Электрохимическое формирование Al-Al2O3-Ni-Cu-структур для микрополосковых СВЧ-линий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрохимическое формирование Al-Al2O3-Ni-Cu-структур для микрополосковых СВЧ-линий

Д.Л. Шиманович

Аннотации

Разработаны технологические режимы формирования Al-Al2O3-Ni-Cu-структур, основанные на химическом осаждении Ni и электрохимическом осаждении Cu толщиной до 30 мкм на широкоформатные Al-основания с односторонним диэлектрическим слоем Al2O3, полученным в процессе электрохимического анодирования. Исследованы электрофизические параметры Al-Al2O3-Ni-Cu-структур и показана перспективность их использования в качестве микрополосковых линий пассивной части систем СВЧ-диапазона. химический микрополосковый диапазон

Ключевые слова: алюминий; анодирование; алюмооксидная структура; медь; система межсоединений; микрополосковая линия передачи; СВЧ-устройство.

ELECTROCHEMICAL FORMATION OF Al-Al2O3-Ni-Cu-STRUCTURES FOR MICROWAVE MICROSTRIP LINES

D. L. Shimanovich

Belarussian state university of informatics and radioelectronics (BSUIR), Minsk, Belarus

Abstract. Based on Ni chemical deposition and up to 30 мm thick Cu electrochemical deposition onto large-size Al bases with Al2O3 one-sided dielectric coating obtained by electrochemical anodic process, technological regimes for Al-Al2O3-Ni-Cu structures formation were developed. Electrophysical parameters for Al-Al2O3-Ni-Cu structures were studied and their promising application for microstrip lines of microwave systems passive part was demonstrated.

Keywords: aluminum; anodizing; alumina structure; copper; interconnection system; microstrip line; microwave device.

Введение

Известно, что основой конструкции устройств СВЧ-диапазона является диэлектрическая подложка, которая должна обеспечивать не только размещение пленочных пассивных и навесных активных элементов, но и сама должна служить функциональной частью при распространении СВЧ-энергии, т.к. величины емкостных и индуктивных связей, геометрических размеров микрополосковых линий для минимизации потерь СВЧ-энергии определяются диэлектрической постоянной материала и толщиной подложки. Кроме того, СВЧ-подложка должна обладать высоким качеством обработки поверхности, высокой плоскостностью, механической прочностью, термоустойчивостью при нагревании до высоких температур, высокой теплопроводностью, химической инертностью, температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), по возможности близким к ТКЛР формируемых слоев для совместимости с процессами осаждения пленок для создания микрополосковых СВЧ-линий [1-3]. Использование механически прочных Al-оснований с диэлектрическим слоем Al2O3, полученным с одной стороны в результате электрохимического процесса анодирования [4], является весьма перспективным, если учесть тот фактор, что вторая неокисленная сторона таких оснований служит сплошным металлизированным экраном. Толщина диэлектрического слоя и его структурно-морфологические параметры, которые влияют на величину затухания СВЧ-сигналов, могут контролироваться электрохимическими режимами анодирования [5-6]. Настоящая работа посвящена формированию и исследованию пассивной части СВЧ-схем на основе медной металлизации толщиной до 30 мкм, сформированной c применением химического осаждения Ni и электрохимического осаждения Cu на широкоформатных Al-основаниях с односторонним анодным диэлектрическим слоем Al2O3, что может быть использовано в качестве микрополосковых СВЧ-линий.

Экспериментальная часть и обсуждение результатов

Разработанный нами технологический процесс формирования Al-Al2O3-Ni-Cu-структур позволил исключить операцию вакуумного напыления токопроводящих пленок в качестве подслоя с использованием дорогостоящего оборудования и основывался на использовании только химических, электрохимических и гальванических методов. Насущной проблематикой при таком подходе является улучшение электрофизических параметров: увеличение электроизоляционной прочности анодного Al2O3, исключение возможных коммутационных соединений Cu-проводников с Al-основанием, снижение внутренних напряжений, улучшение термостойкости, теплопроводности и адгезионных свойств Cu в системе Al-Al2O3-Ni-Cu.

В качестве подложек использовались Al-основания из сплава АМг-2 размером 100Ч100 мм толщиной ~1-2 мм с модифицированным пористым анодным слоем Al2O3 толщиной ~50-100 мкм, сформированным с одной стороны (вторая сторона маскировалась) методом двухстадийного анодирования в 10 % растворе H2C2O4 с добавлением MgSO4 (8,5 г/л) сначала на глубину ~10 мкм в потенциостатическом режиме при U ~20-25 В при температуре ~16-18 оС (1 стадия), а после этого в том же электролите при той же температуре на заданную толщину Al2O3 при резко повышенном U ~60-70 В в течение ~50-100 мин (2 стадия). Далее, после грунтовки пористой структуры Al2O3 проводилась сенсибилизация алюмооксидной поверхности в 5% растворе SnCl2, содержащем 5% HCl, в течение ~2 мин при комнатной температуре. После этого подложки подвергались процессу активирования в 1% растворе PdCl2, содержащем 5% HCl, в течение ~1 мин при комнатной температуре. После завершения активирования осуществлялся процесс сплошного химического никелирования в водном растворе, содержащем борную кислоту (15 г/л), молочную кислоту (17 г/л), едкий натр (19 г/л), гипофосфит натрия (20 г/л), сульфат никеля (25 г/л), тиомочевину (0,1 г/л), при температуре процесса ~95 С. Время осаждения ~10 мин, толщина слоя Ni ~1,5 мкм. Далее проводили термообработку химически осажденного токопроводящего Ni при температуре ~200 оС в течение ~1 ч. После этого методом электрохимического осаждения наносился сплошной Cu проводящий слой толщиной ~20-30 мкм на всю поверхность алюмооксидных оснований. Состав электролита: сульфат меди (210 г/л), кислота серная концентрированная (75 г/л), спирт этиловый (10 мл/л), уротропин (0,2 г/л). Режимы осаждения Cu: плотность тока ~20 мА/см 2, температура процесса ~20-23 С, время осаждения ~50-60 мин. Далее проводился процесс фотолитографии с целью формирования пассивной части - рисунка системы межсоединений на основе медной металлизации.

Следует отметить, что при создании пассивной части СВЧ-устройств был отработан метод глубокого локального травления толстослойной Cu с подслоем Ni до диэлектрической Al2O3-поверхности оснований по рисунку сформированной фоторезистивной маски с минимальным боковым уходом для сохранения вертикальности стенок создаваемой конфигурации медных токоведущих элементов и качественной межэлементной изоляции. Химическое травление проводилось в водном растворе соляной кислоты (HCl) (25 об. %) и перекиси водорода (H2О 2) (25 об. %).

Для различных вариантов тестовых образцов были проведены исследования электрофизических параметров пассивной части СВЧ-схем: адгезионных характеристик Cu-металлизации к поверхности алюмооксидных оснований, электрического сопротивления токоведущих Cu-элементов, пробивных напряжений диэлектрического покрытия оснований, теплопроводности и термоустойчивости в системе Al-Al2O3-Ni-Cu. При соблюдении оптимальных технологических режимов формирования пассивной части измеренные параметры показали следующие значения: напряжение пробоя изоляции ~3,5-6,0 кВ; теплопроводность ~41-71 Вт/м·К (рисунок 1); термоустойчивость - до 350 oC; степень адгезии Cu ~7,0-8,7 кг/мм 2 (рисунок 2); удельное электрическое сопротивление токопроводящих элементов ~0,04-0,08 Ом·м (рисунок 3).

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности от толщины диэлектрического слоя Al2O3, грунтованного различными органическими материалами, в системе Al-Al2O3-Ni-Cu: толщина Al-сплава ~2 мм; толщина Cu ~20 мкм.

Для увеличения значений пробивных напряжений изоляции применялись следующие технологические приемы: дополнительное плотное анодирование при U ~250 В в 1 % растворе лимонной кислоты после основной стадии пористого анодирования для увеличения толщины пленки Al2O3 барьерного типа в донной области пористой структуры анодного оксида; грунтовка (заполнение) каналов пористого анодного слоя Al2O3 различными органическими наполнителями.

Рис. 2. Сравнительный анализ влияния коэффициента пористости Al2O3 на адгезионную прочность пленок Cu: толщина Cu ~20; 25; 30 мкм; толщина Al2O3 ~100 мкм.

Рис. 3. Влияние толщины элементов медной металлизации в Al-Al2O3-Ni-Cu-структурах на ее удельное электрическое сопротивление: толщина Al2O3 ~50; 70; 100 мкм; толщина Al-основания ~2 мм.

Заключение

1. Разработаны технологические режимы формирования Al-Al2O3-Ni-Cu-структур, которые являются перспективными для использования в качестве микрополосковых линий пассивной части систем СВЧ-диапазона.

2. Коммутационные элементы изготовлены на основе Ni-Cu-металлизации, сформированной c применением химического осаждения Ni толщиной ~1,5 мкм и электрохимического осаждения Cu толщиной до 30 мкм на широкоформатных Al-основаниях с односторонним анодным диэлектрическим слоем Al2O3 толщиной до 100 мкм, полученным в процессе электрохимического анодирования.

3. Исследованы электрофизические параметры в системе Al-Al2O3-Ni-Cu, которые показали следующие значения: напряжение пробоя изоляции ~3,5-6,0 кВ; теплопроводность ~41-71 Вт/м·К; термоустойчивость - до 350 oC; степень адгезии меди ~7,0-8,7 кг/мм 2; удельное электрическое сопротивление токопроводящих коммутационных элементов ~0,04-0,08 Ом·м.

Литература

1. Климачев И.И., Иовдальский В.А. СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования. М.: Техносфера, 2006. - 352 с.

2. Филатов И.Н., Бакрунов О.А., Панасенко П.В. Микроэлектронные СВЧ-устройства. М.: Высшая школа, 1987. - 94 с.

3. Кренделев А.Е. Технологические средства изготовления микрополосковых линий для ГИС КВЧ-диапазона. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, № 4. - C. 33-39.

4. Сокол В.А., Шиманович Д.Л., Литвинович Г.В. Технологические приемы формирования Al-Al2O3 микроструктур для мощных электромеханических систем. // Доклады БГУИР, 2012, № 8 (70). - C. 44-49.

5. Литвинович Г.В., Шиманович Д.Л. Технологические особенности формирования плат со встроенной системой межсоединений в подложках анодного оксида алюминия. // Доклады БГУИР, 2013, № 3 (73). - C. 39-44.

6. Сокол В.А., Яковцева В.А., Шиманович Д.Л. Особенности применения пористых оксидов алюминия. // Доклады БГУИР, 2012, № 2 (64). - C. 21-27.

References

1. Klimachev, I. I., Iovdal'skii, V. A. SVCh GIS. Osnovy tekhnologii i konstruirovaniya. M.: Tehnosfera, 2006. - 352 p.

2. Filatov, I. N., Bakrunov, O. A., Panasenko, P. V. Mikroelektronnye SVCh ustroistva. M.: Vysshaya shkola, 1987. - 94 p.

3. Krendelev, A. E. Technological methods of the microstrip fabrication for the EHF HICs. // Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2002, No 4. - Pp. 33-39.

4. Sokol, V. A., Shimanovich, D. L., Litvinovich, G. V. Technological techniques of Al-Al2O3 microstructures formation for powerful electromechanical systems. // Doklady BGUIR, 2012, No 8 (70). - Pp. 44-49.

5. Litvinovich, G. V., Shimanovich, D. L. Technological particularities of the circuit board with the built-in interconnection system formation for the anode alumina substrate. // Doklady BGUIR, 2013, No 3 (73).). - Pp. 39-44.

6. Sokol, V. A., Yakovtseva, V. A., Shimanovich, D. L. Application features of porous alumina. // Doklady BGUIR, 2012, No 2 (64). - Pp. 21-27.

Размещено на Allbest.ru