پوشش ها و لایه های ضخیم ( Coatings and thick films)

[spow 44197]

پوشش ها و لایه های ضخیم ( Coatings and thick films)

 

مقدمه

 

 

واژه ی لایه ی ضخیم( thick film) نه تنها به ضخامت لایه اشاره دارد، بلکه همچنین به لایه ها و پوشش هایی اشاره دارد که بوسیله ی تکنیک های معین ایجاد می شوند. بیشتر روش هایی که ما در این مقاله توصیف می کنیم، از ذرات سرامیکی استفاده می کنند که در یک حلال آلی یا آبی( به صورت سوسپانسیون) قرار دارند. برای تولید یک لایه ی سرامیکی چسبنده ضروری است که مواد فرار از پوشش زدوده شود. بسیاری از فرایندهایی که در اینجا توصیف می شوند، به نسبت ارزان قیمت و ساده هستند.

ریخته گری نواری( tape casting) برای تولید صفحات پهن از مواد سرامیکی مختلف استفاده می شده است و محصولات تولیدی با این روش در کاربردهایی مانند زیرلایه ها( substrates)، دی الکتریک های خازنی( capacitor dielectrics) و الکترولیت های سلول سوخت( fuel cell electrolytes) استفاده می شده اند. برخی از تکنیک های توصیف شده در این مقاله( برای مثال پوشش دهی چرخشی ( spin coating)) تنها برای تولیدلایه بر روی زیرلایه های پهن، مفید می باشد. به هر حال پوشش دهی غوطه وری( dip coating) و رسوب دهی الکتروفورتیک می تواند برای پوشش دهی اشکال پیچیده استفاده شود. ما این مبحث را با توصیف نحوه ی اتصال لایه ی ضخیم کار خود را به پایان می رسانیم. در این کاربرد، سرامیک ها به عنوان زیرلایه مورد استفاده قرار می گیرند و لایه بر روی آنها رسوب می کنند و از این رو ترکیب خمیرهایی که برای این کار مورد استفاده قرار می گیرند، مهم است. قانون این تکنولوژی متفاوت نیست اما کنترل کردن آن ممکن است متفاوت باشد.

 

تعریف لایه ی ضخیم( thick film)

 

یک لایه ی ضخیم به طور نمونه وار یک ضخامتی در حدود 10 تا 25 میکرون است؛ لایه های نازک( thin film) معمولا ضخامتی کمتر از 500 نانومتر دارند. به هر حال چیزی که به وطور حقیقی لایه ی نازک را از لایه ی ضخیم متمایز می کند، روشی است که تولید شده است، نه ضخامت آن. در اغلب موارد لایه های نازک بوسیله ی تکنیک های خلأ مانند پاشش( spattering) و اپی تاکسی باریکه ی مولکولی( molecular beam epitaxy) رسوب دهی می شوند. لایه های ضخیم از محلول ها یا خمیرها رسوب دهی می شوند. این رسوبات باید خشک شوند و در اغلب مواد پس از خشک شدن، باید پوشش را زینتر نمود تا پوشش نهایی پدید آید.

چندین مزیت برای فرایندهای تولید پوشش های ضخیم وجود دارد:

 

 سادگی

 مکنیزه شدن آسان

 سرعت بالا

 قیمت پایین

 تطبیق پذیری( versatile)

 پوشش دهی زیر لایه های پیچیده

علاوه بر توصیف برخی از روش های مورد استفاده برای ایجاد لایه های سرامیکی ضخیم، ما همچنین فرایند ریخته گری نواری( tape casting process) را نیز توصیف می کنیم. لایه های تولید شده بوسیله ی ریخته گری نواری، یه عنوان یک پوشش مورد استفاده قرار نمی گیرند اما از آنها به عنوان صفحات سرامیکی خود حمایت شونده( self-supporting) استفاده می شود. این صفحات سرامیکی به طور گسترده در تولید مدارات لایه ضخیم( thick-film circuits) استفاده می شوند.

 

ریخته گری نواری( tape casting)

 

ریخته گری نواری برای تولید صفحات سرامیکی پهن که دارای ضخامت های بیش از 1 میلی متر هستند، استفاده می شود. این فرایند در طی دهه ی 1940 برای دی الکتریک های خازنی، توسعه یافت. تولید خازن های سرامیکی هنوز هم یکی از کاربردهای مهم ریخته گری نواری است.

در ریخته گری نواری، یک دوغاب( که لغزنده( slip) نامیده می شود) دارای سرامیک پودر شده، حلال و بایندر بر روی یک صفحه ی پلیمر( مانند ) در حال حرکت پخش می شود (مانند شکل 1). در شکل ابتدایی از ریخته گری نواری، دوغاب بر روی یک صفحه ی گچی پخش می شد. استفاده از صفحه ی پلیمری در سال 1961 اختراع شد و از آن زمان به بعد، این فرایند به طور زیادی تغییر نکرده است. اصل مورد استفاده در این فرایند همانند کشیدن گچ بر روی دیوار، کشیدن خامه بر روی کیک و یا نقاشی کردن است.

 

 

[spow 44197]

ضخامت لایه ی رسوب کرده بوسیله ی تیغه ی بالای صفحه ی پلیمری تعیین می گردد. لایه های چندتایی نیز با استفاده از روشی که در شکل 2 نشان داده شده، قابل تولید است. ویژگی خاص تیغه ی موجود در بالای صفحه ی پلیمری این است که باعث می گردد تا ضخامت یکسانی تشکیل شود. یک نمونه از این تیغه ها در شکل 3 آورده شده است. نوار ریخته گری شده خشک شده و از صفحه ی پلیمری جدا می شود و برای انجام فرایندهای دیگر فرستاده می شود. در این مرحله از فرایند، نوار انعطاف پذیر است زیرا این نوار هنوز دارای مقادیر زیادی مواد آلی( بایندر) است و در اسطلاح خام است.

 

 

تهیه ی دوغاب بسیار مهم است. فرمولاسیون دوغاب مورد استفاده برای تولید صفحات آلومینایی در جدول 1 آورده شده است.

 

 

 حلال میزان ویسکوزیته ی دوغاب را کنترل می کند و به گونه ای این ویسکوزیته تعیین می شود که دوغاب بر روی صفحه ی پلیمری پخش گردد.

 بایندر ذرات سرامیک را در کنار هم نگه می دارد تا اینکه نوار زینتر شود. بایندر باید در طی فرایند زینترینگ از بدنه خارج گردد.

 پلاستیسایزر( plasticizer) انعطاف پذیری نوار خام را افزایش می دهد.

 دیسپرس کننده ها( deflocculants) از ته نشست ذرات سرامیکی موجود در دوغاب جلوگیری می کنند.

 

دیسپرس کننده ها(Dispersants) به وسیله ی یک فرایند کار می کنند که به آن ممانعت فضایی می گویند. مولکول های آلی با زنجیره های طویل مانند ملکول های موجود در روغن ماهی، خودشان را به ذرات سرامیکی متصل می کنند و زنجیره ی مولکولی آنها به سمت بیرون جهت گیری می کنند. این جهت گیری از نزدیک شدن بیش از حد ذرات جلوگیری کرده و بدینوسیله ذرات آگلومره نشده و ته نشین نمی شوند. روغن ماهی Menhaden یک ماده ی طبیعی است که به طور فراوان در صنایع سرامیک مصرف می شود زیرا ارزان قیمت است.

شرینکیج شدیدی که در طی خشک کردن و پخت این نوارها رخ می دهد به دلیل وجود درصد بالایی از مواد آلی در دوغاب اولیه است. برای مثال وقتی دوغاب آلومینا که در شکل 1 نشان داده شده است، در ضخامت 1.50 میلی متر ریخته گری می شود، در طی خشک کردن ضخامت آن به 0.75 میلی متر می رسد( حدود 50% کاهش ضخامت). این نوار وقتی زینتر می شود، نیز شرینکیج پیدا می کند . به ضخامت 0.60 میلی متر می رسد.

شکل 4 یک ماشین ریخته گری نواری تجاری را نشان می دهد که برای تولید پیوسته ی نوارهای سرامیکی ساخته شده است. این ماشین ها دارای گستره ی طولی، از 2 متر تا بیش از 35 متر هستند و عرض آنها در گستره ی 100 میلی متر تا بیش از 1.25 متر است. این اندازه نرخ تولید نوار را تعیین می کند. به طور نمونه سرعت ریخته گری در حدود 0.15 متر بر دقیقه است. برای ترکیب هایی که به سرعت خشک می شوند، سرعت ریخته گری به 2 متر بر دقیقه نیز می رسد. در تولید صنعتی، این اغلبا مهم است که اندازه ی ضخامت نوار را به طور مداوم داشته باشیم. این اندازه ها می تواند بوسیله ی ایجاد یک سوراخ در نوار( بعد از تیغه) محاسبه گردد. چندین روش مختلف برای اندازه گیری این ضخامت( به طور تجاری) استفاده می شود:

1) استفاده از اشعه ی x به صورت بازگشتی از زیر

2) عبور اشعه ی x که در این حالت سری های در بالا و پایین قرار دارند.( یک تکنیک به صورت تجاری در صنعت آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد و بواسطه ی آن می توان ضخامت صفحات آلومینیومی را اندازه گیری نمود).

3) انعکاس نور مرئی با زاویه ی معین در بالای سطح نوار ریخته گری شده

عبور اشعه ی x عموما ترجیح داده می شود زیرا این روش دقت بالاتری نسبت به سایرین دارد.

 

[spow 44197]

شکل 5 تولید یک بسته ی مدار مجتمع( IC ) را نشان می دهد که از صفحات آلومینایی ریخته گری شده، تولید شده اند.

نوار خام می تواند به آسانی سوراخ شود و در آن حفره ایجاد گردد. این کار یکی از کارهای مهم در فرایند تولید بسته های IC است. علاوه بر این جوهر یا خمیری متشکل از پودر فلزی( تنگستن یا مولیبدن)، بایندرهای آلی و حلال ها به صورت پنجره مانند بر روی نوار خام چاپ می گردد؛ سپس نوار در یک اتمسفر هیدروژن مرطوب پخته شده و بدینوسیله یک لایه ی فلزی چسبنده بر روی آلومینای زینترشده پدید می آید. ما در ادامه جزئیات این روش را می گوییم.

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

پوشش دهی با روش غوطه وری( Dip coating)

 

 

با استفاده از پوشش دهی با روش غوطه وری، یک لایه ی سرامیکی می تواند به سادگی بر روی یک زیرلایه تشکیل گردد( شکل 6). پیش ماده معمولا دارای آلکوکسید فلزی است اما محلول نمک های فلزی مانند نیتریدها، ممکن است به جای این ماده استفاده شوند. زیرلایه یا جسمی که ی خواهیم آن را پوشش دهیم، وارد محلول می شود و در داخل آن با سرعت بین 10 تا 30 سانتیمتر بر دقیقه حرکت می کند. این ضروری است که محلول تر شود و بر روی سطح زیر لایه، پخش گردد و بنابراین زاویه ی تماس محلول با زیر لایه( زاویه ی ترشوندگی باید کوچک باشد). لایه ی نهایی بعد از پخت شیئ پوشش داده شده، بوجود می آید. پوشش دهی با روش غوطه وری دارای مزایای زیر است:

 ساده است

 گران نیست

 با آن می توان اشکال پیچیده را پوشش دهی کرد

 هر دو طرف زیرلایه های تخت را می توان با این روش پوشش دهی کرد.

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

ضخامت پوشش( t) یک لایه ی مایع به ویسکوزیته محلول ( ) و سرعتی ( ) که جسم در داخل محلول حرکت می کند، بستگی دارد. فرمول این ضخامت به صورت زیر است:

 

که انرژی سطح مشترک مایع-بخار، دانسیته ی محلول و شتاب گرانش است. البته ضخامت ی نهایی لایه از این مقدار کمتر است زیرا در طی فرایند خشک کردن و پخت، شرینکیج رخ می دهد. در جدول 2 تعدادی از کاربرد های لایه های سرامیکی پوشش داده شده با روش غوطه وری نشان داده شده است.

 

[spow 44197]

پوشش دهی چرخشی ( spin coatings)

 

 

پوشش دهی چرخشی مشابه پوشش دهی غوطه وری از یک محلول استفاده می کند که این محلول در اغلب موارد مخلوطی از آلکوکسیدهای فلزی است. ایده ی کلی این روش در شکل 1 نشان داده شده است. این فرایند به دو شکل انجام می شود:

 

 استاتیک( static)

 دینامیک( dynamic)

 

در فرایند چرخش استاتیک، حجم کمی از محلول بر روی زیر لایه ریخته می شود و اجازه داده می شود تا این محلول پخش شود و کل سطح را پوشش دهد. وقتی که مایع به قطر معینی برسد، سه نظام با سرعت قابل تنظیم تا 20000 دور در دقیقه، شتاب داده می شود.

در روش پوشش دهی چرخشی دینامیک، محلول بر روی سطح زیرلایه توزیع می شود. در هنگام این کار زیرلایه در حال چرخش در یک سرعت به نسبت پایین( مثلا 500دور بر دقیقه) است. پس از آنکه مایع بر روی سطح پخش شد، سرعت چرخش افزایش می یابد تا بتوان لایه ی نهایی را تولید کرد. فرایند چرخش دینامیک برای تولید پوشش های یکنواخت ( بر روی زیرلایه های با قطر زیاد) مناسب تر است.

پوشش دهی چرخشی تنها برای پوشش های تک لایه مصرف می شود و عموما تنها برای اشکال صفحه ای ساده مناسب است. همچنین چرخاندن اشیای بزرگ، عملی نیست. ضخامت پوشش به طور معکوس با سرعت زاویه ای( ) بخش چرخنده، تغییر می کند.ضخامت همچنین با ویسکوزیته ی محلول ( ) قابل مقایسه است. پوشش دهی چرخشی به طور گسترده در صنایع برای تولید پوشش های پلیمری استفاده می شود؛ مخصوصا رسوب دهی لایه های مقاوم در برابر نور پیش از ساخت وسایل نیمه رسانا. اگرچه این روش به ندرت برای تولید لایه های سرامیکی استفاده می شود، فرایندپوشش دهی چرخشی کاربردهایی در تولید لایه از مواد پیزوالکتریک برای سیستم های میکروالکترومکانیکی( MEMS) پیداکرده است.

[spow 44197]

اسپری کردن( Spraying)

 

تولید پوشش های سرامیکی بوسیله ی اسپری کردن یک فرایند صنعتی مهم است. به طور نمونه برای ایجاد پوشش های مقاوم حرارتی( thermal-barrier coatings) و پوشش های مقاوم به سایش از این فرایند استفاده می شود. چند نوع مختلف از فرایندهای اسپری کردن وجود دارد. در اسپری کردن حرارتی( thermal spraying) که در شکل 2 نشان داده شده است، پودر با گذر از میان شعله ی اکسی استیلن ذوب یا نرم می شود. یک نوع از فرایند اسپری حرارتی، پلاسما اسپری نامیده می شود. در پلاسما اسپری از یک منبع حرارتی پلاسما استفاده می شود که در شکل 3 نشان داده شده است. دمای پلاسما به طور نمونه وار از 28000 درجه ی سانتیگراد بالاتر است که این دما بسیار بالاتر از دماهای بوجود آمده از سوختن گاز است. سرعت پلاسما( یا سرعت جریان که در نازل بوجود می آید)معمولا زیر سرعت صوت است، اگرچه مشعل های پلاسمای با سرعت بالا با نازل های کوچک نیز وجود دارد. فرایندهای اسپری حرارتی عموما برای اعمال موادی مناسب است که در سیکل حرارت دهی ذوب شود یا به صورت پلاستیک در آید. البته شرط دیگر این است که ماده در دمای بالا تخریب نگردد.

 

 

پلاسما اسپری به طور گسترده در ایجاد پوشش های مقاوم در برابر سایش بر روی اجزای موتورهای دیزلی و برای تولید پوشش های مقاوم حرارتی بر روی فلزات مورد استفاده در موتورهای توربینی، کاربرد دارد. بازده موتورهای توربینی به ماکزیمم دمایی بستگی دارد که می توان پره های توربین را در طی فرایند مداوم در آن نگه داشت. اعمال یک پوشش سرامیکی ( که پوشش های مقاوم حرارتی نامیده می شود) بر روی یک فلز می تواند اجازه دهد تا دمای موتور بین 50 تا 200 درجه ی سانتیگراد افزایش یابد بدون آنکه دمای زیرلایه ی فلزی به حدی زیادی افزایش یابد. با این کار بازده موتور به طور چشمگیری ( تا حدود 12%) افزایش می یابد و صرفه جویی اقتصادی خوبی انجام می شود. پوشش های مقاوم حرارتی باید خواص زیر را داشته باشند:

 

 ضریب انبساط حرارتی بالا

 رسانایی حرارتی پایین

 پایداری شیمیایی در برابر محیط توربین گازی

 مقاومت به شک حرارتی

 

زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( زیرکونیای با 8-6% ایتریا) یکی از موادی است که برای پوشش های مقاوم حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. شکل 4 مثال شماتیک از برش عرضی یک چنین پوششی است. یک آلیاژ متشکل از Ni،Cr،Al و Y ( در شکل 4 این بخش پوشش متصل شده نامیده می شود) به عنوان یک لایه ی داخلی چسبنده میان پوشش سرامیکی و جزء فلزی ایجاد می گردد. اتصال دادن فلز و سرامیک یک موضوع ناچیز نیست و روشی که در اینجا بیان شد، تنها روشی است که ما در اینجا به آن اشاره کردیم.

[spow 44197]

 

ماده ای که اسپری می شود، می تواند یک محلول باشد که با فشار از میان تفنگ اسپری بر روی زیرلایه ی حرارت داده شده، پاشیده می شود. در این مورد، اسپری کردن حرارتی نیست و بیشتر مشابه اسپری کردن رنگ است. صنعت شیشه از این روش برای رسوب دادن لایه های رسانای SnO2 بر روی شیشه استفاده می کند.

رسوب دهی الکتروفورتیک( electrophoretic deposition)

 

الکتروفورز( electrophoresis) حرکت ذرات باردار از میان یک مایع تحت اثر میدان الکتریکی خارجی است. رسوب دهی الکتروفورتیک که بسیار شبیه به فرایند الکترودیپوزیشن( electrodeposition) مورد استفاده برای پوشش دهی لایه های فلزی است، را می توان برای ایجاد پوشش سرامیکی تا ضخامت 0.6 میلی متر بر روی زیرلایه های فلزی استفاده کرد. همانگونه که در شکل 5 دیده می شود، زیرلایه نقش یکی از الکترودها را در سلول الکتروشیمیایی ایفا می کند. مزیت اصلی رسوب دهی الکتروفورتیک این است که پوشش ها می تواند بر روی اشیاء غیر صفحه ای تشکیل شود.

 

 

ذراتی که پوشش را تشکیل می دهد، در مایع به صورت سوسپانسیون در می آیند که بر روی این ذرات بار سطحی وجود دارد. این باردار شدن ممکن است بوسیله ی جذب پروتن بر روی سطوح ذرات بوجود آید. وقتی ذرات با بار q در میدان الکتریکی(E) قرار می گیرد، نیروی F بر آن وارد می شود:

 

این نیرو ذرات را در جهت مخالف الکترودهای باردارشده، شتاب می دهدو این ذرات همچنین یک نیروی ممانعت کننده را از طریق اصطکاک با مایع، تجربه می کند. نیروی ممانعت کننده که به دلیل جریان ویسکوز پدید می آید( با توجه به قانون استوکس)عبارتست از:

 

که سرعت حدی است که ما می توانیم آن را به صورت زیر بنویسیم:

 

عبارت موبیلیتی( ) عبارتست از :

 

از معادله ی 5 ما انتظار داریم که موبیلیتی ذره برای ذرات کوچک در محلول با ویسکوزیته ی پایین، افزایش می یابد. این فرض به طور کامل، صحیح نیست. برای مثال موبیلیتی یون های در محلول آبی کمتر از یون های است، اگرچه و است. این تفاوت می تواند به خاطر اثر حلال، بوجود آید. مولکول های حلال می توانند در دور یون جمع شوند و و اثر اندازه ی مؤثر آن را افزایش دهد. یون های کوچک نسبه به یون های بزرگ، منبع قوی تری برای میدان های الکتریکی هستند. از این رو حلال پوشی در یون های کوچکتر، بیشتر است و این مسئله اندازه ی مؤثر بزرگتری به آنها می دهد و از این رو سرعت حرکت آنها کمتر می شود. یک اثر مشابه برای ذرات سرامیکی که از میان محلول( در طی رسوب دهی الکتروفورتیک) حرکت می کنند، رخ می دهد.

پتانسیل زتا ( ) که در شکل 6 نشان دهد شده است، پتانسیل ایجاده شده بر روی سطح ذره ی باردار در حال حرکت از میان مایع است.

[spow 44197]

 

 

 

نکته ی مهمی که از معادله ی 7 و 8 بدست می آید، این است که موبیلیتی با متناسب است. برای پوشش دهی سریع، ما لازم داریم از یک محلول مایعی استفاده کنیم که ثابت دی الکتریک بالایی دارد. مزیت استفاده از محلول های مایع واضح است؛ آب ثابت دی الکتریک بالایی دارد. ثابت های دی الکتریک برخی از مایعات دیگر در جدول 1 آورده شده است.

 

 

 

شکل 7 موبیلیتی الکتروفورتیک برای ذرات TiO2 در محلول های مایع پتاسیم نیترات( KNO3) نشان داده شده است. در این نمودار، دانسیته ی بار سطحی است، که با استفاده از روش Brunauer، Emmett و Teller( روش BET) اندازه گیری شده است. موبیلیتی تابعی از PH محلول است.

 

 در محلول های اسیدی، سطح ذرات TiO2 دارای بار مثبت است که این بار به دلیل جذب کاتیونی بوجود می آید.

 در محلول های بازی، ذرات پودری دارای بار منفی است. که این بار به دلیل جذب آنیون بوجود می آید.

 

 

 

در PH=5.9، موبیلیتی صفر است. این نقطه را به عنوان نقطه ی ایزوالکتریک( IEP) می نامنند. در IEP، پتانسیل زتا صفر است. جدول 2 ، IEPها را برای چندین اکسید مختلف نشان داده است. اکسیدهای اسیدی مانند SiO2 دارای IEPهای پایین و اکسیدهای بازی مانند MgO دارای IEPهای بالا هستند.

 

[spow 44197]

مدارات لایه ضخیم( thick-film circuits)

 

 

مدارات لایه ضخیم دارای ساختار تک لایه و چندلایه هستند که این مدارات بوسیله ی رسوب دهی یک لایه یا چندلایه از یک خمیر با فرمولاسیون ویژه و یا یک جوهر بر روی یک زیرلایه ی مناسب، تولید می شود. تکنولوژی لایه ی ضخیم در اوایل دهه ی 1960 وقتی شروع شد که شرکت DuPont سیستم مقاومت لایه ضخیم را برای کاربرد در مدارهای کوچک شده معرفی کرد. IBM مواد لایه ضخیم را در خانواده ی کامپیوتر های IBM/360 خودش مورد استفاده قرار داد. هم اکنون بازار جهانی مدارات لایه ی ضخیم و وسایل دارای این مدارات، فروش 14 میلیارد دلاری دارد. بیشتر مدارات لایه ضخیم هنوز هم در کاربردهای الکترونیکی مانند کامپیوترها کاربرد دارد( شکل 1).

 

 

سه گروه اصلی برای مواد لایه ضخیم وجود دارد( رساناها، مقاومت ها، دی الکتریک ها) و تمام آنها حداقل یک جزء سرامیکی دارند. آنها به صورت خمیر یا جوهر عرضه می شوند که دارای اجزی زیر هستند:

 

 جزء یا اجزای اصلی غیرآلی؛ این اجزاء در اغلب موارد به صورت پودر نرم هستند.

 یک بایندر آلی؛ این بایندر برای ایجاد استحکام در بدنه ی خام استفاده می شود.

 یک حلال آلی با نقطه ذوب پایین؛ این حلال ویسکوزیته ی مورد نیاز برای اینکه خمیر بر روی زیرلایه، رسوب کند را ایجاد می کند.

چاپ کردن شبکه ای( Screen printing) و فرایند آن

 

 

مواد لایه ضخیم بر روی زیرلایه های مسطح بوسیله ی چاپ کردن شبکه ای، رسوب داده می شوند. منشأ چاپ کردن شبکه ای به بیش از 3000 سال پیش بر می گردد، وقتی که چینی ها از چاپ کردن شبکه ای با پارچه ی ابریشمی برای رسوب دادن الگوهای رنگ چندلایه بر روی پارچه بهره بردند. یک فرایند مشابه نیز امروزه برای چاپ کردن طرح و لوگو بر روی تیشرت، مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل 2 یک دیاگرام شماتیک از فرایند چاپ کردن شبکه ای را نشان می دهد. خمیر با فشار از میان حفرات شبکه عبور داده می شوند. ویسکوزیته ی جوهر بوسیله ی نوع و مقدار حلال آلی اضافه شده به فرمولاسیون خمیر تنظیم می شود. حلال های متداول برای این کار عبارتند از روغن کاج، ترپینول( terpineol) و بوتیل کربیتول استات( butyl carbitol acetate). خمیر لایه ضخیم باید دارای ویسکوزیته ی پایین در

 

 

سرعت برشی بالا باشد به نحوی که با اعمال نیرو به خمیر، خمیر از حفرات شبکه عبور کند. ویسکوزیته باید برای یک زمان کوتاه پس از آنکه نیرو اعمال می گردد و شبکه از زیر لایه جدا می گردد، پایین بماند تا لایه ی چاپ شده بتواند از سیم های شبکه به ناهمواری ها منتقل گردد. ویسکوزیته باید سپس به سرعت افزایش یابد تا از پخش شدن لایه ی رسوب کرده، جلوگیری گردد.

[spow 44197]

وسیله ای که برای رسوب دادن خمیرهای لایه ضخیم استفاده می شود، شبیه به وسایلی است که در فرایند چاپ کردن بر روی تی شرت، مورد استفاده قرار می گیرد، اما برای کاربردهای الکترونیک، دقت در گذاشتن مواد و کنترل ضخامت مورد نیاز است. این ممکن است که خط های مداری ایجاد کنیم که دارای عرض 5 میکرون و ضخامت 5 میکرون هستند. پس از فرایند چاپ، زیرلایه ی پوشش داده شده با خمیر مرطوب، به یک آون خشک کن منتقل می گردد تا حلال های آلی موجود در آن خارج گردد. خطوط مدار هنوز دارای بایندر آلی هستند که این بایندر به این خطوط استحکام می دهد.

انتخاب بایندر همانند انتخاب حلال مهم می باشد. بایندر در خواص رئولوژی کلی خمیر مشارکت دارد اما این بایندر باید در طی فرایند پخت به طور کامل خارج گردد. اتیل سلولز یک بایندر متداول برای موادی که در اتمسفر هوا، پخت می شوند. بایندرهای مناسب برای پخت دادن در اتمسفرهای خنثی و کاهشی، باید به دقت انتخاب گردند به نحوی که در طی فرایند پخت، کربن در بدنه باقی نماند. گزینه های مناسب عبارتند از نیتروسلولز و کوپلیمر اتیلن و وینیل استات.

کوره ی مورد استفاده برای این کار یک کوره ی تسمه ای( belt furnace) دارای دمای تعریف شده است. نمودار دمایی آن در شکل 3 نشان داده شده است. زمان ماکزیمم دما بین 6 تا 10 دقیقه است که در این زمان اجزای غیرآلی به همدیگر زینتر می شوند و به زیرلایه می چسبند.

 

 

زیرلایه ها برای مدارات لایه ضخیم( Substrates for Thick-Film Circuits)

زیرلایه ها برای مدارات لایه ضخیم عموما باید شروط زیر را داشته باشند:

 

 یک سطح یکنواخت( به طور نمونه، زبری سطح باید بین 20 تا 40 میکرون باشد).

 حداقل اعوجاج و برآمدگی( 0.010 تا 0.22 سانتیمتر بر سانتیمتر)

 قابلیت استقامت در برابر دماهای فرایندی بالاتر از 1000 درجه ی سانتیگراد.

 تلورانس ابعادی حداقل( برای اندازه و برای ضخامت)

 استحکام

 رسانایی حرارتی بالا

 مقاومت الکتریکی بالا

 سازگاری شیمیایی با اجزای خمیر

 ثابت دی الکتریک پایین

 گران نبودن

 

آلومینا( 96 % Al2O3، 4% از یک نوع ماده ی شیشه ای که از MgO، CaO و SiO2 تشکیل شده است) متداول ترین ماده برای تولید زیرلایه هاست زیرا این زیرلایه تمام شروط بالا را در حد قابل قبول دارد. خود زیرلایه ها اکثرا بوسیله ی فرایند ریخته گری نواری که قبلا توصیف شد، تولید می شوند.

وقتی یک مدار در شرایطی استفاد می شود که مقدار قابل توجهی حرارت از زیرلایه عبور می کند، به حدی که رسانایی حرارتی آلومینا جوابگو نباشد، مواد جایگزین مورد استفاده قرار می گیرد. برای سال های زیادی تنها جایگزین آلومینا، برلیا( BeO) بود. بدی های BeO قیمت بالای آن و سمیت آن در در حالت بخار و پودر است. آلومینیوم نیترید( AlN) یکی دیگر از گزینه هاست. این ماده نه تنها دارای رسانایی حرارتی بالایی است، بلکه دارای ضریب انبساط حرارتی منطبق با سیلیسیم در گستره ی دمایی 25 تا 400 درجه ی سانتیگراد است( و ). این سه زیرلایه در جدول 1 مقایسه شدند.

 

[spow 44197]

اگرچه خواص AlN، آن را برای کاربرد در بسته های الکترونیکی مناسب می کند، اما چندین مشکل از لحاظ تجاری سازی این ماده وجود دارد:

 بیشتر زیر لایه های AlN دارای رسانایی گرمایی در حدود 170 است که بسیار پایین تر از رسانایی گرمایی تئوری آن( 320 ) است.

 قیمت پودر AlN بیش از جهار برابر قیمت پودر آلومیناست.

 چسبندگی خمیرها طراحی شده برای آلومینا کمتر از چسبندگی خمیرهای AlN است مگر آنکه سطح پیش از رسوب دهی اکسید زدایی گردد.

رساناهای لایه ضخیم( Thick-Film Conductors)

 

 

شروط الزامی برای رساناهای لایه ضخیم عبارتست از:

 مقاومت الکتریکی پایین

 چسبندگی خوب بر روی زیرلایه

 مشخصات خطی خوب

 

علاوه بر این ملاحظات زیر ممکن است وجود داشته باشد:

 

 قابلیت اتصال لحیم و سیم برای اتصالات خارجی

 مقاوم در برابر مهاجرت الکتریکی

 سازگاری با سایر اجزای لایه ی ضخیم مانند مقاومت ها و دی الکتریک ها

 قیمت قابل قبول

 

مواد اصلی در رسانای لایه ضخیم فلزات هستند. فلزات و آلیاژهای مهم که در رساناهای لایه ضخیم مصرف می شوند، به همراه سایر خصوصیت های آنها در جدول 2 آورده شده است. دو مکانیزم برای ایجاد چسبندگی لایه های فلزی به زیرلایه ها وجود دارد:

 

 پیوند دهی با خمیر شیشه( Frit bonding). یک مقدار کم( 2 تا 10%) پودر شیشه به فرمولاسیون خمیر اضافه می گردد. در طی پخت شیشه نرم می شود و زیرلایه را تر می کندو در داخل شبکه ی فلزی نفوذ کرده و ساختاری را توسعه می دهد که در هم پیچیده است. شیشه های متداول که در رساناهای با پیوند شیشه استفاده می شوند، شیشه های بروسیلیکاتی قلع دار هستند مثلا می توانند دارای 63 درصد وزنی PbO، 25 درصد وزنی B2O3 و 12 درصد وزنی SiO2 باشند.

 پیوند دهی واکنش پذیر( Reactive bonding). یک مقدار کم( 0.1 تا 1%) از CuO یا CdO به فرمولاسیون خمیر اضافه می شود. در طی زینترینگ، این اکسیدها با زیرلایه ی آلومینایی واکنش داده و اسپینل کادمیم یا مس( ) تولید می کنند.

پیوند دهی با خمیر شیشه متداول ترین روش است، اما پیوند دهی واکنش پذیر میز دارای مزایایی است. اولا، مقدار خیلی کمی از این افزودنی ها نیاز است، بنابراین مقدار مقاومت الکتریکی رسانا در حد امکان پایین می ماند. دوما، سطح رسانا تقریبا از فلز خالص تشکیل شده است که این مسئله باعث می شود تا اتصال سیم های طلا و یا آلومینیوم به سهولت انجام گردد. برخی از رساناهای لایه ضخیم دارای پیوندهای ترکیبی هستند، یعنی در این رساناها هم از شیشه و هم از اکسیدهای ایجاد کننده ی پیوند واکنش پذیر، استفاده می شود.

 

مقاومت های لایه ضخیم( Thick-Film Resistors)

 

 

فاز اصلی در مقاومت های لایه ضخیم یک مخلوط از پودرهای سرامیکی رسانا( یا نیمه رساناست) مانند اکسید روتنیوم( RuO2) بیسموت روتنیوم( Bi2Ru2O7) ، سرب روتنیوم( Pb2Ru2O6) و مخلوط های Ag، Pd و PdO هستند که برای استفاده در خمیرهای زینتر شده در هوا استفاده می شوند. برای خمیرهای پخت شده در اتمسفر نیتروژن از تانتالیوم نیترید( TaN) استفاده می شود. مقاومت مقاومت های لایه ضخیم، مقاومت صفحه ای است که واحد آن اهم بر سطح مربع است.

جنبه ی مقاومت صفحه ای در شکلa 4 نشان داده شده است. این شکل نشان می دهد که یک مقاومت صفحه ای با طول l و عرض w و ضخامت d دارای مقاومت R ( با فرمول زیر) می باشد:

که مقاومت ویژه است. اگر مقاومت به شکل مربع باشد( همانگونه که در شکلb 4 دیده می شود)، سپس می شود و معادله ی 9 به صورت زیر در می آید:

[spow 44197]

برای یک ماده و ضخامت داده شده، تمام صفحات مربعی دارای مقاومت یکسانی هستند که این مقاومت به اندازه ی مربع بستگی ندارد. این مقاومت با ویژگی مربعی به مقاومت صفحه ای معروف است. شکلc 17 یک شکل پیچیده ی مقاومت لایه نازک را نشان می دهد. اما این مقاومت می تواند جداکردن مربع هایش و محاسبه ی تعداد آنها درطول نوار و ضرب کردن مقاومت صفحات، تعیین گردد.

مقاومت های لایه ضخیم با مقادیر مقاومت صفحه ای بین 0.1 تا 10 مگا اهم بر سطح مربع وجود دارد. با مخلوط کردن مواد رسانای با ویژگی های مختلف و شیشه های عایق کننده، می توان مقاومت را کنترل کرد. برای فرمولاسیون مقاومت های صفحه ای این چنینی، نسبت رسانا به شیشه برابر 70 به 30 است.

یک پارامتر مهم در مقاومت های لایه ضخیم ضریب دمایی مقاومت ویژه ی( TCR) آنهاست. که نشان می دهد مقاومت با دما چگونه تغییر می کند. این پارامتر شیب خط نمودار مقاومت- دماست( همانگونه که در شکل 5 دیده می شود. محدودیت های TCR که برای یک فرمولاسیون خاص است، عبارت است از اینکه نمودارهای دو خط از نقاط مرجع بر روی نمودار، عبور می کند. به طور نمونه دمای مرجع 25 درجه ی سانتیگراد است و گستره ی دمایی بین تا است. ارقام TCR برای مقاومت های لایه ضخیم به طور نمونه وار کمتر از است.

 

 

الگوی مقاومت طراحی شده است به نحوی که رقم میانگین رسانای پخت شده کمتر از رقم مورد نیاز است. پس مقاومت نهایی با استفاده از یک لیزر یا یک جت ساینده هدایت می شود به نحوی که مواد زدوده شوند و مقاومت افزایش یافته و به مقدار مقدار مناسب برسد.

دی الکتریک های لایه ضخیم( Thick-Film Dielectrics)

دی الکتریک ها در چندین کاربرد متنوع موجود در مدارات لایه ضخیم کاربرد دارند:

 برای ایزوله کردن خطوط مدار در ساختارهای چندلایه ای

 به عنوان لایه ی دی الکتریک موجود در خازن های لایه ضخیم

 برای کپسوله کردن اجزای مدار

 

برای کاربردهای چندلایه، ماده ی اصلی عمدتا شیشه یا شیشه-سرامیک است. این ماده ثابت دی الکتریک پایینی دارد و انبساط حرارتی آن با زیرلایه مطابقت خواهد داشت، تا از بوجود آمدن تنش در زیرلایه جلوگیری شود. این لایه باید همچنین، در هنگامی که تحت سیکل های حرارتی مختلف( در طی فرایند تولید ساختار چندلایه) قرار می گیرد، نیزپایدار باشد.

برای کاربردهای خازنی لایه ی ضخیم، جزء دی الکتریک دارای یک ماده ی با ثابت دی الکتریک بالا مانند باریم تیتانات است. کپسوله کننده ها برای محافظت مقاومت ها از محیط های مضر مانند رطوبت بالا، حلال های آلی واکنش پذیر و ...، استفاده می شوند. کپسوله کننده ها همچنین از مهاجرت نقره در رساناهای دارای نقره، جلوگیری می کنند. شیشه ی انتخاب شده برای این کار به گونه ای است که از بازپخت بیش از حد مقاومت های لایه ضخیم جلوگیری گردد. بازپخت در این مقاومت ها ممکن است مقدار مقاومت آنها را تحت الشعاع قرار دهد. دماهای نمونه وار برای شیشه های کپسوله کننده در حدود 500 درجه ی سانتیگراد است. فرولاسیون بیشتر این شیشه ها،اختصاصی است. اما حصول یک چنین نرم شدگی در دمای پایین احتمالا به دلیل حضور PbO یا B2O3 در فرمولاسیون است.