LTCC厚膜电阻尺寸效应研究

李建辉, 沐方清, 吴建利

(1.中国电子科技集团公司第四十三研究所，安徽 合肥 230088；2.微系统安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC)技术集多层布线技术、厚膜技术及多层共烧技术于一体，可以与导体布线、互连通孔、电极、电阻等一次烧成，既提高组装密度，又简化工艺，是电子设备实现小型化、轻量化、多功能和高可靠性的较有效的技术途径，在航天、航空、雷达、通信、计算机等领域发挥着重要的作用[1-2]。

电阻(器)是电子产品中应用较多的重要元件，表贴分立电阻无疑将占用基板表面许多空间。在LTCC基板上将电阻做成厚膜电阻成膜在基板表面或埋置于基板内部，可以节约基板表面面积；并且由于厚膜电阻不需焊接，减少了组装工序，电阻可靠性得到提高；埋置电阻还可缩短信号传输距离，信号延迟减小，产品性能得到提高[3-4]。但制作厚膜电阻时，影响电阻电性能(特别是阻值)的因素较多，浆料组分、制备工艺、成膜工艺以及烧结工艺均对电阻性能有重要的影响[5]。LTCC厚膜电阻是在生瓷片上印刷电阻浆料再叠压烧结形成的，生瓷片是柔性的非致密生料片，不如常规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。对LTCC埋置电阻来说，一般是不能调阻；对LTCC表面电阻来说，有的也不能调阻，如形成回路的功分电阻。因此，印制LTCC厚膜电阻也带来一定的阻值命中难度问题。有不少学者对厚膜电阻及其精度问题进行了研究。文献[6]根据所使用的厚膜电阻浆料的不同对厚膜电阻印刷膜厚控制范围进行调整。文献[7]研究了LTCC印刷、层压和烧结等工艺对埋置电阻方阻的影响；文献[8]研究了內埋电阻在不同印刷工艺作用下方阻随电阻长宽比的变化；文献[9]采用激光修调法对LTCC内埋电阻进行更精确控制，提到综合各位置区域的平均值，因电阻尺寸引起的膜厚差异波动百分比平均约为7.01%。虽然不少文章提到印刷及电阻尺寸对印制膜厚有影响，但鲜有对电阻尺寸影响及影响原因进行深入分析。本文通过在LTCC基板中制作不同尺寸的厚膜电阻，分析研究了LTCC厚膜电阻尺寸对印制膜厚和阻值的影响，提出了提高LTCC厚膜电阻命中率的方法。

1 实验方法

厚膜电阻器的物理模型见图1所示。

图1 厚膜电阻示意图

厚膜电阻器的阻值可以表示为

(1)

电阻率则可表示为

(2)

式中：ρ为电阻材料的电阻率；L为电阻长度，mm；W为电阻宽度，mm；d为电阻的膜层厚度，mm；R□为方阻，Ω/□；d与丝网线径、乳胶厚度、刮板压力、刮板速度、电阻浆料粘度等有关。

LTCC基板采用Ferro A6M生瓷带制作，电阻浆料为FX 87-101系列，所用电极为金导体浆料。设计厚膜电阻尺寸包括宽度为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm四种，电阻方数有0.5□、1□、2 □和3 □，厚膜电阻样品设计如图2所示。图2中1～4号电阻为0.5□；5～8和9～12号电阻均为1□，但9～12号电阻横排；13～16号电阻为2□；17～19号电阻为3□。除9～12号电阻横排外，其余电阻均为纵排。网版采用325目不锈钢丝网，丝径28 μm，孔径50 μm，纱厚53 μm，开孔率41%，乳胶厚度为15 μm。生瓷带通过生瓷切片、打孔、填孔、印制、叠压和烧结而成LTCC基板。基板烧结峰温为850 ℃，烧结周期约12 h。LTCC基板中厚膜电阻制作工艺流程如图3所示。采用CyberScanCobra500湿膜测厚仪按厚膜电阻序号顺序测量电阻长度方向中部断面膜层厚度；采用数字繁用表测量厚膜电阻阻值。

图2 厚膜电阻样品设计图

图3 LTCC厚膜电阻样品工艺流程

2 结果与分析

2.1 电阻尺寸对印制电阻膜厚的影响

按照图2电阻设计，在LTCC生瓷片表面，用同一个印刷网版、同一标称值100 Ω/□的电阻浆料，印制不同尺寸的电阻，测试了电阻印刷后的湿膜厚度、干膜厚度和基板烧结后电阻器的阻值，结果见表1所示。

表1 电阻尺寸对印制电阻膜厚的影响

由表1可知，用同一标称值的电阻浆料印制的不同尺寸的电阻，所印制的电阻膜厚不一样。图4为不同尺寸电阻所印制膜层的烘干膜厚趋势图。从图表可见，电阻尺寸越小，所印制电阻湿膜膜层越厚，烘干膜层也越厚；反之，电阻尺寸越大，所印制电阻湿膜膜层越薄。宽度为0.5 mm的0.5□、1□、2□的电阻其干膜厚度均>30 μm。当电阻宽度≥1 mm并且长度≥1 mm时，厚度下降明显；当电阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm后，膜厚下降减缓。1 □纵向排列的电阻膜厚与横向排列的电阻膜厚相比没有明显差别，前者比后者(刮印方向)仅厚0.7 μm～1.8 μm(约3%～7%)。

图4 不同电阻尺寸所对应的印制电阻干膜厚

从测量结果来看，1～4号电阻烘干膜厚与湿膜膜厚的比率约为2/3，后面电阻烘干膜厚与湿膜膜厚的比率总体呈逐渐增大趋势。这可能与测量时间先后有关。电阻浆料含有一定比率的有机溶剂等有机载体；生瓷片内含有有机粘结剂等有机物，结构并不致密[10]。当浆料印制在LTCC生瓷片上时，浆料中的一些有机溶剂等有机载体可通过与生瓷片接触的界面而进入生瓷片中。另外，浆料中还有低熔点易挥发的有机物。测试厚膜电阻湿膜时，需要在湿膜测厚仪下对位、扫描和选线测量，所有电阻并非均能在印刷后第一时间进行扫描，而是有先后顺序。随着时间增加，浆料中渗入生瓷片中的有机物和挥发的有机物不断增加，浆料中有机成分便减少，湿膜有变干趋势，所测试的厚膜电阻湿膜厚度便下降。因此，测定湿膜厚度只能反映印刷后第一时间所测电阻的真实湿膜厚，后面所测湿膜厚度则偏小。虽然同一生瓷片上不同时间测量的湿膜厚度有变化，但可根据第一时间测量的湿膜厚度来调整印制参数，在一定范围内改变所印膜层厚度，提高工作效率。烘干膜厚则比较稳定，排除了测量时间先后的影响。

电阻印刷过程中，浆料通过丝网孔印刷到生瓷片上，在生瓷片上铺展、流平。根据丝网印刷膜厚传统计算方法[11-12]，电阻湿膜厚度=丝网厚度(加上乳胶厚度)×开孔率。丝网印刷浆料膜层形成图如图5所示。根据本实验所用印制网版参数，计算得湿膜厚度=(53 μm+15 μm)×41%=27.88 μm。而烘干膜厚约为湿膜膜厚2/3，因此计算得到烘干膜厚为18.6 μm。该数值仅与尺寸较大的16号和19号电阻烘干膜厚相近，其他尺寸电阻膜厚均比计算值18.6 μm大，小尺寸电阻膜层厚度普遍较大，与计算值相差较多。

图5 丝网印刷浆料膜层形成图

对于小尺寸的厚膜电阻，作者认为不能用常规的丝网印刷膜厚计算方法计算膜厚，应考虑丝网下的空间。浆料印刷时粘度降低，处于流动状态，其流动能力与浆料所受刮板压力、印刷速度、浆料粘度及丝网下空间大小等因素有关。

厚膜电阻印制时，为了对位方便，一般先印制电极，电极烘干后再印制电阻。印制电阻时，浆料受压力作用进入丝网并处于流动状态，只要有自由空间浆料就可流过去，直到推力和流动阻力平衡或受力消去才停止流动。因此，对于小尺寸电阻，印刷时其湿膜厚度应是电极厚度、乳胶厚度和丝网开孔透过浆料所形成膜层的总和，如图6所示。图6中，电极厚度为15 μm，乳胶厚度为15 μm，丝网厚度为53 μm，开孔率为41%，计算得到小尺寸电阻的湿膜厚度约为34.5 μm，与1号、2号、5号、9号、13号等几个尺寸≤1 mm×0.5 mm的小尺寸电阻膜厚实测值相近。其他尺寸电阻干膜厚则小于30 μm。1号、5号、9号电阻膜层比计算的膜层略大，可能是丝网乳胶与电极接触不完全紧密，或电极与乳胶厚度之和超过30 μm所致。可见，端头电极和网版乳胶层对尺寸≤1 mm×0.5 mm的小尺寸电阻膜厚作用明显。

图6 小尺寸电阻丝网印刷浆料膜层形成图

去掉端头电极的厚度影响，按浆料在丝网下完全填充，湿膜厚度可简化为乳胶厚度和丝网开孔透过浆料所形成膜层的总和，为36.7 μm，则干膜厚约为24.5 μm。表1中，除宽度为0.5 mm的电阻外，宽度为1.0 mm的2号、6号、10号电阻干膜厚比计算值还大，说明浆料确实填满了这几个电阻丝网下的乳胶空间，可能电极厚度还起了部分作用。尺寸为2.0 mm×1.0 mm的14号、3.0 mm×1.0 mm的18号电阻干膜厚与计算值相当或略小，可能由于长度原因，电极厚度基本未对电阻中部膜厚起作用。

在印刷时，丝网在刮板的压力下产生形变与基板接触，浆料则在刮板压力下通过刻有图形的丝网(没有乳胶的部位)漏印到生瓷片上。丝网是有一定弹性的，刮板也有一定的柔韧性，丝网受到印刷刮板和浆料的压力后会发生弹性形变。离支撑越远，压力作用更大，其形变也越大，丝网下降越多，故所印刷的电阻区可容纳的浆料便减少，膜层便变薄。电极仅在电阻端头存在，乳胶则在电阻周边均存在。电阻较长时，在电阻中部，在印刷刮板压力作用下端头电极抬高丝网的作用也就不明显了，此时，主要乳胶层起支撑作用；而当电阻尺寸增大后，乳胶支撑的丝网也会因受力而变形，如图7所示。这时电阻的湿膜厚度若按传统方法计算，即(丝网厚度+乳胶厚度)×开孔率，其湿膜厚<27.88 μm，相当于干膜厚度<18.6 μm。但实际电阻膜厚并没有减小，可见，浆料印刷时并非形成图5所示的丝网厚度+乳胶厚度的网孔浆料柱，而是丝网部分形成网孔浆料柱，丝网下面浆料量与印刷时丝网下的空间大小有关。浆料在刮板压力作用下不仅位于丝网孔下，还会向空余的周边流淌，直至填满。当然，能否填满丝网下空间与刮板压力、印刷速度、浆料粘度等印刷参数有关。因此，尽管丝网下降，乳胶厚度作用减弱，但膜层厚度仍可大于湿膜传统计算厚度。

图7 丝网印制示意图

当所印制的电阻面积大于一定尺寸时，中部丝网因受压力形变甚至直接与生瓷片接触，这时所形成的膜层很薄，与边缘乳胶厚度关系不大。文献[13]提到，对于线宽大于3 mm的印制线条，乳胶对膜层厚度基本不起作用。

2.2 电阻尺寸对印制电阻方阻的影响

在LTCC基板上同时印制不同大小的厚膜电阻，电阻尺寸对厚膜电阻方阻的影响见表1和图8所示。由图8可见，在同为纵向排列、相同方数情况下，电阻尺寸越小，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。这一现象通过式(1)和表1可得到解释。电阻尺寸越小，所印制的膜层越厚，因此阻值越小。由图8还可见，宽度为0.5 mm的不同长度的厚膜电阻，和长度<1 mm的不同宽度的电阻，其方阻值均较低，在60 Ω/□附近，而电阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm及≥2 mm×1 mm的几个不同方数的厚膜电阻其方阻值均在80 Ω/□以上。因此，在用同一生瓷片上，用相同标称值的电阻浆料制作不同阻值的厚膜电阻时，电阻尺寸不能相差太大，特别电阻宽度不能相差太大，以免电阻命中率顾此失彼。

图8 不同电阻尺寸所对应厚膜电阻方阻

2.3 电阻尺寸对厚膜电阻电阻率的影响

由式(2)可知，电阻膜厚乘以方阻是厚膜电阻的电阻率。但式(2)中这一膜厚是烧结后电阻的厚度，这个厚度的数值需要将基板上电阻剖切后抛光才能较准确得到，测试比较费时费力。本研究将电阻烧结前的干膜厚度乘以烧结后的方阻值作为参考对象对电阻进行判研。姑且把电阻干膜厚度乘以方阻称为“名义电阻率”，表2和图9分别列出了不同尺寸电阻的“名义电阻率”和散点图。由图9可见，所印制电阻的“名义电阻率”在1 700 Ω·μm～2 040 Ω·μm 之间，该批不同尺寸厚膜电阻的“名义电阻率”的平均值为1 887.64 Ω·μm，标准偏差仅为92.75 Ω·μm，约为平均值的4.91%，相对较小。虽然不同电阻尺寸对厚膜电阻方阻有较大影响，电阻干膜厚的测试结果因选择测试部位不同和操作方式不同也存在一定差别，但电阻尺寸对“名义电阻率”的影响幅度不是很大。这也在一定程度上证明，厚膜电阻的电阻率或“名义电阻率”是厚膜浆料的本征材料属性，与电阻图形尺寸或印制工艺的关联度很小。因此，在厚膜电阻尺寸按方阻与尺寸间关系(类似于图8所示)而设计确定了的前提下，控制好厚膜电阻的干膜厚度就能提高阻值命中率。

表2 不同尺寸电阻的“名义电阻率”

图9 不同尺寸电阻的“名义电阻率”

3 结 语

同一印刷网版印制不同尺寸的厚膜电阻，电阻尺寸越小，所印制电阻湿膜膜层越厚，烘干膜层也越厚。随湿膜厚度测量先后时间不同，湿膜有变干趋势，厚度下降，干膜厚/湿膜厚随时间增大而呈现增大趋势。

当厚膜电阻尺寸≤1.0 mm×0.5 mm时，电阻的端头电极和网版乳胶层对印制膜厚作用明显，电阻干膜较厚，方阻较低；当电阻尺寸≥1.0 mm×1.0 mm时，厚膜电阻的端头电极对印制膜厚作用明显减弱，电阻干膜厚度下降明显；当电阻尺寸≥1.5 mm×1.5 mm后，膜厚下降减缓，方阻较高，端头电极对印制膜厚作用很小，乳胶厚度对印制膜厚作用亦减弱。

不同尺寸厚膜电阻的阻值与电阻干膜厚之间基本呈现负相关关系，电阻烧结前的干膜厚度乘以烧结后的方阻值近似为一个具有较小标准偏差的常数。