نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع اختصاصی: راسخون


 

مدارات لایه ضخیم( thick-film circuits)

مدارات لایه ضخیم دارای ساختار تک لایه و چندلایه هستند که این مدارات بوسیله ی رسوب دهی یک لایه یا چندلایه از یک خمیر با فرمولاسیون ویژه و یا یک جوهر بر روی یک زیرلایه ی مناسب، تولید می شود. تکنولوژی لایه ی ضخیم در اوایل دهه ی 1960 وقتی شروع شد که شرکت DuPont سیستم مقاومت لایه ضخیم را برای کاربرد در مدارهای کوچک شده معرفی کرد. IBM مواد لایه ضخیم را در خانواده ی کامپیوتر های IBM/360 خودش مورد استفاده قرار داد. هم اکنون بازار جهانی مدارات لایه ی ضخیم و وسایل دارای این مدارات، فروش 14 میلیارد دلاری دارد. بیشتر مدارات لایه ضخیم هنوز هم در کاربردهای الکترونیکی مانند کامپیوترها کاربرد دارد( شکل 1).
سه گروه اصلی برای مواد لایه ضخیم وجود دارد( رساناها، مقاومت ها، دی الکتریک ها) و تمام آنها حداقل یک جزء سرامیکی دارند. آنها به صورت خمیر یا جوهر عرضه می شوند که دارای اجزی زیر هستند:
 جزء یا اجزای اصلی غیرآلی؛ این اجزاء در اغلب موارد به صورت پودر نرم هستند.
 یک بایندر آلی؛ این بایندر برای ایجاد استحکام در بدنه ی خام استفاده می شود.
 یک حلال آلی با نقطه ذوب پایین؛ این حلال ویسکوزیته ی مورد نیاز برای اینکه خمیر بر روی زیرلایه، رسوب کند را ایجاد می کند.

چاپ کردن شبکه ای( Screen printing) و فرایند آن

مواد لایه ضخیم بر روی زیرلایه های مسطح بوسیله ی چاپ کردن شبکه ای، رسوب داده می شوند. منشأ چاپ کردن شبکه ای به بیش از 3000 سال پیش بر می گردد، وقتی که چینی ها از چاپ کردن شبکه ای با پارچه ی ابریشمی برای رسوب دادن الگوهای رنگ چندلایه بر روی پارچه بهره بردند. یک فرایند مشابه نیز امروزه برای چاپ کردن طرح و لوگو بر روی تیشرت، مورد استفاده قرار می گیرد.
شکل 2 یک دیاگرام شماتیک از فرایند چاپ کردن شبکه ای را نشان می دهد. خمیر با فشار از میان حفرات شبکه عبور داده می شوند. ویسکوزیته ی جوهر بوسیله ی نوع و مقدار حلال آلی اضافه شده به فرمولاسیون خمیر تنظیم می شود. حلال های متداول برای این کار عبارتند از روغن کاج، ترپینول( terpineol) و بوتیل کربیتول استات( butyl carbitol acetate). خمیر لایه ضخیم باید دارای ویسکوزیته ی پایین در
سرعت برشی بالا باشد به نحوی که با اعمال نیرو به خمیر، خمیر از حفرات شبکه عبور کند. ویسکوزیته باید برای یک زمان کوتاه پس از آنکه نیرو اعمال می گردد و شبکه از زیر لایه جدا می گردد، پایین بماند تا لایه ی چاپ شده بتواند از سیم های شبکه به ناهمواری ها منتقل گردد. ویسکوزیته باید سپس به سرعت افزایش یابد تا از پخش شدن لایه ی رسوب کرده، جلوگیری گردد.
وسیله ای که برای رسوب دادن خمیرهای لایه ضخیم استفاده می شود، شبیه به وسایلی است که در فرایند چاپ کردن بر روی تی شرت، مورد استفاده قرار می گیرد، اما برای کاربردهای الکترونیک، دقت در گذاشتن مواد و کنترل ضخامت مورد نیاز است. این ممکن است که خط های مداری ایجاد کنیم که دارای عرض 5 میکرون و ضخامت 5 میکرون هستند. پس از فرایند چاپ، زیرلایه ی پوشش داده شده با خمیر مرطوب، به یک آون خشک کن منتقل می گردد تا حلال های آلی موجود در آن خارج گردد. خطوط مدار هنوز دارای بایندر آلی هستند که این بایندر به این خطوط استحکام می دهد.
انتخاب بایندر همانند انتخاب حلال مهم می باشد. بایندر در خواص رئولوژی کلی خمیر مشارکت دارد اما این بایندر باید در طی فرایند پخت به طور کامل خارج گردد. اتیل سلولز یک بایندر متداول برای موادی که در اتمسفر هوا، پخت می شوند. بایندرهای مناسب برای پخت دادن در اتمسفرهای خنثی و کاهشی، باید به دقت انتخاب گردند به نحوی که در طی فرایند پخت، کربن در بدنه باقی نماند. گزینه های مناسب عبارتند از نیتروسلولز و کوپلیمر اتیلن و وینیل استات.
کوره ی مورد استفاده برای این کار یک کوره ی تسمه ای( belt furnace) دارای دمای تعریف شده است. نمودار دمایی آن در شکل 3 نشان داده شده است. زمان ماکزیمم دما بین 6 تا 10 دقیقه است که در این زمان اجزای غیرآلی به همدیگر زینتر می شوند و به زیرلایه می چسبند.
زیرلایه ها برای مدارات لایه ضخیم( Substrates for Thick-Film Circuits)
زیرلایه ها برای مدارات لایه ضخیم عموما باید شروط زیر را داشته باشند:
 یک سطح یکنواخت( به طور نمونه، زبری سطح باید بین 20 تا 40 میکرون باشد).
 حداقل اعوجاج و برآمدگی( 0.010 تا 0.22 سانتیمتر بر سانتیمتر)
 قابلیت استقامت در برابر دماهای فرایندی بالاتر از 1000 درجه ی سانتیگراد.
 تلورانس ابعادی حداقل( برای اندازه و برای ضخامت)
 استحکام
 رسانایی حرارتی بالا
 مقاومت الکتریکی بالا
 سازگاری شیمیایی با اجزای خمیر
 ثابت دی الکتریک پایین
 گران نبودن
آلومینا( 96 % Al2O3، 4% از یک نوع ماده ی شیشه ای که از MgO، CaO و SiO2 تشکیل شده است) متداول ترین ماده برای تولید زیرلایه هاست زیرا این زیرلایه تمام شروط بالا را در حد قابل قبول دارد. خود زیرلایه ها اکثرا بوسیله ی فرایند ریخته گری نواری که قبلا توصیف شد، تولید می شوند.
وقتی یک مدار در شرایطی استفاد می شود که مقدار قابل توجهی حرارت از زیرلایه عبور می کند، به حدی که رسانایی حرارتی آلومینا جوابگو نباشد، مواد جایگزین مورد استفاده قرار می گیرد. برای سال های زیادی تنها جایگزین آلومینا، برلیا( BeO) بود. بدی های BeO قیمت بالای آن و سمیت آن در در حالت بخار و پودر است. آلومینیوم نیترید( AlN) یکی دیگر از گزینه هاست. این ماده نه تنها دارای رسانایی حرارتی بالایی است، بلکه دارای ضریب انبساط حرارتی منطبق با سیلیسیم در گستره ی دمایی 25 تا 400 درجه ی سانتیگراد است( و ). این سه زیرلایه در جدول 1 مقایسه شدند.
اگرچه خواص AlN، آن را برای کاربرد در بسته های الکترونیکی مناسب می کند، اما چندین مشکل از لحاظ تجاری سازی این ماده وجود دارد:
 بیشتر زیر لایه های AlN دارای رسانایی گرمایی در حدود 170 است که بسیار پایین تر از رسانایی گرمایی تئوری آن( 320 ) است.
 قیمت پودر AlN بیش از جهار برابر قیمت پودر آلومیناست.
 چسبندگی خمیرها طراحی شده برای آلومینا کمتر از چسبندگی خمیرهای AlN است مگر آنکه سطح پیش از رسوب دهی اکسید زدایی گردد.

رساناهای لایه ضخیم( Thick-Film Conductors)

شروط الزامی برای رساناهای لایه ضخیم عبارتست از:
 مقاومت الکتریکی پایین
 چسبندگی خوب بر روی زیرلایه
 مشخصات خطی خوب
علاوه بر این ملاحظات زیر ممکن است وجود داشته باشد:
 قابلیت اتصال لحیم و سیم برای اتصالات خارجی
 مقاوم در برابر مهاجرت الکتریکی
 سازگاری با سایر اجزای لایه ی ضخیم مانند مقاومت ها و دی الکتریک ها
 قیمت قابل قبول
مواد اصلی در رسانای لایه ضخیم فلزات هستند. فلزات و آلیاژهای مهم که در رساناهای لایه ضخیم مصرف می شوند، به همراه سایر خصوصیت های آنها در جدول 2 آورده شده است. دو مکانیزم برای ایجاد چسبندگی لایه های فلزی به زیرلایه ها وجود دارد:
 پیوند دهی با خمیر شیشه( Frit bonding). یک مقدار کم( 2 تا 10%) پودر شیشه به فرمولاسیون خمیر اضافه می گردد. در طی پخت شیشه نرم می شود و زیرلایه را تر می کندو در داخل شبکه ی فلزی نفوذ کرده و ساختاری را توسعه می دهد که در هم پیچیده است. شیشه های متداول که در رساناهای با پیوند شیشه استفاده می شوند، شیشه های بروسیلیکاتی قلع دار هستند مثلا می توانند دارای 63 درصد وزنی PbO، 25 درصد وزنی B2O3 و 12 درصد وزنی SiO2 باشند.
 پیوند دهی واکنش پذیر( Reactive bonding). یک مقدار کم( 0.1 تا 1%) از CuO یا CdO به فرمولاسیون خمیر اضافه می شود. در طی زینترینگ، این اکسیدها با زیرلایه ی آلومینایی واکنش داده و اسپینل کادمیم یا مس( ) تولید می کنند.
پیوند دهی با خمیر شیشه متداول ترین روش است، اما پیوند دهی واکنش پذیر میز دارای مزایایی است. اولا، مقدار خیلی کمی از این افزودنی ها نیاز است، بنابراین مقدار مقاومت الکتریکی رسانا در حد امکان پایین می ماند. دوما، سطح رسانا تقریبا از فلز خالص تشکیل شده است که این مسئله باعث می شود تا اتصال سیم های طلا و یا آلومینیوم به سهولت انجام گردد. برخی از رساناهای لایه ضخیم دارای پیوندهای ترکیبی هستند، یعنی در این رساناها هم از شیشه و هم از اکسیدهای ایجاد کننده ی پیوند واکنش پذیر، استفاده می شود.

مقاومت های لایه ضخیم( Thick-Film Resistors)

فاز اصلی در مقاومت های لایه ضخیم یک مخلوط از پودرهای سرامیکی رسانا( یا نیمه رساناست) مانند اکسید روتنیوم( RuO2) بیسموت روتنیوم( Bi2Ru2O7) ، سرب روتنیوم( Pb2Ru2O6) و مخلوط های Ag، Pd و PdO هستند که برای استفاده در خمیرهای زینتر شده در هوا استفاده می شوند. برای خمیرهای پخت شده در اتمسفر نیتروژن از تانتالیوم نیترید( TaN) استفاده می شود. مقاومت مقاومت های لایه ضخیم، مقاومت صفحه ای است که واحد آن اهم بر سطح مربع است.
جنبه ی مقاومت صفحه ای در شکلa 4 نشان داده شده است. این شکل نشان می دهد که یک مقاومت صفحه ای با طول l و عرض w و ضخامت d دارای مقاومت R ( با فرمول زیر) می باشد:
که مقاومت ویژه است. اگر مقاومت به شکل مربع باشد( همانگونه که در شکلb 4 دیده می شود)، سپس می شود و معادله ی 9 به صورت زیر در می آید:
برای یک ماده و ضخامت داده شده، تمام صفحات مربعی دارای مقاومت یکسانی هستند که این مقاومت به اندازه ی مربع بستگی ندارد. این مقاومت با ویژگی مربعی به مقاومت صفحه ای معروف است. شکلc 17 یک شکل پیچیده ی مقاومت لایه نازک را نشان می دهد. اما این مقاومت می تواند جداکردن مربع هایش و محاسبه ی تعداد آنها درطول نوار و ضرب کردن مقاومت صفحات، تعیین گردد.
مقاومت های لایه ضخیم با مقادیر مقاومت صفحه ای بین 0.1 تا 10 مگا اهم بر سطح مربع وجود دارد. با مخلوط کردن مواد رسانای با ویژگی های مختلف و شیشه های عایق کننده، می توان مقاومت را کنترل کرد. برای فرمولاسیون مقاومت های صفحه ای این چنینی، نسبت رسانا به شیشه برابر 70 به 30 است.
یک پارامتر مهم در مقاومت های لایه ضخیم ضریب دمایی مقاومت ویژه ی( TCR) آنهاست. که نشان می دهد مقاومت با دما چگونه تغییر می کند. این پارامتر شیب خط نمودار مقاومت- دماست( همانگونه که در شکل 5 دیده می شود. محدودیت های TCR که برای یک فرمولاسیون خاص است، عبارت است از اینکه نمودارهای دو خط از نقاط مرجع بر روی نمودار، عبور می کند. به طور نمونه دمای مرجع 25 درجه ی سانتیگراد است و گستره ی دمایی بین تا است. ارقام TCR برای مقاومت های لایه ضخیم به طور نمونه وار کمتر از است.
الگوی مقاومت طراحی شده است به نحوی که رقم میانگین رسانای پخت شده کمتر از رقم مورد نیاز است. پس مقاومت نهایی با استفاده از یک لیزر یا یک جت ساینده هدایت می شود به نحوی که مواد زدوده شوند و مقاومت افزایش یافته و به مقدار مقدار مناسب برسد.

دی الکتریک های لایه ضخیم( Thick-Film Dielectrics)

دی الکتریک ها در چندین کاربرد متنوع موجود در مدارات لایه ضخیم کاربرد دارند:
 برای ایزوله کردن خطوط مدار در ساختارهای چندلایه ای
 به عنوان لایه ی دی الکتریک موجود در خازن های لایه ضخیم
 برای کپسوله کردن اجزای مدار
برای کاربردهای چندلایه، ماده ی اصلی عمدتا شیشه یا شیشه-سرامیک است. این ماده ثابت دی الکتریک پایینی دارد و انبساط حرارتی آن با زیرلایه مطابقت خواهد داشت، تا از بوجود آمدن تنش در زیرلایه جلوگیری شود. این لایه باید همچنین، در هنگامی که تحت سیکل های حرارتی مختلف( در طی فرایند تولید ساختار چندلایه) قرار می گیرد، نیزپایدار باشد.
برای کاربردهای خازنی لایه ی ضخیم، جزء دی الکتریک دارای یک ماده ی با ثابت دی الکتریک بالا مانند باریم تیتانات است. کپسوله کننده ها برای محافظت مقاومت ها از محیط های مضر مانند رطوبت بالا، حلال های آلی واکنش پذیر و ...، استفاده می شوند. کپسوله کننده ها همچنین از مهاجرت نقره در رساناهای دارای نقره، جلوگیری می کنند. شیشه ی انتخاب شده برای این کار به گونه ای است که از بازپخت بیش از حد مقاومت های لایه ضخیم جلوگیری گردد. بازپخت در این مقاومت ها ممکن است مقدار مقاومت آنها را تحت الشعاع قرار دهد. دماهای نمونه وار برای شیشه های کپسوله کننده در حدود 500 درجه ی سانتیگراد است. فرولاسیون بیشتر این شیشه ها،اختصاصی است. اما حصول یک چنین نرم شدگی در دمای پایین احتمالا به دلیل حضور PbO یا B2O3 در فرمولاسیون است.
منبع: C.Barry Carter. M. Grant Norton/ ceramic materials

/ج