Толстопленочные элементы электроники и микроэлектроники

 

 

 

 

 

 

 

В. Н. Игумнов 

 

 

 

ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  

В ЭЛЕКТРОНИКЕ  

И МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ 

 

 

Монография 

 

 

 

 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2015 

 

УДК 621.382 
ББК  32.844.1 

И 28 

 
 

Рецензенты: 

заведующий кафедрой «Электронные  технологии в машиностроении» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, д-р техн. наук, профессор  Ю. В. Панфилов; 

главный научный сотрудник ЦНИТИ «Техномаш»,  

д-р техн. наук, профессор А. Ф. Белянин 

д-р техн. наук, профессор кафедры «Инновационные технологии  
машиностроения» Пермского национального исследовательского  

политехнического университета А. Л. Каменева 

 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 

 
Игумнов, В. Н. 

И 28    Толстопленочные элементы электроники и микроэлектроники: 

монография / В. Н. Игумнов. – Йошкар-Ола: Поволжский государ-
ственный технологический университет, 2015. – 204 с. 
ISBN 978-5-8158-1608-4 

 

Рассмотрены актуальные вопросы пленочной электроники – материа-

лы, конструкции и технологии изготовления проводниковых, сверхпро-
водниковых и прочих толстопленочных элементов. Особое внимание уде-
лено их электроискровой и тепловой обработке, а также использованию 
толстопленочных элементов в различных областях электроники. 

Для инженеров, исследователей, научных работников, аспирантов и 

магистрантов, специализирующихся в области пленочной электроники, а 
также смежных областях. 

УДК 621.382 
ББК  32.844.1 

 

ISBN 978-5-8158-1608-4 
© В. Н. Игумнов, 2015 
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие 
5 

Введение 
7 

 
Глава 1. ПРОВОДНИКОВЫЕ И РЕЗИСТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 
9  

1.1. Подложки 
9 

1.2. Проводниковые и резистивные пасты 
13 

1.3. Формирование рисунка толстопленочных элементов и схем 24 
1.4. Вжигание паст 
28 

1.5. Резистивные элементы: основные параметры 
33 

1.6. Резистивные элементы на основе диоксида рутения 
35 

1.7. Модели электропроводности толстопленочных элементов 
37 

1.8. Проводниковые элементы 
52 

 
Глава 2. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ  
ЭЛЕМЕНТЫ 
56  

2.1. Высокотемпературные сверхпроводники и пасты  

на их основе 
56 

2.2. Пасты для толстопленочных ВТСП-элементов 
63 

2.3. Подложки и буферные подслои 
65 

2.4. Вжигание сверхпроводниковых паст 
68 

 
Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ  
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 
79 

3.1. Конструкция и технология изготовления образцов 
79 

3.2. Характеристики материала резистивных элементов 
81 

3.3. Формирование структуры резистивного материала  

на стадии вжигания 
85 

 
Глава 4. ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА  
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 
91 

4.1. Искровой разряд в воздухе при нормальном давлении 
91 

4.2. Развитие искрового разряда 
96 

4.3. Особенности короткого искрового разряда 
100 

4.4. Процессы на электродах в газовом разряде 
103 

4.5. Размерная искровая обработка 
104 

4.6. Методика исследования короткого искрового разряда 
110 

4.7. Электроискровая подгонка сопротивления  

резистивных элементов 
122 

4.8. Электропроводность резистивного слоя  

с учетом электроискровой и тепловой обработки 
131 

4.9. Влияние параметров искровой обработки  

на сопротивление резистивного слоя 
138 

4.10. Распределение параметров в объеме резистивного слоя 
141 

4.11. Рентгеноструктурные исследования  

резистивного материала 
155 

4.12. Дрейф сопротивления резистивных элементов 
158 

4.13. Электроискровая обработка сверхпроводниковых  

элементов 
164 

 
Глава 5. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА 
В ЭЛЕКТРОНИКЕ 
167 

5.1. Проводниковые и резистивные схемы и устройства 
167 

5.2. Сверхпроводниковые схемы и устройства 
174 

5.3. Магнитные экраны 
185 

 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
192 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
194 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Настоящая монография посвящена актуальным проблемам пле-

ночной электроники. 

Развитию электроники и микроэлектроники способствует актив-

ное применение прогрессивных приемов и методов. Так, благодаря 
внедрению пленочной технологии были не только созданы ориги-
нальные конструкции микроминиатюрных и высоконадежных 
устройств, но это также стимулировало и дальнейшее развитие тео-
ретических исследований. Совершенствование измерительной тех-
ники, разработка пассивных и активных элементов связаны как с 
тонкопленочной, так и с толстопленочной технологией. Выбор той 
или иной технологии зависит от многих параметров, действующих 
на всех этапах создания электронных устройств, – от разработки до 
серийного производства. 

Если в области физики и технологии тонких пленок имеется зна-

чительное количество монографий и справочников, которые охваты-
вают большинство актуальных тем, то для толстопленочной элек-
троники дело обстоит не так благополучно. Имеется довольно боль-
шое количество публикаций по различным частным вопросам, одна-
ко изданные в свое время монографии, например [1, 5, 8], уже стали 
библиографической редкостью, да они и, естественно, не содержат 
информации о последних работах и достижениях в этой области. 

Однако прогрессу в области толстопленочных элементов, 

устройств и схем в значительной степени способствовали успехи в 
области разработки новых типов паст и подложек, композиций на 
основе металлоорганических и светочувствительных соединений, 
совершенствование толстопленочной технологии, еще более широ-
кое внедрение фотолитографии, лазерной техники в технологиче-
ский процесс получения толстопленочных элементов и схем и т.д. 

В данной работе сделана попытка систематизировать и изложить 

основные вопросы, связанные с получением проводниковых и 

сверхпроводниковых толстопленочных элементов электроники, а 
также их электроискровой обработки, представить информацию по 
проводниковым, резистивным и высокотемпературным сверхпро-
водниковым толстопленочным элементам, а также рассмотреть во-
просы состава и нанесения паст, проблемы их вжигания. 

В книге обобщены и проанализированы как имеющиеся литера-

турные данные, так и результаты теоретических и эксперименталь-
ных авторских работ по исследованию электроискровой обработки 
резистивных и сверхпроводниковых толстопленочных элементов, по 
уточнению моделей их электропроводности. 

Автор благодарит рецензентов, чьи советы и замечания были 

учтены при работе над рукописью. С признательностью будут при-
няты все отзывы и замечания читателей, которые можно присылать 
по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, Поволжский государственный 
технологический университет, кафедра КиПР. 

 
 

ВВЕДЕНИЕ  

 

Толстопленочные элементы являются весьма важной частью 

электронных устройств. Они входят в состав устройств на дискрет-
ных элементах, микроэлектронных устройств, устройств  криоэлек-
троники и др. Некоторые устройства электроники являются полно-
стью толстопленочными. К первой группе относятся резисторы, кон-
денсаторы, катушки индуктивности. С помощью толстопленочных 
коммутационных плат и металлокерамических корпусов осуществ-
ляют сборку гибридных и полупроводниковых интегральных схем. 
Так, гибридная интегральная микросхема СВЧ представляет собой 
диэлектрическую или ферритовую подложку, на которой методом 
толстопленочной технологии сформированы пассивные элементы 
(микрополосковые линии, резисторы, конденсаторы, катушки индук-
тивности), а также смонтированы навесные активные и пассивные 
элементы. 

На базе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) тол-

стых пленок выполняются такие устройства криоэлектроники, как 
микрополосковые линии, СВЧ-резонаторы, электромагнитные экра-
ны и др. Привлекательность толстопленочных элементов и схем объ-
ясняется сравнительной простотой толстопленочной технологии, 
которая не требует сложного вакуумного оборудования, необходимо-
го для технологии тонких пленок. 

Кроме того, толстопленочные элементы могут иметь существен-

но большие мощности по сравнению с тонкопленочными. В ряде 
случаев это оказывается весьма существенным. К толстым пленкам 
относят слои, толщина которых превышает 1 мкм и достигает не-
скольких десятков микрометров, обычно она составляет 10…50 мкм. 

Толстопленочная технология включает в себя подготовку напол-

нителя для пасты (металлы, оксиды, их смеси), связующей компо-
ненты (стеклянный порошок) временного органического связующего 
и добавок, обеспечивающих заданные реологические характеристи-

ки пасты. В зависимости от назначения элемента, паста содержит от 
0 до 100 % проводящей компоненты. 

После смешивания пасты ее наносят через сетчатый трафарет на 

подложку, формируя необходимую топологию. Подложку с пастовым 
рисунком подвергают термообработке (вжиганию) в специальной 
печи. В процессе вжигания формируются основные свойства тол-
стопленочных элементов. При необходимости после вжигания эле-
менты подвергают дополнительной обработке. К такой обработке, 
например, относятся лазерная и электроискровая подгонка сопро-
тивления резисторов, отжиг ВТСП-элементов в кислородосодержа-
щей среде и т.д. 
 

 
 

ГЛ А В А  1  

ПРОВОДНИКОВЫЕ И РЕЗИСТОРНЫЕ  

ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 

Элементы, о которых идет речь в данной главе, являются 
наиболее распространенными и хорошо освоенными. Рези-
сторные толстопленочные элементы используются в виде дис-
кретных резисторов, резисторных матриц и в составе толсто-
пленочных интегральных схем. Не менее широкое примене-
ние находят проводниковые элементы. Они используются в 
виде проводниковых дорожек и контактных площадок ги-
бридных интегральных схем. Применяются толстопленочные 
токоведущие дорожки и контактные площадки также в метал-
локерамических корпусах интегральных схем. Объемы произ-
водства всех упомянутых толстопленочных элементов посто-
янно растут. В последнее время широкое распространение 
получили толстопленочные элементы в изделиях СВЧ-
диапазона: индуктивности, резонаторы, микрополосковые 
линии передачи. 

1.1. ПОДЛОЖКИ 

Подложки для пленочных элементов и схем играют очень 

важную роль. Во-первых, они служат механической основой, на 
которую наносятся и на которой удерживаются толстопленочные 
элементы. 

Между подложкой и пленкой должна существовать хорошая ад-

гезия. Однако это не единственные требования к подложке. В раз-
личных устройствах важными оказываются другие различные их 
свойства: механические, теплофизические, диэлектрические и т.д. 
В некоторых случаях важными оказываются химический состав под-
ложки, влияние ее материала на свойства пленочного элемента. Так, 

оксид бериллия обладает хорошими тепловыми свойствами, но по 
прочности уступает оксиду алюминия, стеатит относительно недо-
рог, но имеет плохие тепловые свойства. Фарфор, стеатит и форсте-
рит имеют более низкую теплопроводность, чем оксид алюминия, а  
также низкое сопротивление сжатия и изгиба. Эмалированные ме-
таллические подложки обладают лучшим теплоотводом, однако, 
плоскостность стеклоэмали невелика (табл. 1.1). 

 

Таблица 1.1 

Характеристики основных материалов подложек [1] 

Материал 
подложки

Коэффициент 
теплопровод-
ности Кт ∙102, 

Вт/м ºС

Температурный 

коэффициент 
линейного рас-

ширения 

ТКЛР·10-6, ºС-1

Удельная 
теплоем-

кость, 
кал/с ºС

Плот-
ность 
г/см2

Удельное 
объемное 
электриче-
ское сопро-
тивление ρ, 

Ом·м

Оксид 
алю-

миния (96 %)
Алюминий
Силикат 
алюминия
Оксид берил-
лия
Латунь
Медь
Эпоксид 
(изомер)
Кварцевое 
стекло

0,30
2,14

0,113

2,20
0,85
3,20

0,014

0,014

6,4
23,0

32,0

6,0
18,5
17,0

30,0

0,55

1,13
0,90

1,04

1,25
0,38
0,39

–

0,75

4,0
2,7

2,3

2,9
8,4
8,9

2,3

2,2

1·1010

2,8·10-4

1·1016

1·1010

6,7·10-4

1,7·10-4

1·1014

1·1020

 

В настоящее время в толстопленочной технологии наиболее рас-

пространены подложки на основе оксида алюминия. Это связано с 
удовлетворительными тепловыми, высокими механическими харак-
теристиками, стабильностью в широком температурном диапазоне, 
удовлетворительной шероховатостью, постоянством геометрических 
размеров (табл. 1.2). 

Таблица 1.2 

Характеристики керамических материалов [2] 

Характеристика
Поли-

кор
ГМ-1
Сапфирит
22ХС
М-7
УОР-61
Стеатит 

СК-1

Фопсте-
рит Ф-58

Содержание 
Al2O3, вес. %

Истинная пори-

стость, %

Водопоглощение,

%

Объемный вес,

1/см3

Температура 
обжига, ºС

Среда обжига

Модуль упругости 

Е·10-6, кГ/см2

Предел прочности 
при статическом 
изгибе, кГ/см2

λ · 10-3, 

кал/(см·с·град)×
×(4,9·10-2 Вт/мк)

99,8

0,5

–

3,98

1800
Ваку-

ум

–

2800-
3000

77,0

99,6

–

–

3,98-3,9

1760-1770
Окисли-
тельная

–

–

–

98

0,5÷1,8

0,01

–

1680-1690

Восстанови-

тельная

–

–

50-60,0

95,14

2

0,01

3,78

1570-1580

Восстанови-

тельная

2,46

+20ºС-5400
+900ºС-1050

32

93,96

4,6

0,00

3,66

1720

Восстанови-

тельная

2,04

+20ºС-4600
+900ºС-2200

24 

92

5÷6

–

3,65

1650-1680
Окисли-
тельная

–

3000-
4000

4

0,92

–

0,002

3,00

1190

Окисли-
тельная

–

1700

5 

–

2÷5

–

3,04

1300

Окисли-
тельная

–

1700-200

4 

 

Окончание табл. 1.2 

Характеристика
Поликор
ГМ-1
Сапфирит
22ХС
М-7
УОР-61
Стеатит 

СК-1

Фопстерит 

Ф-58

КТР·107, град-1

20-300 ºС
20-400 ºС 
20-900 ºС

ε  (f = 106 Гц)

Диэлектрические

потери
tg σ·104

f = 1010 Гц
f = 1 мГц
Пробивная 

напряженность 
электрического 

поля, кВ/мм

Удельное объем-
ное сопротивле-

ние, Ом·см

20 ºС
300 ºС

32,26

66
–
–

10,1
1,0

–

–
–

80
–
–

10,5

–
–

–

–
–

21-25
65-67

–
–

1,0
–

–

–
–

68
69
72
9,3

10
–

70

1014

2·1010

65
67
70
9,5

9
–

53

1015

2·1013

–
–

9,5-10

6,5
–

–

–
–

65
–

6

–
6

20

1015

3·1011

80-100

–

7

–
1-2

35-40

1016

1010