基于厚膜混合集成電路的激光調(diào)阻工藝研究*

王姜伙，王志勤

（中國電子科技集團(tuán)公司第38 研究所，合肥 230088）

1 引言

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，厚膜混合集成電路由于低成本、高可靠性等特點而應(yīng)用越來越廣泛。其中厚膜電阻通常采用絲網(wǎng)印刷方式制作，其操作固有的不精確性、基板表面不均勻以及燒結(jié)條件的不重復(fù)性導(dǎo)致燒結(jié)后的電阻精度不高（阻值最大誤差達(dá)30%～40%），為此需對電阻阻值進(jìn)行精確調(diào)整[1]。

與之前常用的噴砂調(diào)阻、脈沖電壓調(diào)阻方法相比較，激光調(diào)阻由于具有高精度、高效率、無污染等特點，已成為目前最常用的電阻阻值修調(diào)方法[1]。激光調(diào)阻的運行原理是：首先測量待調(diào)電阻阻值，若在可調(diào)阻范圍內(nèi)，則將激光打開按指定路徑進(jìn)行調(diào)阻。激光器打開后發(fā)出脈沖激光束聚焦成很小的光斑，對厚膜電阻的有效區(qū)域進(jìn)行切割，使之熔融、蒸發(fā)，通過改變厚膜電阻導(dǎo)體的有效導(dǎo)電面積或有效長度來調(diào)整厚膜電阻阻值，使之達(dá)到設(shè)定值范圍后關(guān)閉激光，調(diào)阻結(jié)束。激光調(diào)阻原理示意圖如圖1所示。

2 激光調(diào)阻工藝研究主要內(nèi)容

本次研究使用的是國外進(jìn)口的Nd：YAG固體激光調(diào)阻機(jī)，該設(shè)備采用檢流計式光束定位系統(tǒng)，具有調(diào)速快、一致性好、無故障工作時間長等特點。

厚膜混合電路基板激光調(diào)阻工藝內(nèi)容主要包括探針卡焊接組裝、調(diào)阻程序編制及工藝試驗研究三部分。

圖1 激光調(diào)阻原理示意圖

3 探針卡焊接組裝

探針卡焊接組裝是指根據(jù)待調(diào)基板表層圖形，完成探針與探針卡的焊接組裝，調(diào)阻時所有探針針尖均與待調(diào)基板對應(yīng)位置充分接觸，以便激光調(diào)阻機(jī)對待調(diào)基板電阻進(jìn)行實時測量與調(diào)節(jié)。探針卡焊接時，所有探針針尖與表層圖形的接觸位置應(yīng)盡量位于其中心位置；所有探針分布應(yīng)合理均勻，不能橫跨待修調(diào)區(qū)域；所有探針不可相互橫跨，必要時需分區(qū)域或分塊焊接；探針必要時可折彎焊接，可重復(fù)利用；焊接后所有針尖應(yīng)盡量處于一個平面以保證與待調(diào)基板接觸正常；為保證焊接效率，單塊探卡測試板（焊盤總數(shù)為50）焊接探針總數(shù)不應(yīng)超過40根。常用探針卡如圖2左所示，某基板表層局部焊盤與探針焊接如圖2右所示。

圖2 探針卡及探針焊接示意圖

4 調(diào)阻程序編制

調(diào)阻程序編制包括主程序與子程序兩部分。

主程序即調(diào)阻編程的主要架構(gòu)，包括調(diào)阻儀激光快門開/關(guān)、伺服馬達(dá)參數(shù)設(shè)置、圖像參數(shù)設(shè)置、接觸位置調(diào)整、子程序模塊以及工作臺復(fù)位。其中伺服馬達(dá)參數(shù)不需做改動；圖像參數(shù)設(shè)置則是根據(jù)基板厚度調(diào)節(jié)鏡頭高度使圖像達(dá)到最清晰為止；接觸位置調(diào)整是指調(diào)整探針卡與待調(diào)基板的相對水平位置，并調(diào)節(jié)探針卡高度，使探針針尖能與待測位置接觸充分。

子程序即針對具體目標(biāo)阻值及激光調(diào)阻過程參數(shù)設(shè)置進(jìn)行編程，主要包括激光相關(guān)參數(shù)設(shè)置、檢流計相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及修調(diào)過程參數(shù)設(shè)置。其中激光相關(guān)參數(shù)是指根據(jù)待調(diào)基板設(shè)定激光輸出功率以及頻率；檢流計相關(guān)參數(shù)一般不需做改動；修調(diào)過程參數(shù)設(shè)置包括目標(biāo)值設(shè)定、測試點設(shè)定、調(diào)阻路徑設(shè)定、過程參數(shù)設(shè)置（拐點及減速點）等。其中調(diào)阻路徑及過程參數(shù)設(shè)置在后面詳述。

5 工藝試驗研究

5.1 激光輸出功率、調(diào)阻速度與調(diào)Q頻率

激光輸出功率是一項重要指標(biāo)，設(shè)置值必須合適。若設(shè)置過大，由于存在熱熔區(qū)和熱影響區(qū)，在電阻表面可能產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象（影響最大為垂直電流方向部分）；切口可造成局部電流過于集中，會產(chǎn)生阻值漂流和電阻噪聲。若設(shè)置過小，不能保證切口干凈，殘留電阻材料會產(chǎn)生橋聯(lián)，影響電阻穩(wěn)定性。針對一般厚膜電阻，激光輸出功率應(yīng)設(shè)定為3W～6W。

假設(shè)激光光斑直徑為30μm，令激光光斑重疊率為α，調(diào)阻速度為v（mm/ s），調(diào)Q 頻率為f（Hz），則它們之間的關(guān)系如下式所示。

因此需設(shè)置好調(diào)阻速度v和調(diào)Q頻率f，使激光光斑重疊率處于70%～90%[2]，從而保證切槽平整光滑。

5.2 調(diào)阻路徑類型

激光調(diào)阻路徑是指激光在電阻導(dǎo)體上的掃描路徑。由于受激光束控制難易的影響，調(diào)阻路徑一般為直線或直線的組合。常見路徑如圖3所示，從左依次為I型、L型、U型、交叉I型及掃描型調(diào)阻路徑。

圖3 常用調(diào)阻路徑類型

其中I型調(diào)阻路徑調(diào)阻速度快、精度低，阻值穩(wěn)定性差；L型調(diào)阻路徑調(diào)阻速度較慢、精度較高，阻值穩(wěn)定性較好；U型刻蝕路徑調(diào)阻速度慢、精度高，阻值穩(wěn)定性好；交叉I型調(diào)阻路徑為I型調(diào)阻路徑的改進(jìn)型，其調(diào)阻精度及穩(wěn)定性均較I型好，較L型及U型差；掃描式調(diào)阻路徑調(diào)阻速度很慢，但精度很高，阻值穩(wěn)定性好。

綜合調(diào)阻精度、速度及阻值穩(wěn)定性等方面，常用電阻調(diào)整一般采用L型調(diào)阻路徑。其中，垂直于電流方向的橫向調(diào)阻對阻值影響較大，稱為粗調(diào)，平行于電流方向的縱向調(diào)阻對阻值影響較小，稱為精調(diào)。

5.3 過程參數(shù)設(shè)置

激光調(diào)阻中需設(shè)定的主要過程參數(shù)是拐點和減速點。拐點即調(diào)阻路徑發(fā)生改變的點；減速點即激光運行結(jié)束前速度開始降低的點。針對單層厚膜基板電阻，分別采用L型、U型、交叉I型、掃描型這四種常用調(diào)阻路徑方式，經(jīng)多次系列實驗后確定了拐點與減速點的參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 主要過程參數(shù)設(shè)置（目標(biāo)值的百分比）

6 實例驗證

設(shè)計含500Ω、1kΩ、2kΩ及4kΩ四種電阻的單層厚膜電阻電路并生產(chǎn)共計30塊，選用96%的Al3O2陶瓷基板（厚度為1.0mm），按照外形尺寸先劃切分片，采用絲網(wǎng)印刷方式印制導(dǎo)帶、各電阻及玻璃釉，干燥、燒結(jié)后進(jìn)行激光調(diào)阻實驗。

采用L型調(diào)阻方式，主要過程參數(shù)設(shè)置參照表1，調(diào)阻前與目標(biāo)值相差-20%～-35%，調(diào)阻后阻值記錄（實測值與目標(biāo)值的差值百分比）如表2所示，調(diào)阻后的精度滿足±0.5%。厚膜電阻電路設(shè)計圖形與實際調(diào)阻局部圖形如圖4左和圖4右所示。

圖4 厚膜電阻電路設(shè)計圖與調(diào)阻后局部圖形

7 結(jié)束語

目前我所厚膜混合集成電路激光調(diào)阻工藝運行穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于各型號產(chǎn)品中。雖然現(xiàn)在激光調(diào)阻精度已達(dá)到±0.5%，但在未來對調(diào)阻精度要求越來越高的趨勢下，激光調(diào)阻工藝參數(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化以提高調(diào)阻精度。此外激光調(diào)阻效率不是很高，只能滿足中小批量的要求。激光調(diào)阻工藝還可應(yīng)用于具有相似特性的薄膜電阻及LTCC基板表層電阻微調(diào)。未來就調(diào)阻精度高、調(diào)阻效率高以及應(yīng)用領(lǐng)域拓寬等方向進(jìn)一步深入研究，以使激光調(diào)阻工藝發(fā)揮更重要的作用。

表2 調(diào)阻結(jié)果（與目標(biāo)值的差值百分比）

[1]李文娟，等.厚膜微調(diào)技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].微納科學(xué)與技術(shù)，2004.29-34.

[2]夏俊生.厚膜電阻的大范圍連續(xù)可調(diào)設(shè)計[J].電子與封裝，2009.27-31.

[3]孫繼鳳，等.激光調(diào)阻工藝參數(shù)對調(diào)阻精度的影響分析[J].應(yīng)用激光，2004，24（3）：139-141.

[4]李穎，等.厚膜混合電路的激光調(diào)阻技術(shù)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009.202-207.

[5]王志娟，等.片式電阻激光微調(diào)過程中的調(diào)阻精度控制[J].光電子激光，2004.86-88.