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探讨芯片电阻制程中厚膜印刷

时间:2010-09-27 15:53:10

  一、厚膜芯片电阻制程简介
  不乱的电阻晶体印刷制程中,电阻值的大小取决于原料胶体与印刷膜厚,电阻层经由C1(表电极)的跨接,使电流可由电阻层中通过,经另一侧的背电极流回电路板,其膜厚示意图如图一所示。
  芯片电阻的背电极与电路板上的电路经过焊接链接之后,电流经过背电极流入,经由锡桥畅通流畅到表电极,通过具有电阻值的电阻膜,到达对面的表电极在经过锡桥传至电路板上[5][7]。
  印刷膜厚之厚度越厚会造成电阻值降低是可以预期的,相对地当膜厚越薄时由于可畅通流畅的截面积变小,因此造成电流阻抗增加;由图一可发现,电畅通流畅过期将以直线的方式行进,因此当印刷膜厚笼盖高于C1(表电极)时,电阻值之变化率将会减小。
  1.1 厚膜芯片电阻之印刷制程
  芯片电阻(Chip resistor),制程中将电阻原料(导电胶)印刷在氧化铝基板的两端电极上,使通过的电流产生阻抗,芯片电阻焊接上电路板后,通电时电流由背电极经过锡桥跨接到表电极上,在通过电阻层时,达到控制电流、电压的目的。其制造流程如图二所示。
  图一. 厚膜芯片电组之膜厚示意图
  厚膜芯片电阻之后印刷制程包括电阻层的印刷、玻璃保护层及文字的印刷。出产组件在印刷后,除了经由干燥的程序之外,还需要烧成的功课,烧成后再进行下一部的印刷程序,芯片电阻流程图各功课分述如图三所示。
  二、研究念头与目的
  电阻器属于电子零组件中之被动组件,其主要功能用以降低电子产品中电路的电压及限制其电流,为电子产品中最基本及必要之零件。电阻器应用范围广及信息、通信、汽车及消费性电子等产品,跟着下游电子工业的蓬勃发展,产值每年均呈现成长趋势。
  传统薄膜电阻是以人工插件之接脚型电子组件,耗费人工且具有体积大、不易散热等缺点,而应用表面粘着技术(Surface Mounted Technology;SMT)之厚膜芯片电阻器乃为因应3C(信息、通信、消费性电子)产品讲究轻、薄、短、小趋势之需求而兴起,因为厚膜芯片电阻器详细积小、功率高、本钱较低,因此较传统插件式电阻器更具量产上风,成为目前及未来电阻器产品发展之主流。
  就海内目前出产芯片电阻的厂商而言,因为原料供给时无法确实地达到所需要的电阻值(例如:订购100Ω的原料胶,因为制造厂商难以控制其出产电阻胶体之阻值变异,使得实际胶体的电阻值可能为90Ω),因此使得「免试印」功课方式的研究至今在台湾的相关企业仍旧无法有明显性的突破。
  然而一次之试印功课程序必需花费约3~4 小时的时间,相对地进步了出产的直接与间接本钱,影响尺度功课时间与延长交期,降低产品竞争力。本研究透过实验分析的方式,但愿能找出删除试印功课的方法,期减少出产所需之时间、职员及本钱的铺张。
  三、研究方法
  实验过程中必需妥善地控制各项可能影响结果的因素,将搜集之资料做进一步的分析与推论,并继承进行第二次实验且持续观察所搜集的资料,假如结果没有呈现出当初所预期的目标,则要重新规划实验的计划,本研究之研究架构图如图四所示。
  在此提出更改印刷前提控制印刷膜重与调配混合胶体比例的两种方法。
  3.1 更改印刷前提以控制印刷膜重
  本研究选用更改印刷前提参数来取得相同胶体但具不同膜重的数据, 并控制湿膜重量在0.025g~0.035g ,调整印刷前提参数内容如表一所示。
  图二. 厚膜芯片电阻之前印刷制程流程图
  图三. 厚膜芯片电阻之后印刷制程流程图
  图四. 本研究之研究架构图
  表一. 三种不同印刷前提之参数控制范围
  3.2 调配混合胶体比例达到所需求的电阻值
  目前由原料供给厂商所提供芯片电阻的电阻胶只有12 种电阻值规格,而市场需求种类高达2万多种。也因此制造电阻时所使用的电阻胶必需加以混合至所需要的电阻值,在此为了解决原料电阻值不固定的题目,本研究提出了A、B 两种解决的方法,其分析的内容如下。
  (1)方法A 之调配方式
  假设混和电阻胶体之原始阻值由小至大分别排列为α、β、γ及λ,由此四种胶体构成3 段可调配的电阻值区间,而需求电阻值将会落在区间之内如图五所示。
  由于原料供货商所供给的原料胶体阻值是变动的,因此在订购β与γ此两种原料胶体后,所得到的胶体电阻值也无法固定,在此假设所购入的胶体电阻值分别为αw、βx、γy 与,λz 设其中w、x、y及z 为变量,若需求电阻值为eΩ分布在区间[β,γ]之内,则调配的步骤可分述如下:
  1. 评估目标阻值eΩ位于哪一个调配区间(如区间[β,γ] )。
  2. 将由原料厂商取得之胶体βx 调配成区间[β,γ]之下边界阻值β。
  3. 将由原料厂商取得之胶体γy 调配成区间[β,γ]之上边界阻值γ。
  4. 利用β与γ两种胶体混合调配成所需之电阻值eΩ。
  因为βx 为一变量,因此需调配成为固定常数之区间[β,γ]下边界阻值β,其调配流程如图六所示。
  可得上边界阻值β调配通式为:
  其中β为常数,βx、γy 及αw 为变数。
  因为γy 为一变量,因此需调配成为固定常数之区间[β,γ]上边界阻值γ,其调配流程如图七所示。
  可得下边界阻值γ调配通式为:
  其中γ为常数,βx、γy 及λz为变数。
  (2)方法B 之调配方式
  方法B 的调配方式为改变阻值区间,也就是将原先的四种胶体阻值α、β、γ及λ扩大其区间的范围,使成为[α1,α2]、[β1,β2]、[γ1,γ2]与,[λ1,λ2]等,其区间所分布的状况如图八所示。
  图五. 电阻胶体混合示意图
  图六. 方法A 之β调配方式
  图七. 方法A 之γ调配方式
  图八. 电阻胶体之混合示意图
  假设购入的胶体阻值为αw、βx、γy 与λz,因为阻值区间经由调整,因此购入的胶体阻值αw、βx、γy 与λz 固然为变量,可是原料胶体阻值仍旧有其允收之规格,如αw 虽为变量但范围在α1与α2内,假设现在目标阻值落于β1 与γ1 之间,其调配的方式如图九所示。
  由图九及图十中可知,β2 胶体调配时只用到2种原料胶体βx与γy,且不需判定βx 之大小,因为混合胶体种类少且胶体成分接近,因此可推测其所产生的猜测误差将较为减少[3][4]。
  由此可得方法B 之调配通式为:
  其中β2与γ1为常数,βx为变量其范围在β1与β2之间;γy为变量范围在γ1与γ2。
  3.3 选择方案
  方法B 不管购入的原料胶体之电阻值为多少,只要变异在订购时所提规格的10%之内,代入本研究在调整区间后所计算出的回归方程式,即可算出所需要的膜重与配比,不必经试印功课而达到直接出产的目的,且方法B 从头到尾共混合了两次胶,然而仍旧只有两种胶体在进行混合,较方法A 中的4 种胶体混合不乱,缺点是配比区间较原先的模式多了一倍。总体评估下仍旧使用方法B 较佳,因此在此选择方法B 作为此研究的调胶配比方式,此两种方法之优缺点比较表如表二所示。
  四、实验步骤
  本研究分为三个实验阶段,第一阶段探讨网版膜厚对电阻值所产生的影响;第二阶段使用随机实验,印刷三种不同重量的膜重,观察电阻值是否有差异;第三阶段研究胶体配比所产生的电阻值,并找出配比回归方程式。
  4.1 实验一: 膜厚趋势性探讨
  本实验步骤为控制网版的张力与乳胶厚度,经由印刷与烧成后,量测其电阻层厚度,使用统计检测与实验设计的方法,推测出膜厚的可控制区间,进而在可控区间内改变制程参数,以便了解各制程参数与膜厚有何联系关系。
  4.2 实验二: 膜重与电阻值差异性探讨
  本实验固定网版与其他制程参数,印刷膜重在此掏出三水平(膜重0.027g、膜重0.03g 与膜重0.033g),使用实验设计的方法随机实验5 次,并使用假设检定的手法探讨不同膜重彼此间电阻值是否有差异。
  4.3 实验三: 配比与电阻值相关性探讨
  由实验中得知膜重不同所得到的电阻值也不相同,因此也可以进一步探讨当膜重渐增时,相对于电阻值所造成的影响情况如何,假如有趋势性的情况发生,即可利用回归分析的方式,找出膜重与电阻值间的关系式。
  本研究的三个实验中,实验一使用统计的手法检定不同的网版张力是否会影响电阻值,假如具影响则日后的实验必需要固定网版张力才能减少实验的误差;而实验二则检定不同的印刷膜重是否也影响到电阻值,假如有影响则影响情况是否能观察出趋势性;实验三则针对改变原料胶体调配的比例,尝试找出可作为猜测依据的回归关系式,本研究之实验流程图如图十一所示。
  图十. γ1 胶体的调配流程图
  表二. 调胶方式之优缺点比较表
  五、实验结果
  根据实验步骤所规划的顺序与方法,进行实验与数据的搜集,本实验必需进行实验一,分析出结果后方可进行实验二及实验三。
  5.1 实验一: 网版使用次数与膜重之相关性
  此实验主要探讨不同网版所印刷膜厚的差异性,使用相同印刷前提目的在于控制固定的变因,20N、30N 张力的网版实验量测后的资料如表三及表四所示。
  由图十二可得知20N 样本的第15 片基板膜厚产生异常的极端值,推测可能是量测时所造成的误差,在此将此异常值剔除,并重新计算20N 样本的统计量。
  假设检定:
  将两组不同网版所量测出来的数据,使用假说检定的方法,判定两组样本中是否有明显性的差异,其中两组样本皆为小样本(n<30),且母体变异数未知,因此检定方法使用t 检定,在显数水平α=0.05下,检定30N 网版所印刷的均匀膜重是否大于20N网版的均匀膜重。
  图十一. 本研究之实验流程图
  表三. 20N 网版湿膜重量表
  表四. 30N 网版湿膜重量表
  图十二. 不同网版膜重差异
  在检定膜重之前,首先必需先检定两母体变异数是否相同。
  H0:30N 网版印刷膜重变异即是20N 网版印刷膜重变异
  H1:30N 网版印刷膜重变异不即是20N 网版印刷膜重变异
  其计算结果如表五所示。
  推论检定结果:由Excel 所计算出来的结果中可发现,检定统计值F0=2.0918 介于临界值F1 与F2之间(F2≦F0≦F1),因此落在接受域范围内,表示30N 网版膜重变异与20N 网版膜重变异无明显的不同。
  得知30N 网版印刷膜重与20N 网版印刷膜重之变异数相等后,即可使用两母体均匀数假设检定来判定30N 网版之印刷膜重是否大于20N 网版之印刷膜重。
  [1][9],计算后可得推论所需的数据如表六所示。
  结论:
  本次膜重试验中,取不同张力的网版进行检测,可归论出下列四点:
  1. 张力30N 的网版所印出的电阻层膜重显着地大于张力20N 网版印出的电阻层膜重。
  2. 30N 张力的膜重变异数与20N 张力的膜重变异并无显着差异。
  5.2 实验二: 膜重与电阻值差异性之探讨
  实验二固定网版与其他制程参数,只有变动印刷的次数来改变其膜厚,印刷膜重在此掏出三水平(膜重0.027g、膜重0.03g 与膜重0.033g)实验五次,使用实验设计的方法,将每次实验的顺序使用随机数的方式来决定,并检定不同膜重彼此间电阻值是否有差异[8]。
  一片氧化铝基版中有数百个至数千个芯片电阻,量测时采用分层抽样的方式。本研究每片氧化铝基版抽样样本数为25 个芯片电阻,其中每一个玄色的方块表示一个芯片电阻及其抽样位置,量测方式如图十三所示。
  实验二所量测的均匀电阻值如表七所示。
  为了检定3 种不同膜重的均匀电阻值是否相等,令μ1,μ2,μ3,分别为3 种不同膜重,并设立假说检定。
  μ1 膜重0.027g,μ2 膜重0.03g, μ3 膜重0.033g
  μ1 膜重0.027g,μ2 膜重0.03g, μ3 膜重0.033g
  表五. 网版变异数检定结果
  表六. 两网版差异统计量表
  为了检定3 种不同膜重的均匀电阻值是否相等,令μ1,μ2,μ3,分别为3 种不同膜重,并设立假说检定。
  μ1 膜重0.027g,μ2 膜重0.03g, μ3 膜重0.033g
  明显水平α=0.05,ANOVA 检定为右尾检定,因此拒绝域在F 分配的右尾。
  F 分配的两个自由度为
  *分子的自由度为df=k-1=3-1=2
  *分母的自由度为
  计算后得ANOVA 表如表八所示
  结论
  由于检定统计量F=1149.559>临界值3.885,落在拒绝域,故拒绝H0,可推测结论为3 种不同膜重中至少有一种膜重的均匀电阻值不相等,但是假如要看出其中的差异性,以及是否三者彼此间全都不相等, 就必需再使用LSD(Least Significant Difference)法做比较。
  最小差异性法(LSD)[8]
  由结果可得知,以膜重0.027g 与膜重0.033g差异最大,而膜重0.027g 与膜重0.03g 的差异次之,由此可推论出膜重差异越大,其电阻值差异也相同的增加。
  5.3 实验三: 膜重、配比与电阻值相关性探讨
  由实验二中得知膜重不同所得到的电阻值也不相同,因此可以进一步探讨当膜重渐增时,相对于电阻值所造成的影响情况会如何。假如有趋势性的情况发生,即可利用回归分析的方式[2],找出膜重与电阻值间的关系式。
  免试印制程阶段性实验结果
  将原料胶体混合后,依照不同的配比之权数,进行回归分析,其样本数据如表九所示。
  自相关系数之表中可得知,电阻值与调胶配比的相关性高达-0.993,并且在明显水平α=0.01 时相关性仍旧呈现明显的情况,如表十所示。
  本实验采用二维回归方程式,计算后发现R Square 仍旧相称高,因此可得知2 次混合的结果并不会影响回归方程式的配适度,其回归分析所得的结果如表十一所示。
  其中二维回归方程式:
  图十三. 单一基版的量测方式
  表七. 三种膜重电阻值分配表
  表八. 三种膜重ANOVA 表
  表九. 调整实验样本表
  由图十四可观察得知,当配比越大时电阻值越小,而数据本身呈现二次式曲线的关系,并非完全呈线性关系,此实验的结果说明往后可使用改变电阻值区间的方式,进行回归方程式数据的收集,估计在20 种区间中各计算出一组回归方程式,利用这些方程式将可作为调胶配比的重要依据。
  六、结论与未来研究方向
  6.1 结论
  本研究案固然提供一个研究免试印的另一种方法,但是因为时间、本钱以及出产技术等影响因素的存在,使得实验目前尚停留在初步的阶段,而本实验所搜集样本及研究的结果,只提供作为免试印制程的初步的猜测及评估。如要真正达到免试印的制程,必需还要搜集更多的样本数据,克服实验过程中所能控制因子的不不乱性,以确保结果的可托度,在0805 的型号推行成功后,再进而发展其他尺寸的制程。
  6.2 未来研究方向
  因为本实验的范围界定在初步试验的情况,固然有发展出新的解决方案,然而也可能由于实验的次数及其他未能控制的变因导致推行免试印时产生难题。本实验主要探讨是否能在大量印刷之前预估配比而达到所需要的电阻值,因此未来需要继承收集实验的数据,并依照实验的结果,审慎地订定研究的方向;另外即使能够正确的预估到印刷后所得到的均匀电阻值,若能够对于电阻值本身所产生的变异进行研究,则更能使产品在量与质上皆能有所晋升。
  表十. 相关系数表
  表十一. 改变区间R Square 表

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