تقنية الأغشية السميكة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تُستخدم تقنية الأغشية السميكة في إنتاج الأجهزة/الوحدات الإلكترونية، مثل وحدات التثبيت السطحي ، والدوائر المتكاملة الهجينة ، وعناصر التسخين ، والأجهزة السلبية المتكاملة ، والمستشعرات . وتُعدّ الطباعة بالشاشة الحريرية ( الاستنسل ) التقنية الرئيسية المستخدمة في التصنيع، والتي تُستخدم بالإضافة إلى تصنيع الأجهزة الإلكترونية، في العديد من تطبيقات الطباعة الرسومية. وقد أصبحت هذه التقنية إحدى أهم تقنيات تصنيع وتصغير الأجهزة/الوحدات الإلكترونية خلال خمسينيات القرن الماضي. ويتراوح سُمك الأغشية النموذجية - المُصنّعة باستخدام عمليات تصنيع الأغشية السميكة للأجهزة الإلكترونية - بين 0.0001 و0.1  مم. [ 1 ]

تُستخدم الدوائر/الوحدات ذات الأغشية السميكة على نطاق واسع في صناعة السيارات، سواء في أجهزة الاستشعار، مثل مستشعرات خليط الوقود/الهواء، ومستشعرات الضغط، وأنظمة التحكم في المحرك وعلبة التروس، ومستشعرات إطلاق الوسائد الهوائية، وأجهزة إشعال الوسائد الهوائية؛ ويشترك في ذلك ضرورة توفر موثوقية عالية، ونطاق درجة حرارة واسع، بالإضافة إلى إمكانية إجراء دورات حرارية مكثفة للدوائر دون حدوث أعطال. [ 2 ] تشمل مجالات التطبيق الأخرى إلكترونيات الفضاء، والإلكترونيات الاستهلاكية ، وأنظمة القياس المختلفة التي تتطلب تكلفة منخفضة و/أو موثوقية عالية.

أبسط أشكال استخدام تقنية الأغشية السميكة هو استخدام ركيزة/لوحة وحدة، حيث تُصنّع الأسلاك باستخدام عملية الأغشية السميكة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع المقاومات والمكثفات ذات التفاوتات الكبيرة باستخدام طرق الأغشية السميكة. يمكن جعل أسلاك الأغشية السميكة متوافقة مع تقنية التثبيت السطحي (SMT)، وإذا لزم الأمر (بسبب التفاوتات و/أو متطلبات الحجم)، يمكن تجميع الأجزاء القابلة للتثبيت السطحي (المقاومات، والمكثفات، والدوائر المتكاملة، وما إلى ذلك) على ركيزة من الأغشية السميكة.

يُعد تصنيع الأجهزة/الوحدات ذات الأغشية السميكة عملية تراكمية تتضمن ترسيب عدة طبقات متتالية (عادةً بحد أقصى 6-8 طبقات) من المواد الموصلة والمقاومة والعازلة على ركيزة عازلة كهربائياً باستخدام عملية الطباعة بالشاشة . [ 3 ]

شبكات المقاومات ذات الأغشية السميكة

باعتبارها طريقة تصنيع منخفضة التكلفة، فهي قابلة للتطبيق لإنتاج كميات كبيرة من الأجهزة السلبية المنفصلة مثل المقاومات ، والمقاومات الحرارية ، والمقاومات المتغيرة ، والأجهزة السلبية المتكاملة .

تُعد تقنية الأغشية السميكة أيضاً أحد البدائل المستخدمة في الدوائر المتكاملة الهجينة ، وهي تتنافس وتكمل عادةً في تصغير الإلكترونيات (الأجزاء أو العناصر/المساحة أو الحجم) مع تقنية التجميع السطحي (SMT) القائمة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB ) ولوحات الأسلاك المطبوعة (PWB) وتقنية الأغشية الرقيقة . [ 4 ]

خطوات

تتكون عملية الأغشية السميكة النموذجية من المراحل التالية:

معالجة الركائز بالليزر

تتكون ركائز الدوائر ذات الأغشية السميكة عادةً من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) ، وأكسيد البريليوم ( BeO ) ، ونيتريد الألومنيوم (AlN)، والفولاذ المقاوم للصدأ ، وأحيانًا بعض البوليمرات، وفي حالات نادرة السيليكون (Si) المغطى بثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ) . [ 5 ] [ 6 ] وتُعدّ الركائز التي تحتوي على 94% أو 96% من الألومينا من أكثر الركائز شيوعًا في عمليات الأغشية السميكة. تتميز الألومينا بصلابتها العالية، ويُعدّ استخدام الليزر في تشكيلها الطريقة الأمثل والأكثر فعالية. كما تُتيح عملية الأغشية السميكة إمكانية التصغير، حيث تحتوي الركيزة الواحدة عادةً على العديد من الوحدات (الدوائر النهائية). وباستخدام الليزر، يُمكن نقش الركائز وتشكيلها وحفر الثقوب. النقش هو عملية يتم فيها تسليط نبضات ليزرية على المادة، مما يؤدي إلى إزالة ما بين 30% و50% منها، وهذا يُضعف الركيزة، وبعد اكتمال جميع العمليات الأخرى، يُمكن تقسيم الركيزة بسهولة إلى وحدات منفردة. تُستخدم تقنية التشكيل، على سبيل المثال، بكثرة في تصنيع أجهزة الاستشعار، حيث تحتاج الدائرة إلى التوافق مع الأنابيب الدائرية أو الأشكال المعقدة الأخرى. ويمكن أن يوفر حفر الثقوب وصلة موصلة بين جانبي الركيزة، وعادةً ما تتراوح أحجام الثقوب بين 0.15 و0.2 مم. 

تتميز عملية الليزر قبل معالجة المواد الأساسية بميزة من حيث التكلفة مقارنة بعملية الليزر أو التقطيع باستخدام منشار الماس بعد المعالجة.

تحضير الحبر

تُحضّر الأحبار المستخدمة في الأقطاب الكهربائية، والموصلات، والمقاومات، والطبقات العازلة، وغيرها، عادةً بمزج مساحيق المعادن أو السيراميك المطلوبة مع مذيب (معاجين الأغشية السميكة السيراميكية) أو معاجين البوليمر [ 7 ] لإنتاج معجون للطباعة بالشاشة الحريرية. وللحصول على حبر متجانس، يمكن تمرير مكونات الحبر المخلوطة عبر مطحنة ثلاثية الأسطوانات. كما يمكن الحصول على أحبار جاهزة من عدة شركات تُقدّم منتجات لتقنيي الأغشية السميكة.

الطباعة بالشاشة الحريرية وتحسيناتها

الطباعة بالشاشة الحريرية هي عملية نقل الحبر من خلال شاشة شبكية منسوجة بنمط معين أو قالب باستخدام مكشطة . [ 8 ]

لتحسين الدقة، وزيادة كثافة التكامل، وتحسين دقة الخطوط والمسافات في الطباعة التقليدية بالشاشة، تم تطوير تقنية الأغشية السميكة القابلة للتصوير الضوئي . إلا أن استخدام هذه المواد يُغير عادةً مسار العملية ويتطلب أدوات تصنيع مختلفة.

التجفيف/المعالجة

بعد ترك الحبر يستقر بعد الطباعة، تُجفف كل طبقة حبر عادةً عند درجة حرارة متوسطة إلى عالية تتراوح بين 50 و200 درجة مئوية (122 إلى 392 درجة فهرنهايت) لتبخير الجزء السائل من الحبر وتثبيت الطبقة مؤقتًا على الركيزة، مما يسمح بمعالجتها أو تخزينها قبل المعالجة النهائية. بالنسبة للأحبار المصنوعة من البوليمرات وبعض معاجين اللحام التي تتصلب عند هذه الدرجات، قد تكون هذه هي الخطوة الأخيرة المطلوبة. كما تتطلب بعض الأحبار أيضًا المعالجة بالتعريض للأشعة فوق البنفسجية .  

إطلاق النار

بالنسبة للعديد من الأحبار المعدنية والخزفية والزجاجية المستخدمة في عمليات الأغشية السميكة،  يلزم التسخين بدرجة حرارة عالية (عادة ما تكون أكبر من 300 درجة مئوية) لتثبيت الطبقات في مكانها بشكل دائم على الركيزة.

تشذيب المقاومات باستخدام مواد كاشطة

بعد عملية التسخين، يمكن ضبط المقاومات باستخدام طريقة قطع دقيقة باستخدام مادة كاشطة، طُوّرت لأول مرة بواسطة إس إس وايت. [ 9 ] تعتمد هذه الطريقة على استخدام مادة كاشطة دقيقة، عادةً ما  تكون أكسيد الألومنيوم بحجم 0.027 مم. تُغذّى المادة الكاشطة من خلال فوهة من الكربيد بأحجام مختلفة. تُمرّر الفوهة عبر المقاومة المُسخّنة مع مراقبة عنصر المقاومة بواسطة مجسات، وعند الوصول إلى القيمة النهائية، يُوقف تدفق المادة الكاشطة وتتراجع الفوهة إلى وضع البداية الصفري. تُمكّن هذه التقنية الكاشطة من تحقيق دقة عالية جدًا دون توليد حرارة أو إحداث تشققات في مسحوق الزجاج المستخدم في تركيبة الحبر.

تشذيب المقاومات بالليزر

بعد عملية التسخين، تُضبط مقاومات الركيزة إلى القيمة الصحيحة. تُسمى هذه العملية بالضبط بالليزر . تُصنع العديد من المقاومات الرقائقية باستخدام تقنية الأغشية السميكة. تُطبع المقاومات على ركائز كبيرة، ثم تُقسم إلى رقائق صغيرة، وتُجهز هذه الرقائق لتسهيل لحامها على لوحة الدوائر المطبوعة. يُستخدم في الضبط بالليزر نمطان: الضبط السلبي، حيث تُضبط كل مقاومة إلى قيمة وتفاوت محددين، والضبط النشط، حيث تُستخدم التغذية الراجعة لضبط الجهد أو التردد أو الاستجابة المطلوبة عن طريق ضبط المقاومات على الدائرة بالليزر أثناء تشغيلها.

تركيب المكثفات وأشباه الموصلات

تطورت عملية التجميع السطحي (SMT) في الواقع من عملية الأغشية السميكة. كما أن تركيب الرقائق المكشوفة (شريحة السيليكون الفعلية بدون تغليف) وتوصيل الأسلاك عملية قياسية، وهذا يوفر الأساس لتصغير الدوائر حيث لا حاجة إلى كل التغليف الإضافي.

فصل العناصر

تُعدّ هذه الخطوة ضرورية في كثير من الأحيان لأن العديد من المكونات تُصنّع على ركيزة واحدة في الوقت نفسه. لذا، يلزم وجود وسيلة لفصل هذه المكونات عن بعضها. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تقطيع الرقاقات .

تكامل الأجهزة

في هذه المرحلة، قد تتطلب الأجهزة دمجها مع مكونات إلكترونية أخرى، عادةً على شكل لوحة دوائر مطبوعة. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق توصيل الأسلاك أو اللحام .

التحكم في عملية تصنيع الأغشية السميكة

هناك العديد من الخطوات في تصنيع الأغشية السميكة التي تحتاج إلى تحكم دقيق، مثل خشونة الركيزة، ودرجات حرارة المعالجة وأوقات المعاجين، وسمك الاستنسل المختار مقابل نوع المعجون، وما إلى ذلك، [ 10 ] [ 11 ] لذلك فإن عدد المعاجين المستخدمة وخطوات العملية تحدد مدى تعقيد العملية وتكلفة المنتج النهائي.

تصميم الدوائر الكهربائية باستخدام تقنية الأغشية السميكة

يمكن استخدام أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني نفسها أو أدوات مشابهة، المستخدمة في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، لتصميم دوائر الأغشية السميكة. مع ذلك، يجب مراعاة توافق تنسيقات الأدوات مع عملية تصنيع القوالب، بالإضافة إلى توفر قواعد التصميم الهندسي والكهربائي والحراري اللازمة للمحاكاة وتصميم التخطيط من الشركة المصنعة النهائية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كاساب، س.؛ كابر، ب.، محرران. (2017). دليل سبرينغر للمواد الإلكترونية والضوئية . دار نشر سبرينغر الدولية. الصفحات 707-721 . ISBN  978-3-319-48933-9.
  2. ↑ لو، ب. (2010). "تقنية الأغشية السميكة الهجينة لتطبيقات السيارات". المؤتمر الدولي الخامس لتكنولوجيا تجميع وتغليف الأنظمة الدقيقة والدوائر، 2010. الصفحات 1-34 . doi : 10.1109/IMPACT.2010.5699549 . ISBN  978-1-4244-9783-6. S2CID 33904731 . 
  3. ↑ أندرو، و.، محرر. (1998). دليل تكنولوجيا الدوائر المتكاملة الهجينة ( الطبعة الثانية). إلسيفير إنك. الصفحات 104-171 .  
  4. ↑ فاندرمولين، م.؛ روي، د.؛ بيريتانو، س.؛ بيرناكي، د.؛ وآخرون (2004). "ركائز أغشية سميكة عالية الكثافة لحلول تغليف رقائق ثلاثية الأبعاد مصغرة". المؤتمر الدولي السابع والثلاثون للإلكترونيات الدقيقة (IMAPS 2004): كل شيء في الإلكترونيات... بين الرقاقة والنظام . doi : 10.13140/RG.2.1.1087.3369 .
  5. ↑ تشانغ، ز.؛ وآخرون (2011). "تحليل فشل المقاومات ذات الأغشية السميكة على الفولاذ المقاوم للصدأ كعناصر استشعار". المؤتمر الدولي الثاني عشر لتكنولوجيا التغليف الإلكتروني والتغليف عالي الكثافة، 2011. الصفحات 1-5 . doi : 10.1109/ICEPT.2011.6066957 . ISBN  978-1-4577-1770-3. S2CID 10294851 . 
  6. ↑ باريك، إم آر (1989). تقنية الأغشية السميكة للإلكترونيات الدقيقة (أطروحة). جامعة ليهاي.
  7. ↑ أولريش، آر كيه؛ شاربر، إل دبليو (2003). تقنية المكونات السلبية المتكاملة، مقدمة . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-24431-8.
  8. ↑ رومينسكو، بي إم؛ فالك، بي آر؛ هوغارث، كي جي (1986). "تكنولوجيا الأغشية السميكة الإلكترونية الدقيقة وتطبيقاتها". ملخص جونز هوبكنز التقني لمختبر الفيزياء التطبيقية . 7 (3): 284-289 .
  9. ↑ نظام التشذيب . شركة إس. وايت، القسم الصناعي.
  10. ↑ يبي، أ.؛ أياليو، ب. (2015). "التحكم في العمليات باستخدام المعادلات التفاضلية الجزئية لمعالجة الراتنجات السميكة بالأشعة فوق البنفسجية" . مجلة الأنظمة الديناميكية والقياس والتحكم . 137 (أكتوبر): 101010/1–10. doi : 10.1115/1.4030818 .
  11. ↑ ويلفارت، أ.؛ وآخرون (2011). "تحسين سمك الاستنسل وترسيب طبقة الحبر" . ريسيرش جيت، مشروع: الأجهزة الكهروحرارية المطبوعة : 6-16 .