Толстопленочные элементы электроники и микроэлектроники

 

 

 

 

 

 

 

В. Н. Игумнов 

 

 

 

ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  

В ЭЛЕКТРОНИКЕ  

И МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ 

 

 

Монография 

 

 

 

 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2015 

 

УДК 621.382 
ББК  32.844.1 

И 28 

 
 

Рецензенты: 

заведующий кафедрой «Электронные  технологии в машиностроении» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, д-р техн. наук, профессор  Ю. В. Панфилов; 

главный научный сотрудник ЦНИТИ «Техномаш»,  

д-р техн. наук, профессор А. Ф. Белянин 

д-р техн. наук, профессор кафедры «Инновационные технологии  
машиностроения» Пермского национального исследовательского  

политехнического университета А. Л. Каменева 

 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 

 
Игумнов, В. Н. 

И 28    Толстопленочные элементы электроники и микроэлектроники: 

монография / В. Н. Игумнов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2015. – 204 с. 
ISBN 978-5-8158-1608-4 

 

Рассмотрены актуальные вопросы пленочной электроники – материа
лы, конструкции и технологии изготовления проводниковых, сверхпроводниковых и прочих толстопленочных элементов. Особое внимание уделено их электроискровой и тепловой обработке, а также использованию 
толстопленочных элементов в различных областях электроники. 

Для инженеров, исследователей, научных работников, аспирантов и 

магистрантов, специализирующихся в области пленочной электроники, а 
также смежных областях. 

УДК 621.382 
ББК  32.844.1 

 

ISBN 978-5-8158-1608-4 
© В. Н. Игумнов, 2015 
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие 
5 

Введение 
7 

 
Глава 1. ПРОВОДНИКОВЫЕ И РЕЗИСТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 
9  

1.1. Подложки 
9 

1.2. Проводниковые и резистивные пасты 
13 

1.3. Формирование рисунка толстопленочных элементов и схем 24 
1.4. Вжигание паст 
28 

1.5. Резистивные элементы: основные параметры 
33 

1.6. Резистивные элементы на основе диоксида рутения 
35 

1.7. Модели электропроводности толстопленочных элементов 
37 

1.8. Проводниковые элементы 
52 

 
Глава 2. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ  
ЭЛЕМЕНТЫ 
56  

2.1. Высокотемпературные сверхпроводники и пасты  

на их основе 
56 

2.2. Пасты для толстопленочных ВТСП-элементов 
63 

2.3. Подложки и буферные подслои 
65 

2.4. Вжигание сверхпроводниковых паст 
68 

 
Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ  
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 
79 

3.1. Конструкция и технология изготовления образцов 
79 

3.2. Характеристики материала резистивных элементов 
81 

3.3. Формирование структуры резистивного материала  

на стадии вжигания 
85 

 
Глава 4. ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА  
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 
91 

4.1. Искровой разряд в воздухе при нормальном давлении 
91 

4.2. Развитие искрового разряда 
96 

4.3. Особенности короткого искрового разряда 
100 

4.4. Процессы на электродах в газовом разряде 
103 

4.5. Размерная искровая обработка 
104 

4.6. Методика исследования короткого искрового разряда 
110 

4.7. Электроискровая подгонка сопротивления  

резистивных элементов 
122 

4.8. Электропроводность резистивного слоя  

с учетом электроискровой и тепловой обработки 
131 

4.9. Влияние параметров искровой обработки  

на сопротивление резистивного слоя 
138 

4.10. Распределение параметров в объеме резистивного слоя 
141 

4.11. Рентгеноструктурные исследования  

резистивного материала 
155 

4.12. Дрейф сопротивления резистивных элементов 
158 

4.13. Электроискровая обработка сверхпроводниковых  

элементов 
164 

 
Глава 5. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА 
В ЭЛЕКТРОНИКЕ 
167 

5.1. Проводниковые и резистивные схемы и устройства 
167 

5.2. Сверхпроводниковые схемы и устройства 
174 

5.3. Магнитные экраны 
185 

 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
192 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
194 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Настоящая монография посвящена актуальным проблемам пле
ночной электроники. 

Развитию электроники и микроэлектроники способствует актив
ное применение прогрессивных приемов и методов. Так, благодаря 
внедрению пленочной технологии были не только созданы оригинальные конструкции микроминиатюрных и высоконадежных 
устройств, но это также стимулировало и дальнейшее развитие теоретических исследований. Совершенствование измерительной техники, разработка пассивных и активных элементов связаны как с 
тонкопленочной, так и с толстопленочной технологией. Выбор той 
или иной технологии зависит от многих параметров, действующих 
на всех этапах создания электронных устройств, – от разработки до 
серийного производства. 

Если в области физики и технологии тонких пленок имеется зна
чительное количество монографий и справочников, которые охватывают большинство актуальных тем, то для толстопленочной электроники дело обстоит не так благополучно. Имеется довольно большое количество публикаций по различным частным вопросам, однако изданные в свое время монографии, например [1, 5, 8], уже стали 
библиографической редкостью, да они и, естественно, не содержат 
информации о последних работах и достижениях в этой области. 

Однако прогрессу в области толстопленочных элементов, 

устройств и схем в значительной степени способствовали успехи в 
области разработки новых типов паст и подложек, композиций на 
основе металлоорганических и светочувствительных соединений, 
совершенствование толстопленочной технологии, еще более широкое внедрение фотолитографии, лазерной техники в технологический процесс получения толстопленочных элементов и схем и т.д. 

В данной работе сделана попытка систематизировать и изложить 

основные вопросы, связанные с получением проводниковых и 

сверхпроводниковых толстопленочных элементов электроники, а 
также их электроискровой обработки, представить информацию по 
проводниковым, резистивным и высокотемпературным сверхпроводниковым толстопленочным элементам, а также рассмотреть вопросы состава и нанесения паст, проблемы их вжигания. 

В книге обобщены и проанализированы как имеющиеся литера
турные данные, так и результаты теоретических и экспериментальных авторских работ по исследованию электроискровой обработки 
резистивных и сверхпроводниковых толстопленочных элементов, по 
уточнению моделей их электропроводности. 

Автор благодарит рецензентов, чьи советы и замечания были 

учтены при работе над рукописью. С признательностью будут приняты все отзывы и замечания читателей, которые можно присылать 
по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, Поволжский государственный 
технологический университет, кафедра КиПР. 

 
 

ВВЕДЕНИЕ  

 

Толстопленочные элементы являются весьма важной частью 

электронных устройств. Они входят в состав устройств на дискретных элементах, микроэлектронных устройств, устройств  криоэлектроники и др. Некоторые устройства электроники являются полностью толстопленочными. К первой группе относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. С помощью толстопленочных 
коммутационных плат и металлокерамических корпусов осуществляют сборку гибридных и полупроводниковых интегральных схем. 
Так, гибридная интегральная микросхема СВЧ представляет собой 
диэлектрическую или ферритовую подложку, на которой методом 
толстопленочной технологии сформированы пассивные элементы 
(микрополосковые линии, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), а также смонтированы навесные активные и пассивные 
элементы. 

На базе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) тол
стых пленок выполняются такие устройства криоэлектроники, как 
микрополосковые линии, СВЧ-резонаторы, электромагнитные экраны и др. Привлекательность толстопленочных элементов и схем объясняется сравнительной простотой толстопленочной технологии, 
которая не требует сложного вакуумного оборудования, необходимого для технологии тонких пленок. 

Кроме того, толстопленочные элементы могут иметь существен
но большие мощности по сравнению с тонкопленочными. В ряде 
случаев это оказывается весьма существенным. К толстым пленкам 
относят слои, толщина которых превышает 1 мкм и достигает нескольких десятков микрометров, обычно она составляет 10…50 мкм. 

Толстопленочная технология включает в себя подготовку напол
нителя для пасты (металлы, оксиды, их смеси), связующей компоненты (стеклянный порошок) временного органического связующего 
и добавок, обеспечивающих заданные реологические характеристи

ки пасты. В зависимости от назначения элемента, паста содержит от 
0 до 100 % проводящей компоненты. 

После смешивания пасты ее наносят через сетчатый трафарет на 

подложку, формируя необходимую топологию. Подложку с пастовым 
рисунком подвергают термообработке (вжиганию) в специальной 
печи. В процессе вжигания формируются основные свойства толстопленочных элементов. При необходимости после вжигания элементы подвергают дополнительной обработке. К такой обработке, 
например, относятся лазерная и электроискровая подгонка сопротивления резисторов, отжиг ВТСП-элементов в кислородосодержащей среде и т.д. 
 

 
 

ГЛ А В А  1  

ПРОВОДНИКОВЫЕ И РЕЗИСТОРНЫЕ  

ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 

Элементы, о которых идет речь в данной главе, являются 
наиболее распространенными и хорошо освоенными. Резисторные толстопленочные элементы используются в виде дискретных резисторов, резисторных матриц и в составе толстопленочных интегральных схем. Не менее широкое применение находят проводниковые элементы. Они используются в 
виде проводниковых дорожек и контактных площадок гибридных интегральных схем. Применяются толстопленочные 
токоведущие дорожки и контактные площадки также в металлокерамических корпусах интегральных схем. Объемы производства всех упомянутых толстопленочных элементов постоянно растут. В последнее время широкое распространение 
получили толстопленочные элементы в изделиях СВЧдиапазона: индуктивности, резонаторы, микрополосковые 
линии передачи. 

1.1. ПОДЛОЖКИ 

Подложки для пленочных элементов и схем играют очень 

важную роль. Во-первых, они служат механической основой, на 
которую наносятся и на которой удерживаются толстопленочные 
элементы. 

Между подложкой и пленкой должна существовать хорошая ад
гезия. Однако это не единственные требования к подложке. В различных устройствах важными оказываются другие различные их 
свойства: механические, теплофизические, диэлектрические и т.д. 
В некоторых случаях важными оказываются химический состав подложки, влияние ее материала на свойства пленочного элемента. Так, 

оксид бериллия обладает хорошими тепловыми свойствами, но по 
прочности уступает оксиду алюминия, стеатит относительно недорог, но имеет плохие тепловые свойства. Фарфор, стеатит и форстерит имеют более низкую теплопроводность, чем оксид алюминия, а  
также низкое сопротивление сжатия и изгиба. Эмалированные металлические подложки обладают лучшим теплоотводом, однако, 
плоскостность стеклоэмали невелика (табл. 1.1). 

 

Таблица 1.1 

Характеристики основных материалов подложек [1] 

Материал 
подложки

Коэффициент 
теплопроводности Кт ∙102, 

Вт/м ºС

Температурный 

коэффициент 
линейного рас
ширения 

ТКЛР·10-6, ºС-1

Удельная 
теплоем
кость, 
кал/с ºС

Плотность 
г/см2

Удельное 
объемное 
электрическое сопротивление ρ, 

Ом·м

Оксид 
алю
миния (96 %)
Алюминий
Силикат 
алюминия
Оксид бериллия
Латунь
Медь
Эпоксид 
(изомер)
Кварцевое 
стекло

0,30
2,14

0,113

2,20
0,85
3,20

0,014

0,014

6,4
23,0

32,0

6,0
18,5
17,0

30,0

0,55

1,13
0,90

1,04

1,25
0,38
0,39

–

0,75

4,0
2,7

2,3

2,9
8,4
8,9

2,3

2,2

1·1010

2,8·10-4

1·1016

1·1010

6,7·10-4

1,7·10-4

1·1014

1·1020

 

В настоящее время в толстопленочной технологии наиболее рас
пространены подложки на основе оксида алюминия. Это связано с 
удовлетворительными тепловыми, высокими механическими характеристиками, стабильностью в широком температурном диапазоне, 
удовлетворительной шероховатостью, постоянством геометрических 
размеров (табл. 1.2).