Толстоплёночная технология

Толстоплёночная технология — это метод формирования функциональных слоёв и проводящих рисунков на подложке путём нанесения паст, содержащих функциональные порошки (металлы, керамику, стекло), с последующим вжиганием при высоких температурах. В отличие от тонкоплёночной технологии (напыление, осаждение), где толщина слоёв составляет единицы нанометров, в толстоплёночной технологии толщина готового слоя варьируется от 10 до 100 микрометров. Технология широко применяется в микроэлектронике, приборостроении, автомобильной промышленности и производстве датчиков.

История

Толстоплёночная технология берёт начало в 1940-х годах в США, когда компания DuPont начала разработку паст для нанесения проводящих дорожек на керамические подложки. Первоначально метод использовался для создания гибридных интегральных схем, где требовалось сочетать пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы) с активными элементами (транзисторами). В 1950-х годах технология была усовершенствована для производства толстоплёночных резисторов, которые отличались высокой стабильностью параметров. В СССР толстоплёночная технология активно развивалась с 1960-х годов, в частности, на предприятиях Министерства электронной промышленности для выпуска гибридных микросхем и датчиков.

Основные этапы процесса

Подготовка подложки

В качестве подложки чаще всего используется алюмооксидная керамика (Al₂O₃) с чистотой 96–99,5 %, реже — стекло, кремний или полимерные материалы. Подложка проходит очистку, обезжиривание и, при необходимости, термическую обработку для удаления влаги.

Приготовление паст

Паста состоит из трёх основных компонентов:

• Функциональный порошок (металл — серебро, палладий, золото, медь; керамика — оксид рутения, никель; стекло — боросиликатное стекло).
• Органическая связка (растворители, смолы, пластификаторы), обеспечивающая вязкость и адгезию.
• Неорганическая связка (стеклофритта, керамические добавки), которая после вжигания создаёт прочное сцепление с подложкой.

Нанесение

Нанесение осуществляется методом трафаретной печати (шелкографии). Через сетчатый трафарет с заданным рисунком паста продавливается ракелем на подложку. Точность нанесения составляет ±10–20 мкм. Для многослойных структур процесс повторяется с промежуточной сушкой.

Сушка

Нанесённый слой сушат при температуре 100–150 °C для удаления органических растворителей. Время сушки — 10–30 минут.

Вжигание (обжиг)

Ключевой этап: подложка с нанесённым слоем помещается в конвейерную печь с температурным профилем. Температура вжигания зависит от состава пасты:

• Серебро и серебро-палладий — 850–900 °C.
• Медь — 900–950 °C (в атмосфере азота для предотвращения окисления).
• Золото — 850–1000 °C.
• Резистивные пасты (на основе оксида рутения) — 850–900 °C.

В процессе вжигания органическая связка выгорает, стеклофритта плавится и спекается с частицами функционального порошка, образуя плотный, электропроводящий или изолирующий слой.

Классификация толстоплёночных материалов

По функциональному назначению

• Проводящие пасты — для создания токоведущих дорожек, контактных площадок, выводов. Наиболее распространены серебряные, палладий-серебряные, медные и золотые пасты.
• Резистивные пасты — для формирования резисторов с заданным сопротивлением (от 1 Ом до 10 МОм). Основной материал — оксид рутения (RuO₂) в стеклянной матрице.
• Диэлектрические пасты — для изоляции слоёв в многослойных структурах, создания конденсаторов и защитных покрытий. Используются стеклокерамические композиции.
• Пасты для подложек — для формирования собственно керамических подложек (например, в технологии LTCC).

По температуре вжигания

• Высокотемпературные (850–1000 °C) — на керамических подложках.
• Низкотемпературные (400–600 °C) — на стеклянных или полимерных подложках.

Применение

Микроэлектроника

Толстоплёночная технология используется для производства гибридных интегральных схем (ГИС), где на одной подложке размещаются пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы) и монтируются активные элементы (чипы транзисторов, микросхем). Такие схемы применяются в военной и аэрокосмической технике благодаря высокой надёжности и устойчивости к внешним воздействиям.

Датчики

Изготавливаются тензорезисторы, терморезисторы, газовые сенсоры, датчики давления и температуры. Толстоплёночные датчики отличаются низкой стоимостью и возможностью интеграции с измерительными схемами на одной подложке.

Автомобильная промышленность

Толстоплёночные резисторы и конденсаторы используются в блоках управления двигателем, системах зажигания, ABS. Медные пасты применяются для создания токоведущих дорожек в гибридных модулях.

Светодиодные технологии

На алюмооксидных подложках формируются токоведущие дорожки для светодиодных матриц, что обеспечивает эффективный отвод тепла.

Медицина

Изготавливаются электроды для ЭКГ, датчики для анализа крови, миниатюрные нагреватели для лабораторных чипов.

Технология LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics)

Разновидность толстоплёночной технологии, где многослойная керамическая подложка формируется из зелёных (необожжённых) керамических листов, на которые наносятся пасты. Затем все слои ламинируются и обжигаются одновременно при температуре 850–900 °C. LTCC позволяет создавать трёхмерные структуры с внутренними полостями, каналами и встроенными пассивными компонентами. Применяется в СВЧ-устройствах, телекоммуникациях, авионике.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность (возможность серийного выпуска).
• Относительно низкая стоимость оборудования и материалов.
• Возможность создания многослойных структур.
• Высокая температурная и химическая стойкость готовых изделий.
• Широкий диапазон номиналов резисторов и конденсаторов.

Недостатки

• Ограниченное разрешение (минимальная ширина дорожек — 50–100 мкм).
• Необходимость высокотемпературного обжига, что исключает использование многих подложек.
• Меньшая точность номиналов по сравнению с тонкоплёночной технологией (допуск ±5–20 %).
• Высокое энергопотребление на этапе вжигания.

Интересные факты

• Первые толстоплёночные резисторы на основе оксида рутения были разработаны в 1960-х годах и до сих пор остаются стандартом в гибридной электронике.
• В России толстоплёночная технология активно применяется на предприятиях концерна «Созвездие» и НПП «Пульсар» для выпуска специальной радиоэлектронной аппаратуры.
• Толстоплёночные пасты могут содержать до 70–80 % функционального порошка по массе.
• Технология LTCC используется для создания корпусов микросхем с интегрированными пассивными компонентами, что уменьшает размеры устройств на 30–50 %.

Источники

• ГОСТ Р 57434-2017 «Технология толстоплёночная. Термины и определения».
• «Толстоплёночная гибридная интегральная технология» / под ред. В. А. Григорьева. — М.: Радио и связь, 1985.
• «Handbook of Thick Film Technology» / P. J. Holmes, R. G. Loasby. — Electrochemical Publications, 1976.
• «Thick Film Technology: Fundamentals and Applications» / J. E. Sergent, C. A. Harper. — Springer, 1992.
• Материалы отраслевых конференций «Толстоплёночные технологии в микроэлектронике» (Россия, 2018–2023).