ водящего слоя от нижнего. Если сопротивление изоляции невелико, то проводники могут закоротиться через сопро­ тивление утечки разделяющего слоя, что приведет к из­ менению напряжения смещения схемы. Если же диэлек­ трическая постоянная этого слоя слишком высока, то это приведет к появлению паразитных емкостей в схеме и, таким образом, к уменьшению скорости переключения и изменению частотного диапазона схемы. До недавнего времени считалось, что в качестве изолирующего мате­ риала пересечений лучше использовать стекло, а не кера­ мику. Это вызвано тем, что при обжиге керамики в необ­ ходимой последовательности с другими элементами кера­ мический слой не получается сплошным и беспористым. Кроме того, керамические пленки весьма чувствительны к влаге, наличие которой приводит к понижению сопро­ тивления изоляции между проводниками. В разработан­ ных недавно стеклокерамических материалах указан­ ные недостатки устранены. Эти материалы обладают

преимуществом перед стеклом, особенно в многослойных структурах, поскольку их размеры легко контролируются. В табл. 3.6 приведены типичные характеристики различ­ ных изоляционных материалов для пересечений [22]. Состав А — непрозрачное закристаллизованное стеклян­

ное покрытие, которое не растекается при нагреве до температуры первоначального вжигания. Это свойство является определенным преимуществом в многослойных гибридных схемах, в которых нужно отдельно вжигать каждый из последовательно наносимых проводящих слоев. Составы В и С — стекловидные покрытия. Они

прозрачны, аморфны и растекаются при повторном на­ греве до температуры первоначального вжигания.

Составы В и С представляют собой окись свинцового

боросиликатного стеклянного порошка с органическим связующим. Для устранения или уменьшения числа сквоз­ ных пор нужно до вжигания диэлектрик наносить двумя слоями, причем каждый слой сушить отдельно, Состав А

представляет собой пасту с вязкостью ~2000 пуаз и яв­ ляется порошкообразной стеклокерамикой, диспергиро­ ванной в резиновом растворителе. Этот состав легко наносится, легко растекается и легко выравнивается. Изготавливаемые из него пленки плотны и однородны. Излишняя растекаемость пасты нежелательна, по­ скольку это мешает получать слои контролируемого размера. Так как величину поверхностного натяжения пасты можно регулировать, то в диэлектрическом слое легко создать «окна» или вскрытые площадки.

3.7. Стеклянные герметизирующие покрытия

Для уменьшения влияния влаги и газовых примесей на толстопленочиые резисторы последние покрываются глазурью, обладающей низкой температурой плавления. Глазурь состоит из неорганических веществ, размешан­ ных в органическом связующем. Как правило, защитным слоем покрываются и резисторы и контактные площадки. Защитный слой должен обладать низкой температурой плавления, должен быть достаточно прочным и не рас­ трескиваться под действием температурных или механи­ ческих напряжений, возникающих вследствие различия тепловых коэффициентов разных слоев. Обычно трудно добиться одновременной оптимизации по всем требуемым свойствам. Поэтому приходится искать компромиссные решения. Наибольшее распространение получили стекла с высоким содержанием свинца. Коэффициент теплового расширения этих стекол можно изменять и регулировать путем добавления разных количеств примесей окиси циркония. Для увеличения стойкости стекол к различным химическим воздействиям, возникновению и росту тре­ щин в эти стекла добавляют тугоплавкие соединения.

При вжигании защитного покрытия необходимо со­ блюдать осторожность, поскольку этот процесс может изменить параметры резистора. При этом изменения параметров резистора не должны превышать 1%. Харак­ теристики резисторов сильно изменяются, если темпера­ тура вжигания защитного слоя превышает 500° С, а так­ же если время вжигания при максимальной выбранной температуребольше 5 мин. Правильно обожженные

шинстве случаев при пайке допускаемая величина дав­ ления на выводы достигает нескольких килограммов на пруток сечением 1 мм2. Для присоединения выводов к подложке на последнюю наштамповываются медные штырьки. Для уменьшения растрескивания во время го­ рячей штамповки штырьков к подложке важно, чтобы их диаметр не превышал 1 мм.

Наиболее распространенным клеем, используемым в толстопленочной технологии, является эпоксидная смола, имеющая превосходные клеящие свойства и сохраняю­ щая эксплуатационные характеристики вплоть до темпе­ ратур порядка 200° С. При этом лучше применять в качестве отвердителя ангидриды кислот, а не амины.

В тех случаях, когда эпоксидная смола должна слу­ жить проводником, к ней для создания хорошей электро- и теплопроводности добавляют серебро или золото, од­ нако механические свойства ее при этом ухудшаются. Непроводящие эпоксидные смолы обычно получают из неорганических наполнителей, таких, как кремнезем или различные разновидности талька. Если же необходимо, чтобы эпоксидная смола обладала изолирующими и хо­ рошими тепловыми свойствами, то к ней добавляют раз­ личные сочетания этих материалов либо используют эпо­ ксидные смолы, в которых наполнителем является стекло.

Для защиты от ударов и вибраций схему покрывают мягким защитным слоем. Этот слой независимо от того, какой тип корпуса выбран, является промежуточным между подложкой (обладающей низким коэффициентом расширения) и пластическим защитным слоем, который обладает значительно большим коэффициентом расши­ рения. Схему следует защищать также от действия влаги и химически активных веществ. Обычно для этих целей используются силикон и уретан, свойства которых при­ ведены в табл. 3.8. Силикон является материалом, за­ твердевающим при низкой температуре. Катализаторы силикона инертны и не влияют на компоненты защитного слоя. Уретан применяется либо в виде однокомпонентной, либо двухкомпонентной систем. Блочная уретанофено­ ловая система дает водонепроницаемые покрытия с тем­ пературой отверждения ~200° С. Эти покрытия являются превосходными материалами для нижнего защитного

слоя схем, на который затем наносятся другие согласую­ щие защитные пленки. Если же выделение фенола не­ желательно, то применяются двухкомпонентные системы. Такие системы обычно состоят из полимера, содержащего изоцианатные группы, и вулканизирующего агента с гид­ роксильными концевыми группами. Эти системы смеши­ ваются и помещаются на некоторое время в герметизи­ рованный сосуд. Но они должны вулканизироваться при низкой температуре. Эпоксидные смолы не используются в качестве промежуточных покрытий, поскольку содер­ жащиеся в них амины, взаимодействуя с окисью пал­ ладия, уменьшают содержание этой окиси в резистивных материалах, что приводит к изменению сопротивлений резисторов.

Т а б ли ц а 3.8

Другими материалами для промежуточных покрытий благодаря их экономичности являются фенолы диаллилфталатных веществ. При правильном использовании эти материалы удовлетворительно предохраняют схемы от влажности и других влияний окружающей среды. К их основному недостатку относится необходимость в авто­ матическом оборудовании для контроля вязкости смеси при нанесении покрытия и их сушке. Применение такого дополнительного оборудования экономически оправдано при производстве большого количества схем. При окон-