基于厚膜混合集成電路的激光調阻工藝研究*

王姜伙，王志勤

（中國電子科技集團公司第38 研究所，合肥 230088）

1 引言

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

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

2 激光調阻工藝研究主要內容

本次研究使用的是國外進口的Nd：YAG固體激光調阻機，該設備采用檢流計式光束定位系統，具有調速快、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阻工藝內容主要包括探針卡焊接組裝、調阻程序編制及工藝試驗研究三部分。

圖1 激光調阻原理示意圖

3 探針卡焊接組裝

探針卡焊接組裝是指根據待調基板表層圖形，完成探針與探針卡的焊接組裝，調阻時所有探針針尖均與待調基板對應位置充分接觸，以便激光調阻機對待調基板電阻進行實時測量與調節。探針卡焊接時，所有探針針尖與表層圖形的接觸位置應盡量位于其中心位置；所有探針分布應合理均勻，不能橫跨待修調區域；所有探針不可相互橫跨，必要時需分區域或分塊焊接；探針必要時可折彎焊接，可重復利用；焊接后所有針尖應盡量處于一個平面以保證與待調基板接觸正常；為保證焊接效率，單塊探卡測試板（焊盤總數為50）焊接探針總數不應超過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 調阻程序編制

調阻程序編制包括主程序與子程序兩部分。

主程序即調阻編程的主要架構，包括調阻儀激光快門開/關、伺服馬達參數設置、圖像參數設置、接觸位置調整、子程序模塊以及工作臺復位。其中伺服馬達參數不需做改動；圖像參數設置則是根據基板厚度調節鏡頭高度使圖像達到最清晰為止；接觸位置調整是指調整探針卡與待調基板的相對水平位置，并調節探針卡高度，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阻值及激光調阻過程參數設置進行編程，主要包括激光相關參數設置、檢流計相關參數設置以及修調過程參數設置。其中激光相關參數是指根據待調基板設定激光輸出功率以及頻率；檢流計相關參數一般不需做改動；修調過程參數設置包括目標值設定、測試點設定、調阻路徑設定、過程參數設置（拐點及減速點）等。其中調阻路徑及過程參數設置在后面詳述。

5 工藝試驗研究

5.1 激光輸出功率、調阻速度與調Q頻率

激光輸出功率是一項重要指標，設置值必須合適。若設置過大，由于存在熱熔區和熱影響區，在電阻表面可能產生龜裂現象（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，會產生阻值漂流和電阻噪聲。若設置過小，不能保證切口干凈，殘留電阻材料會產生橋聯，影響電阻穩定性。針對一般厚膜電阻，激光輸出功率應設定為3W～6W。

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

因此需設置好調阻速度v和調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 調阻路徑類型

激光調阻路徑是指激光在電阻導體上的掃描路徑。由于受激光束控制難易的影響，調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型及掃描型調阻路徑。

圖3 常用調阻路徑類型

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

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

5.3 過程參數設置

激光調阻中需設定的主要過程參數是拐點和減速點。拐點即調阻路徑發生改變的點；減速點即激光運行結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阻路徑方式，經多次系列實驗后確定了拐點與減速點的參數設置，如表1所示。

表1 主要過程參數設置（目標值的百分比）

6 實例驗證

設計含500Ω、1kΩ、2kΩ及4kΩ四種電阻的單層厚膜電阻電路并生產共計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，采用絲網印刷方式印制導帶、各電阻及玻璃釉，干燥、燒結后進行激光調阻實驗。

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

圖4 厚膜電阻電路設計圖與調阻后局部圖形

7 結束語

目前我所厚膜混合集成電路激光調阻工藝運行穩定，廣泛應用于各型號產品中。雖然現在激光調阻精度已達到±0.5%，但在未來對調阻精度要求越來越高的趨勢下，激光調阻工藝參數有待進一步優化以提高調阻精度。此外激光調阻效率不是很高，只能滿足中小批量的要求。激光調阻工藝還可應用于具有相似特性的薄膜電阻及LTCC基板表層電阻微調。未來就調阻精度高、調阻效率高以及應用領域拓寬等方向進一步深入研究，以使激光調阻工藝發揮更重要的作用。

表2 調阻結果（與目標值的差值百分比）

[1]李文娟，等.厚膜微調技術及發展趨勢[J].微納科學與技術，2004.29-34.

[2]夏俊生.厚膜電阻的大范圍連續可調設計[J].電子與封裝，2009.27-31.

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

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

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