激光調(diào)阻L型切割的仿真分析

劉建軍，王運龍

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥　230088）

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激光調(diào)阻L型切割的仿真分析

劉建軍，王運龍

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥230088）

摘 要：激光調(diào)阻具有高效率、高精度，是目前制備高精度印刷電阻的通用方法，廣泛應用于厚膜集成電路、厚膜傳感器等。L型切割精度高，阻值穩(wěn)定性好，是最常用的調(diào)阻切割路徑。對不同L型切割尺寸切割后的電阻進行仿真，分析電阻上的電流密度和發(fā)熱功率分布，得到的結(jié)果與實際經(jīng)驗吻合很好，對L型切割路徑參數(shù)設(shè)置具有指導意義。

關(guān)鍵詞：激光調(diào)阻；L切割；電流分布；仿真

1　引言

厚膜工藝具有成本低、操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于厚膜混合集成電路，厚膜傳感器等方面。厚膜混合集成電路通常會將無源器件，如電阻、電容、電感等共燒或后燒集成在電路板中，可簡化工藝，縮小電路面積。厚膜傳感器采用后燒電阻構(gòu)成電橋，可用于測量壓力、溫度等信息。這兩方面的應用，都涉及到印刷電阻。由于印刷電阻通常采用絲網(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)條件的不重復性會導致燒結(jié)后的電阻精度不高（阻值最大誤差達30%～40%），為此需對電阻阻值進行精確調(diào)整。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)阻機運行時，會實時檢測待調(diào)電阻阻值，當待調(diào)電阻阻值低于目標值時，激光器會發(fā)出激光束，按設(shè)定的調(diào)阻路徑對待調(diào)電阻進行切割，使電阻材料熔融、蒸發(fā)，達到目標值后自動停止。L型和U型調(diào)阻切割路徑是目前最常用的兩種切割方式。前期工藝研究表明，L型調(diào)阻路徑雖然調(diào)阻速度較慢，但精度較高、阻值穩(wěn)定性較好，調(diào)阻精度可達±0.5%[2～5]。L型調(diào)阻路徑分為兩部分，垂直于電流方向的橫向調(diào)阻為粗調(diào)，平行于電流方向的縱向調(diào)阻為細調(diào)。粗調(diào)部分的尺寸一般不超過電阻寬度的1/2，以避免通電時電流密度過大燒毀或失效。另外，切割時一定要將電阻切透到露出瓷體，如果不切透，殘留的薄層會造成電阻溫飄大。本文將針對不同切割路徑進行仿真，分析不同粗調(diào)尺寸，以及是否切透等各種情況下電阻上的電流密度和發(fā)熱功率分布情況，與實際產(chǎn)品參數(shù)對比，指導切割路徑參數(shù)設(shè)置。

2　仿真模型及結(jié)果

用于壓力傳感器的厚膜電橋電路電阻值通常約為20 kΩ，兩端加載5 V電壓，通過電流為0.25 mA。厚膜基底選用96%的Al2O3。模型中基底尺寸設(shè)為3 mm×3 mm，印刷燒結(jié)后的電阻尺碼設(shè)為0.6 mm× 1.2 mm。模型圖如圖1。

圖1　印刷電阻模型

激光調(diào)阻過程中，因為批量的一致性差異，切割路徑差別通常會較大，而且有時參數(shù)設(shè)置不當，如激光功率不夠或電阻厚度過大，還會出現(xiàn)電阻沒有切透的情況。本文仿真選取4種典型的切割情況，按粗調(diào)和細調(diào)的切割長度，以及是否將電阻切透到露出瓷體進行分類，具體描述如表1。

表1　切割路徑分類

分別對這5種典型切割路徑進行仿真分析，得到的電流密度分布情況如圖2～6所示。

圖2　切割路徑1的電流密度分布情況

圖3　切割路徑2的電流密度分布情況

圖4　切割路徑3的電流密度分布情況

圖5　切割路徑4的電流密度分布情況

圖6　切割路徑5的電流密度分布情況

在同樣條件下，仿真得到的5種典型切割路徑的電阻發(fā)熱情況如圖7～11所示。

圖7　切割路徑1的電阻發(fā)熱情況

圖8　切割路徑2的電阻發(fā)熱情況

圖9　切割路徑3的電阻發(fā)熱情況

圖10　切割路徑4的電阻發(fā)熱情況

圖11　切割路徑5的電阻發(fā)熱情況

從電流分布仿真結(jié)果可以看出，切透時電阻上電流密度分布的極大值一般出現(xiàn)在L型切割的拐點和終點，電流分布電阻發(fā)熱區(qū)集中在垂直方向上未切割的一段區(qū)域。未切透時，電流密度的極大值出現(xiàn)在L溝道的起點。電阻發(fā)熱區(qū)集中在L溝道未切透的薄層。對仿真結(jié)果進行整理，結(jié)果如表2。

表2　不同切割路徑的仿真結(jié)果匯總

3　討論

為驗證仿真結(jié)果，利用激光調(diào)阻儀LS2000制作了幾種切割路徑的實物，圖12中從左至右分別對應切割路徑1、3、4和5。因為電流密度分布測量困難，因此采用分段測試電壓的方法來評估分段區(qū)域的電流密度情況。以切割路徑3為例，在調(diào)阻儀探卡上焊接4根探針，分別搭接在圖中示意的1、2、3、4四個位置，燒結(jié)后的電阻事先用HF酸處理以除掉可能存在的表面釉，保證探針接觸導通良好。位置1和4之間施加5 V電壓，測量得到V12=0.85 V，V23=1.52 V，V34=2.63 V。采用顯微鏡測量尺寸，尺寸（毫米）信息如圖中標示。用測到的電壓和尺寸信息估算出來的電流密度分布j12=39 mA?mm-2，j23=124 mA?mm-2，j34=36 mA?mm-2，與切割路徑4的電流密度分布仿真結(jié)果（圖5）符合較好。

圖12　切割路徑實物

本文模型中，若不需調(diào)阻，電阻上的電流密度分布均勻，應為28 mA?mm-2。從表2結(jié)果中可以看出，若垂直切割距離較大（切割路徑4），或L溝道未切透，剩下較薄電阻層（切割路徑5），均會造成電流密度分布不均勻，電流密度的極大值能達到正常值的5～7倍，可能會超過電阻過壓能力。局部區(qū)域過大的電流密度可能會造成電阻燒毀。而其他3種切割路徑則相對安全。實際切割時的經(jīng)驗值是切割寬度不要超過電阻寬度的1/2，與仿真結(jié)果符合較好。另外，從發(fā)熱功率的分布情況可以看出，L溝道未切透，剩下較薄電阻層（切割路徑5）的情況最為惡劣，電阻發(fā)熱情況會非常集中，肯定會導致電阻工作條件下阻值飄移。因此，在實際調(diào)阻時，必須控制好激光功率，避免產(chǎn)生此類切割。

4　結(jié)束語

激光調(diào)阻L型切割時，若垂直方向切割寬度過大，

會造成局部電流密度過大，可能導致電阻損毀；若厚膜電阻層未切透，殘留薄層發(fā)熱嚴重，會導致電阻溫飄較大。

參考文獻：

[1] 李文娟. 厚膜微調(diào)技術(shù)及發(fā)展趨勢[J]. 微納科學與技術(shù)，2004：29-34.

[2] 王姜伙，王志勤. 基于厚膜混合集成電路的激光調(diào)阻工藝研究[J]. 電子與封裝，2012，12（11）：34-36.

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

[4] 孫繼鳳，滿海峰，湯建華，劉立峰. 激光調(diào)阻中切槽質(zhì)量與影響因素的關(guān)聯(lián)定位分析[J]. 激光雜志，2006，27（3）：15-17.

[5] 李穎，等. 厚膜混合電路的激光調(diào)阻技術(shù)[J]，2009.

劉建軍（1985—），男，博士，湖北天門人，畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，現(xiàn)為中國電科第38所工程師，研究方向為電子裝聯(lián)；

王運龍（1988—），男，博士，安徽界首人，畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，現(xiàn)為中國電科第38所工程師，研究方向為電子裝聯(lián)。

Simulation Analysis of Laser Trimming Using L-Cut

LIU Jianjun, WANG Yunlong
（China Electronic Technlogy Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China）

Abstract:Laser trimming was the most efficient way for getting high accuracy printing resistance. L-cut was most favorable since the trimmed resistance was stable. Simulation of different L-cut path was done to analysis the current density and heat generation distribution. The simulation result and the actual experience accord well.

Keywords:laser trimming; L-cut; current density; simulation

作者簡介：

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：TN305.1

文獻標識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）02-0037-03