La tecnología de película gruesa se utiliza para producir dispositivos/módulos electrónicos, como módulos de dispositivos de montaje en superficie , circuitos integrados híbridos , elementos calefactores , dispositivos pasivos integrados y sensores . La principal técnica de fabricación es la serigrafía ( stenciling ), que además de utilizarse en la fabricación de dispositivos electrónicos, también puede utilizarse para diversos objetivos de reproducción gráfica. Se convirtió en una de las técnicas clave de fabricación/miniaturización de dispositivos/módulos electrónicos durante la década de 1950. El espesor típico de la película, fabricada con procesos de fabricación de películas gruesas para dispositivos electrónicos, es de 0,0001 a 0,1 mm. [1]
Los circuitos/módulos de película gruesa se utilizan ampliamente en la industria automotriz, tanto en sensores, por ejemplo de mezcla de combustible/aire, sensores de presión, controles de motor y caja de cambios, sensores para liberar bolsas de aire, encendedores de bolsas de aire; Lo más común es que se requiera una alta confiabilidad, a menudo un rango de temperatura extendido también junto con un termociclado masivo de los circuitos sin fallas. [2] Otras áreas de aplicación son la electrónica espacial, la electrónica de consumo y diversos sistemas de medición donde se necesita un bajo costo y/o una alta confiabilidad.
La forma más sencilla de utilizar una tecnología de película gruesa es un sustrato/placa de módulo, donde el cableado se fabrica mediante un proceso de película gruesa. Además, se pueden fabricar resistencias y condensadores de gran tolerancia con métodos de película gruesa. El cableado de película gruesa se puede hacer compatible con la tecnología de montaje en superficie (SMT) y, si es necesario (debido a tolerancias y/o requisitos de tamaño), las piezas de montaje en superficie (resistencias, condensadores, circuitos integrados, etc.) se pueden ensamblar en una película gruesa. sustrato.
La fabricación de dispositivos/módulos de película gruesa es un proceso aditivo que implica la deposición de varias (normalmente entre 6 y 8 como máximo) capas sucesivas de capas conductoras, resistivas y dieléctricas sobre un sustrato eléctricamente aislante mediante un proceso de serigrafía . [3]
Como método de fabricación de bajo costo, es aplicable para producir grandes volúmenes de dispositivos pasivos discretos como resistencias , termistores , varistores y dispositivos pasivos integrados .
La tecnología de película gruesa también es una de las alternativas para ser utilizada en circuitos integrados híbridos y compite y complementa típicamente en la miniaturización electrónica (partes o elementos/área o volumen) con SMT basado en PCB ( placa de circuito impreso )/PWB (placa de cableado impreso). y tecnología de película delgada . [4]
Un proceso típico de película gruesa constaría de las siguientes etapas:
Los sustratos típicos para circuitos de película gruesa son Al 2 O 3 / alúmina , óxido de berilio (BeO), nitruro de aluminio (AlN), acero inoxidable , a veces incluso algunos polímeros y, en casos raros, incluso silicio (Si) recubierto con dióxido de silicio (SiO 2 ). , [5] [6] Los sustratos comúnmente utilizados para procesos de película gruesa son 94 o 96% de alúmina. La alúmina es muy dura y el tratamiento con láser del material es la forma más eficaz de mecanizarlo. El proceso de película gruesa también es un medio de miniaturización, donde un sustrato normalmente contiene muchas unidades (circuitos finales). Con el láser es posible trazar, perfilar y perforar agujeros. El trazado es un proceso en el que se dispara una línea de pulsos láser en el material y se elimina entre el 30% y el 50% del material; esto debilita el sustrato y, una vez completados todos los demás procesos, el sustrato se puede dividir fácilmente en unidades individuales. El perfilado se utiliza mucho, por ejemplo, en la fabricación de sensores, donde un circuito necesita adaptarse a tubos redondos u otras formas complejas diferentes. La perforación de orificios puede proporcionar una "vía" (unión conductora) entre los dos lados del sustrato; normalmente, los tamaños de los orificios están en el rango de 0,15 a 0,2 mm.
El tratamiento con láser antes de procesar los sustratos tiene una ventaja económica respecto al tratamiento con láser o el corte en cubitos con una sierra de diamante después del procesamiento.
Las tintas para electrodos, terminales, resistencias, capas dieléctricas, etc. se preparan comúnmente mezclando los polvos metálicos o cerámicos necesarios con un disolvente (pastas cerámicas de película gruesa) o pastas poliméricas [7] para producir una pasta para serigrafía. Para conseguir una tinta homogénea, los componentes mezclados de la tinta se pueden pasar a través de un molino de tres rodillos. Alternativamente, se pueden obtener tintas listas para usar de varias empresas que ofrecen productos para el tecnólogo de películas gruesas.
La serigrafía es el proceso de transferir una tinta a través de una pantalla de malla tejida estampada o una plantilla utilizando una escobilla de goma . [8]
Para mejorar la precisión, aumentar la densidad de integración y mejorar la precisión lineal y espacial de la tecnología de película gruesa fotoimaginable de serigrafía tradicional, se ha desarrollado. Sin embargo, el uso de estos materiales suele cambiar el flujo del proceso y necesita diferentes herramientas de fabricación.
Después de dejar pasar un tiempo después de la impresión para que la tinta se asiente, cada capa de tinta que se deposita generalmente se seca a una temperatura moderadamente alta de 50 a 200 °C (122 a 392 °F) para evaporar el componente líquido de la tinta y fijar la tinta. capa temporalmente en posición sobre el sustrato para que pueda manipularse o almacenarse antes del procesamiento final. Para tintas basadas en polímeros y algunas pastas de soldadura que curan a estas temperaturas, este puede ser el paso final requerido. Algunas tintas también requieren curado mediante exposición a luz ultravioleta .
Para muchas de las tintas para metal, cerámica y vidrio utilizadas en procesos de película gruesa se requiere una cocción a alta temperatura (normalmente superior a 300 °C) para fijar las capas en su posición de forma permanente sobre el sustrato.
Después de disparar, las resistencias se pueden recortar utilizando un método de corte abrasivo de precisión desarrollado por primera vez por SS White. [9] El método implica un medio abrasivo fino, generalmente óxido de aluminio de 0,027 mm. El corte abrasivo se alimenta a través de una punta de boquilla de carburo que puede ser de diferentes tamaños. La boquilla avanza a través de la resistencia disparada mientras el elemento de resistencia se monitorea con contactos de sonda y cuando se alcanza el valor final, se apaga el chorro abrasivo y la boquilla se retrae a la posición inicial cero. La técnica abrasiva puede lograr tolerancias muy altas sin calor ni agrietamiento de la frita de vidrio utilizada en la formulación de la tinta.
Después de disparar, las resistencias del sustrato se recortan al valor correcto. Este proceso se denomina recorte por láser . Muchas resistencias en chip se fabrican utilizando tecnología de película gruesa. Los sustratos grandes se imprimen con resistencias encendidas, se dividen en pequeños chips y luego se terminan para poder soldarlos en la placa PCB. Con el recorte por láser se utilizan dos modos; ya sea recorte pasivo, donde cada resistencia se ajusta a un valor y tolerancia específicos, o recorte activo, donde la retroalimentación se utiliza para ajustarse a un voltaje, frecuencia o respuesta específica mediante el recorte con láser de las resistencias en el circuito mientras está encendido.
El desarrollo del proceso SMT en realidad evoluciona a partir del proceso de película gruesa. Además, el montaje de matrices desnudas (el chip de silicio real sin encapsulación) y la unión de cables es un proceso estándar, lo que proporciona la base para la miniaturización de los circuitos, ya que no es necesaria ninguna encapsulación adicional.
Este paso suele ser necesario porque se producen muchos componentes en un sustrato al mismo tiempo. Por tanto, se requiere algún medio para separar los componentes entre sí. Este paso se puede lograr cortando la oblea en cubitos .
En esta etapa, es posible que sea necesario integrar los dispositivos con otros componentes electrónicos, generalmente en forma de placa de circuito impreso. Esto se puede lograr uniendo cables o soldando .
Existen numerosos pasos en la fabricación de películas gruesas que necesitan un control cuidadoso, como la rugosidad del sustrato, las temperaturas y tiempos de curado de las pastas, el espesor de la plantilla seleccionada versus el tipo de pasta, etc., [10] [11] Por lo tanto, la cantidad de pastas utilizadas y Los pasos del proceso definen la complejidad del proceso y el costo del producto final.
Para diseñar circuitos de película gruesa se pueden utilizar herramientas de automatización de diseño electrónico iguales o similares que se utilizan para diseñar placas de circuito impreso . Sin embargo, es necesario prestar atención a la compatibilidad de los formatos de herramientas con el fabricante de la plantilla, así como a la disponibilidad de las reglas de diseño geométrico, eléctrico y térmico para la simulación y el diseño del diseño por parte del fabricante final.