LTCC厚膜電阻尺寸效應研究

李建輝, 沐方清, 吳建利

(1.中國電子科技集團公司第四十三研究所，安徽 合肥 230088；2.微系統(tǒng)安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC)技術集多層布線技術、厚膜技術及多層共燒技術于一體，可以與導體布線、互連通孔、電極、電阻等一次燒成，既提高組裝密度，又簡化工藝，是電子設備實現(xiàn)小型化、輕量化、多功能和高可靠性的較有效的技術途徑，在航天、航空、雷達、通信、計算機等領域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。

電阻(器)是電子產品中應用較多的重要元件，表貼分立電阻無疑將占用基板表面許多空間。在LTCC基板上將電阻做成厚膜電阻成膜在基板表面或埋置于基板內部，可以節(jié)約基板表面面積；并且由于厚膜電阻不需焊接，減少了組裝工序，電阻可靠性得到提高；埋置電阻還可縮短信號傳輸距離，信號延遲減小，產品性能得到提高[3-4]。但制作厚膜電阻時，影響電阻電性能(特別是阻值)的因素較多，漿料組分、制備工藝、成膜工藝以及燒結工藝均對電阻性能有重要的影響[5]。LTCC厚膜電阻是在生瓷片上印刷電阻漿料再疊壓燒結形成的，生瓷片是柔性的非致密生料片，不如常規(guī)熟瓷基板表面平整致密，其膜厚控制也不如在熟瓷表面成熟。對LTCC埋置電阻來說，一般是不能調阻；對LTCC表面電阻來說，有的也不能調阻，如形成回路的功分電阻。因此，印制LTCC厚膜電阻也帶來一定的阻值命中難度問題。有不少學者對厚膜電阻及其精度問題進行了研究。文獻[6]根據(jù)所使用的厚膜電阻漿料的不同對厚膜電阻印刷膜厚控制范圍進行調整。文獻[7]研究了LTCC印刷、層壓和燒結等工藝對埋置電阻方阻的影響；文獻[8]研究了內埋電阻在不同印刷工藝作用下方阻隨電阻長寬比的變化；文獻[9]采用激光修調法對LTCC內埋電阻進行更精確控制，提到綜合各位置區(qū)域的平均值，因電阻尺寸引起的膜厚差異波動百分比平均約為7.01%。雖然不少文章提到印刷及電阻尺寸對印制膜厚有影響，但鮮有對電阻尺寸影響及影響原因進行深入分析。本文通過在LTCC基板中制作不同尺寸的厚膜電阻，分析研究了LTCC厚膜電阻尺寸對印制膜厚和阻值的影響，提出了提高LTCC厚膜電阻命中率的方法。

1 實驗方法

厚膜電阻器的物理模型見圖1所示。

圖1 厚膜電阻示意圖

厚膜電阻器的阻值可以表示為

(1)

電阻率則可表示為

(2)

式中：ρ為電阻材料的電阻率；L為電阻長度，mm；W為電阻寬度，mm；d為電阻的膜層厚度，mm；R□為方阻，Ω/□；d與絲網(wǎng)線徑、乳膠厚度、刮板壓力、刮板速度、電阻漿料粘度等有關。

LTCC基板采用Ferro A6M生瓷帶制作，電阻漿料為FX 87-101系列，所用電極為金導體漿料。設計厚膜電阻尺寸包括寬度為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm四種，電阻方數(shù)有0.5□、1□、2 □和3 □，厚膜電阻樣品設計如圖2所示。圖2中1～4號電阻為0.5□；5～8和9～12號電阻均為1□，但9～12號電阻橫排；13～16號電阻為2□；17～19號電阻為3□。除9～12號電阻橫排外，其余電阻均為縱排。網(wǎng)版采用325目不銹鋼絲網(wǎng)，絲徑28 μm，孔徑50 μm，紗厚53 μm，開孔率41%，乳膠厚度為15 μm。生瓷帶通過生瓷切片、打孔、填孔、印制、疊壓和燒結而成LTCC基板?；鍩Y峰溫為850 ℃，燒結周期約12 h。LTCC基板中厚膜電阻制作工藝流程如圖3所示。采用CyberScanCobra500濕膜測厚儀按厚膜電阻序號順序測量電阻長度方向中部斷面膜層厚度；采用數(shù)字繁用表測量厚膜電阻阻值。

圖2 厚膜電阻樣品設計圖

圖3 LTCC厚膜電阻樣品工藝流程

2 結果與分析

2.1 電阻尺寸對印制電阻膜厚的影響

按照圖2電阻設計，在LTCC生瓷片表面，用同一個印刷網(wǎng)版、同一標稱值100 Ω/□的電阻漿料，印制不同尺寸的電阻，測試了電阻印刷后的濕膜厚度、干膜厚度和基板燒結后電阻器的阻值，結果見表1所示。

表1 電阻尺寸對印制電阻膜厚的影響

由表1可知，用同一標稱值的電阻漿料印制的不同尺寸的電阻，所印制的電阻膜厚不一樣。圖4為不同尺寸電阻所印制膜層的烘干膜厚趨勢圖。從圖表可見，電阻尺寸越小，所印制電阻濕膜膜層越厚，烘干膜層也越厚；反之，電阻尺寸越大，所印制電阻濕膜膜層越薄。寬度為0.5 mm的0.5□、1□、2□的電阻其干膜厚度均>30 μm。當電阻寬度≥1 mm并且長度≥1 mm時，厚度下降明顯；當電阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm后，膜厚下降減緩。1 □縱向排列的電阻膜厚與橫向排列的電阻膜厚相比沒有明顯差別，前者比后者(刮印方向)僅厚0.7 μm～1.8 μm(約3%～7%)。

圖4 不同電阻尺寸所對應的印制電阻干膜厚

從測量結果來看，1～4號電阻烘干膜厚與濕膜膜厚的比率約為2/3，后面電阻烘干膜厚與濕膜膜厚的比率總體呈逐漸增大趨勢。這可能與測量時間先后有關。電阻漿料含有一定比率的有機溶劑等有機載體；生瓷片內含有有機粘結劑等有機物，結構并不致密[10]。當漿料印制在LTCC生瓷片上時，漿料中的一些有機溶劑等有機載體可通過與生瓷片接觸的界面而進入生瓷片中。另外，漿料中還有低熔點易揮發(fā)的有機物。測試厚膜電阻濕膜時，需要在濕膜測厚儀下對位、掃描和選線測量，所有電阻并非均能在印刷后第一時間進行掃描，而是有先后順序。隨著時間增加，漿料中滲入生瓷片中的有機物和揮發(fā)的有機物不斷增加，漿料中有機成分便減少，濕膜有變干趨勢，所測試的厚膜電阻濕膜厚度便下降。因此，測定濕膜厚度只能反映印刷后第一時間所測電阻的真實濕膜厚，后面所測濕膜厚度則偏小。雖然同一生瓷片上不同時間測量的濕膜厚度有變化，但可根據(jù)第一時間測量的濕膜厚度來調整印制參數(shù)，在一定范圍內改變所印膜層厚度，提高工作效率。烘干膜厚則比較穩(wěn)定，排除了測量時間先后的影響。

電阻印刷過程中，漿料通過絲網(wǎng)孔印刷到生瓷片上，在生瓷片上鋪展、流平。根據(jù)絲網(wǎng)印刷膜厚傳統(tǒng)計算方法[11-12]，電阻濕膜厚度=絲網(wǎng)厚度(加上乳膠厚度)×開孔率。絲網(wǎng)印刷漿料膜層形成圖如圖5所示。根據(jù)本實驗所用印制網(wǎng)版參數(shù)，計算得濕膜厚度=(53 μm+15 μm)×41%=27.88 μm。而烘干膜厚約為濕膜膜厚2/3，因此計算得到烘干膜厚為18.6 μm。該數(shù)值僅與尺寸較大的16號和19號電阻烘干膜厚相近，其他尺寸電阻膜厚均比計算值18.6 μm大，小尺寸電阻膜層厚度普遍較大，與計算值相差較多。

圖5 絲網(wǎng)印刷漿料膜層形成圖

對于小尺寸的厚膜電阻，作者認為不能用常規(guī)的絲網(wǎng)印刷膜厚計算方法計算膜厚，應考慮絲網(wǎng)下的空間。漿料印刷時粘度降低，處于流動狀態(tài)，其流動能力與漿料所受刮板壓力、印刷速度、漿料粘度及絲網(wǎng)下空間大小等因素有關。

厚膜電阻印制時，為了對位方便，一般先印制電極，電極烘干后再印制電阻。印制電阻時，漿料受壓力作用進入絲網(wǎng)并處于流動狀態(tài)，只要有自由空間漿料就可流過去，直到推力和流動阻力平衡或受力消去才停止流動。因此，對于小尺寸電阻，印刷時其濕膜厚度應是電極厚度、乳膠厚度和絲網(wǎng)開孔透過漿料所形成膜層的總和，如圖6所示。圖6中，電極厚度為15 μm，乳膠厚度為15 μm，絲網(wǎng)厚度為53 μm，開孔率為41%，計算得到小尺寸電阻的濕膜厚度約為34.5 μm，與1號、2號、5號、9號、13號等幾個尺寸≤1 mm×0.5 mm的小尺寸電阻膜厚實測值相近。其他尺寸電阻干膜厚則小于30 μm。1號、5號、9號電阻膜層比計算的膜層略大，可能是絲網(wǎng)乳膠與電極接觸不完全緊密，或電極與乳膠厚度之和超過30 μm所致。可見，端頭電極和網(wǎng)版乳膠層對尺寸≤1 mm×0.5 mm的小尺寸電阻膜厚作用明顯。

圖6 小尺寸電阻絲網(wǎng)印刷漿料膜層形成圖

去掉端頭電極的厚度影響，按漿料在絲網(wǎng)下完全填充，濕膜厚度可簡化為乳膠厚度和絲網(wǎng)開孔透過漿料所形成膜層的總和，為36.7 μm，則干膜厚約為24.5 μm。表1中，除寬度為0.5 mm的電阻外，寬度為1.0 mm的2號、6號、10號電阻干膜厚比計算值還大，說明漿料確實填滿了這幾個電阻絲網(wǎng)下的乳膠空間，可能電極厚度還起了部分作用。尺寸為2.0 mm×1.0 mm的14號、3.0 mm×1.0 mm的18號電阻干膜厚與計算值相當或略小，可能由于長度原因，電極厚度基本未對電阻中部膜厚起作用。

在印刷時，絲網(wǎng)在刮板的壓力下產生形變與基板接觸，漿料則在刮板壓力下通過刻有圖形的絲網(wǎng)(沒有乳膠的部位)漏印到生瓷片上。絲網(wǎng)是有一定彈性的，刮板也有一定的柔韌性，絲網(wǎng)受到印刷刮板和漿料的壓力后會發(fā)生彈性形變。離支撐越遠，壓力作用更大，其形變也越大，絲網(wǎng)下降越多，故所印刷的電阻區(qū)可容納的漿料便減少，膜層便變薄。電極僅在電阻端頭存在，乳膠則在電阻周邊均存在。電阻較長時，在電阻中部，在印刷刮板壓力作用下端頭電極抬高絲網(wǎng)的作用也就不明顯了，此時，主要乳膠層起支撐作用；而當電阻尺寸增大后，乳膠支撐的絲網(wǎng)也會因受力而變形，如圖7所示。這時電阻的濕膜厚度若按傳統(tǒng)方法計算，即(絲網(wǎng)厚度+乳膠厚度)×開孔率，其濕膜厚<27.88 μm，相當于干膜厚度<18.6 μm。但實際電阻膜厚并沒有減小，可見，漿料印刷時并非形成圖5所示的絲網(wǎng)厚度+乳膠厚度的網(wǎng)孔漿料柱，而是絲網(wǎng)部分形成網(wǎng)孔漿料柱，絲網(wǎng)下面漿料量與印刷時絲網(wǎng)下的空間大小有關。漿料在刮板壓力作用下不僅位于絲網(wǎng)孔下，還會向空余的周邊流淌，直至填滿。當然，能否填滿絲網(wǎng)下空間與刮板壓力、印刷速度、漿料粘度等印刷參數(shù)有關。因此，盡管絲網(wǎng)下降，乳膠厚度作用減弱，但膜層厚度仍可大于濕膜傳統(tǒng)計算厚度。

圖7 絲網(wǎng)印制示意圖

當所印制的電阻面積大于一定尺寸時，中部絲網(wǎng)因受壓力形變甚至直接與生瓷片接觸，這時所形成的膜層很薄，與邊緣乳膠厚度關系不大。文獻[13]提到，對于線寬大于3 mm的印制線條，乳膠對膜層厚度基本不起作用。

2.2 電阻尺寸對印制電阻方阻的影響

在LTCC基板上同時印制不同大小的厚膜電阻，電阻尺寸對厚膜電阻方阻的影響見表1和圖8所示。由圖8可見，在同為縱向排列、相同方數(shù)情況下，電阻尺寸越小，方阻越低；尺寸越大，方阻越高。最大方阻比最小方阻大了近一倍。這一現(xiàn)象通過式(1)和表1可得到解釋。電阻尺寸越小，所印制的膜層越厚，因此阻值越小。由圖8還可見，寬度為0.5 mm的不同長度的厚膜電阻，和長度<1 mm的不同寬度的電阻，其方阻值均較低，在60 Ω/□附近，而電阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm及≥2 mm×1 mm的幾個不同方數(shù)的厚膜電阻其方阻值均在80 Ω/□以上。因此，在用同一生瓷片上，用相同標稱值的電阻漿料制作不同阻值的厚膜電阻時，電阻尺寸不能相差太大，特別電阻寬度不能相差太大，以免電阻命中率顧此失彼。

圖8 不同電阻尺寸所對應厚膜電阻方阻

2.3 電阻尺寸對厚膜電阻電阻率的影響

由式(2)可知，電阻膜厚乘以方阻是厚膜電阻的電阻率。但式(2)中這一膜厚是燒結后電阻的厚度，這個厚度的數(shù)值需要將基板上電阻剖切后拋光才能較準確得到，測試比較費時費力。本研究將電阻燒結前的干膜厚度乘以燒結后的方阻值作為參考對象對電阻進行判研。姑且把電阻干膜厚度乘以方阻稱為“名義電阻率”，表2和圖9分別列出了不同尺寸電阻的“名義電阻率”和散點圖。由圖9可見，所印制電阻的“名義電阻率”在1 700 Ω·μm～2 040 Ω·μm 之間，該批不同尺寸厚膜電阻的“名義電阻率”的平均值為1 887.64 Ω·μm，標準偏差僅為92.75 Ω·μm，約為平均值的4.91%，相對較小。雖然不同電阻尺寸對厚膜電阻方阻有較大影響，電阻干膜厚的測試結果因選擇測試部位不同和操作方式不同也存在一定差別，但電阻尺寸對“名義電阻率”的影響幅度不是很大。這也在一定程度上證明，厚膜電阻的電阻率或“名義電阻率”是厚膜漿料的本征材料屬性，與電阻圖形尺寸或印制工藝的關聯(lián)度很小。因此，在厚膜電阻尺寸按方阻與尺寸間關系(類似于圖8所示)而設計確定了的前提下，控制好厚膜電阻的干膜厚度就能提高阻值命中率。

表2 不同尺寸電阻的“名義電阻率”

圖9 不同尺寸電阻的“名義電阻率”

3 結 語

同一印刷網(wǎng)版印制不同尺寸的厚膜電阻，電阻尺寸越小，所印制電阻濕膜膜層越厚，烘干膜層也越厚。隨濕膜厚度測量先后時間不同，濕膜有變干趨勢，厚度下降，干膜厚/濕膜厚隨時間增大而呈現(xiàn)增大趨勢。

當厚膜電阻尺寸≤1.0 mm×0.5 mm時，電阻的端頭電極和網(wǎng)版乳膠層對印制膜厚作用明顯，電阻干膜較厚，方阻較低；當電阻尺寸≥1.0 mm×1.0 mm時，厚膜電阻的端頭電極對印制膜厚作用明顯減弱，電阻干膜厚度下降明顯；當電阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm后，膜厚下降減緩，方阻較高，端頭電極對印制膜厚作用很小，乳膠厚度對印制膜厚作用亦減弱。

不同尺寸厚膜電阻的阻值與電阻干膜厚之間基本呈現(xiàn)負相關關系，電阻燒結前的干膜厚度乘以燒結后的方阻值近似為一個具有較小標準偏差的常數(shù)。