Производство изделий микроэлектроники

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

1. Назначение и структура отдела микроэлектроники

2. Основные характеристики выпускаемой продукции

2.1 Краткая характеристика охраны труда на предприятии при производстве микрополосковых СВЧ плат

2.2 Краткая характеристика основных технологических операций изготовления и контроля качества микрополосковых СВЧ плат

2.3 Краткая характеристика основных технологических операций изготовления и контроля качества микрополосковых СВЧ плат

3. Технологический процесс

4. Технологический маршрут изготовления толстопленочных ИМС

Библиография

1. Назначение и структура отдела микроэлектроники

Преддипломная практика проходила на базе 72 научно-исследовательского центра ФГУП «18 ЦНИИ МО РФ», в отделе конструирования и изготовления микрополосковых СВЧ плат. Отдел предназначен для проведения исследований в области разработки и изготовления приборов микроэлектроники.

Рис 1. Структура 72 отдела

2. Основные характеристики выпускаемой продукции

В настоящее время в микроэлектронике СВЧ широкое применение получили интегральные схемы. Основу таких схем составляют, как правило, отрезки микрополосковых линий (МПЛ) в виде тонких слоев металла, нанесенных на листы диэлектрика (подложки) с диэлектрической проницаемостью 10 и более. Наиболее распространены экранированные несимметричные МПЛ. МПЛ используют во всем диапазоне СВЧ.

По сравнению с полыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков - имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность (средняя мощность - десятки ватт, импульсная - единицы киловатт). Но МПЛ обладают и важными достоинствами.

Они имеют малые габариты и массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовывать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении.

До последнего времени анализ и расчет параметров МПЛ проводились в квазистатическом приближении, т.е. в предположении, что в МПЛ распространяется лишь Т-волна. Такое приближение позволяет получить удовлетворительные результаты только в наиболее длинноволновой части диапазона СВЧ, когда длина волны значительно превышает поперечные размеры линии. С повышением частоты, по мере продвижения в область сантиметровых волн и освоения миллиметровых волн, квазистатический метод дает все большую погрешность.

Это связано с тем, что не учитывается дисперсионность линии (зависимости параметров от частоты) и наличие в ней волн высших типов. Поэтому для строгого анализа и расчета параметров МПЛ, удовлетворяющих потребностям практики, необходимо использовать электродинамический подход и математические модели, адекватно отражающие физические процессы в реальной МПЛ.

При большом объеме выпуска интегральных схем, элементы с сосредоточенными параметрами дешевле элементов с распределенными параметрами. Кроме того, они обладают большей широкополосностью. Однако на частотах более 10 ГГц элементы с сосредоточенными параметрами, как правило, имеют более высокие потери и низкую добротность по сравнению с элементами с распределенными параметрами, а также обладают паразитными связями. Поэтому на частотах выше 10 ГГц применяются главным образом элементы с распределенными параметрами. На рисунках (1-4) приведены некоторые из данных изделий.

Рис. 1-4 Изделия микроэлектроники

микроэлектроника толстопленочный интегральный генератор

2.1 Краткая характеристика охраны труда на предприятии при производстве микрополосковых СВЧ плат

Служба охраны труда предприятия создается для контроля соблюдения законодательства РФ в области охраны труда.

Структура и численность отделения охраны труда предприятия определяется в соответствии с Межотраслевыми нормативами численности работников служб охраны труда на предприятии, утвержденными постановлением Министерства труда РФ от 22.01.2001 №10.

В состав отделения охраны труда НИИЦ (г.Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ входит начальник, санитарный врач, два инженера по охране труда и техник.

Отделение охраны труда осуществляет свою деятельность во взаимодействии со всеми отделами и службами предприятия, уполномоченными по охране труда, комиссией по охране труда профсоюзного комитета предприятия, а также с органами управления охраной труда вышестоящих организаций.

На отделение охраны труда возложено выполнение следующих задач:

- организация и координация работ по охране труда в цехах, отделах и службах предприятия;

- контроль соблюдения законодательных и иных нормативных правовых актов по охране труда руководством предприятия и работниками предприятия;

- выявление опасных и вредных производственных факторов на рабочих местах, анализ состояния и причин производственного травматизма и профессиональных заболеваний;

- профилактическая работа по предупреждению производственного травматизма, профессиональных и производственно-обусловленных заболеваний;

- аттестация рабочих мест и производственного оборудования на соответствие требованиям санитарно-гигиенических норм;

- осуществление в составе комиссий проверок, обследований технического состояния зданий, сооружений, производственных, служебных и бытовых помещений предприятия на соответствие требованиям нормативных актов по охране труда, эффективности работы вентиляционных систем, санитарно-технических устройств, средств коллективной и индивидуальной защиты работников;

- организация работ по разработке программ и инструкций по охране труда, контроль проведения всех видов инструктажей;

- проведение мероприятий по улучшению условий труда.

2.2 Краткая характеристика участков производства микрополосковых СВЧ плат

Участок проектирования топологии микроплат

Работа с САПР на ПЭВМ.

Участок изготовления фотошаблонов

Оборудование:

- фотоплотер;

- фотонаборные установки;

- установка проявления и травления фотошаблонов.

Изготовление прецизионных фотошаблонов для изделий МЭ. Получение элементов фотошаблонов оптическим и лазерным методами.

Возможности участка:

- типы фотошаблонов: эмульсионные и металлизированные;

- минимальный размер топологии 2 мкм;

- точность изготовления ± 0,2 мкм;

- контроль геометрических размеров на фотошаблоне с точностью ± 0,1 мкм

Участок сборки и монтажа микросборок

Оборудование:

- термоультразвуковые сварочные установки;

- паяльные станции;

- установки монтажа BGA микросхем.

Участок напыления тонких плёнок

Оборудование:

- вакуумные установки термического;

- электронного и ионно-плазменного напыления.

Участок фотолитографии

Оборудование:

- установки нанесения фоторезиста;

- проявления фоторезиста;

- термообработки фоторезиста;

- экспонирования фоторезиста;

- травления тонких плёнок;

- гальванические установки.

Изготовление полосковых плат СВЧ электроники. Материалы применяемые при изготовлении: поликор, ситалл, Duroid, стеклотекстолит «Rogers»

Участок прецизионной обработки материалов

Оборудование:

- установка дисковой резки алмазным кругом;

- лазерные установки обработки металлов и керамики;

- установка сверления и фрезерования микроплат;

- установка лазерной фрезеровки микроплат.

Размерная обработка керамических подложек и плат из фольгированных диэлектриков для изделий МЭ (рисунок 1).



Рис. 1 Схема процесса изготовления микроплат

2.3 Краткая характеристика основных технологических операций изготовления и контроля качества микрополосковых СВЧ плат

Технологический процесс изготовления плат с металлизированными отверстиями на подложках из ВЧ - ламинатов типа «Roger». Фотолитография - это сложный технологический процесс, основанный на использовании необратимых фотохимических явлений, происходящих в нанесенном на подложки слое фоторезиста при его обработке ультрафиолетовым излучением через маску(фотошаблон).

Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии:

- формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек с целью их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка);

- формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фоторезиста, вторая сушка(задубливание);

- создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя (пленок SiO₂, Si₃N₄, металла), удаление слоя фоторезиста, контроль качества).

Позитивные и негативные фоторезисты. Фоторезисты - это светочувствительные материалы с изменяющейся под действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку. Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят: светочувствительные поливинилциннаматы в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды - в позитивные), пленкообразующие (чаще всего это различные фенолформальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при травлении.

В основе создания рельефа в пленке фоторезистов лежит использование фотохимической реакции - фотополимеризации, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фоторазложения - фотолиза.

Для негативных фоторезистов освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение фотошаблоны. Для позитивных фоторезистов - соответственно наоборот.

Нанесение слоя фоторезиста. Перед нанесением слоя фоторезиста производят очистку поверхности пластины. Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине и по всему их полю, без проколов, царапин (т.е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию.

Наносят слой фоторезиста на подложки в обеспыленной среде, соблюдая технологические режимы. Используемый фоторезист должен соответствовать паспортным данным.

Перед использованием его необходимо профильтровать через специальные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производстве БИС) обработать на центрифуге при частоте вращения от 1 до 20 тыс. об/мин в течение нескольких часов.

Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочастицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к браку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести ее до нормы.

Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют методы:

- центрифугирования;

- пульверизации;

- электростатический;

- окунание;

- полива;

- накатки пленки сухого фоторезиста.

Методом центрифугирования наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в пределах ±10%. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя, и вязкость фоторезиста быстро возрастает.

Сушка фоторезиста. Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внутренние напряжения, и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до температуры, примерно равной 100⁰С. Время сушки выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов.

Существуют три метода сушки фоторезиста:

- конвекционный;

- инфракрасный;

- посредством СВЧ-поля.

При конвекционной сушке подложки выдерживают в термокамере при 90-100⁰С в течение 15-30 мин. Недостаток этого метода - низкое качество получаемого фоторезистивного слоя.

При инфракрасной сушке источником теплоты является сама полупроводниковая подложка, поглощающая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накаливания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) при этом сохраняет комнатную температуру. При данном механизме сушки время сокращается до 5-10 мин.

При СВЧ-сушке подложки нагреваются, поглащая электромагнитную Энергию СВЧ-поля. Такая сушка производится в печах мощностью от 200 до 400 Вт при рабочей частоте 2,45 ГГц. Время сушки - несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недостатком - сложность оборудования и необходимость тщательного экранирования рабочего объема во избежание облучения оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках подложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однородные подложки. Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч.

Совмещение и экспонирование. Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии. Точность полученного в процессе фотолитографии топологического рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процесса.

Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента, поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации фотошаблона и подложки. Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно ориентировать относительно подложки и рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования структуры полупроводникового прибора или ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов.

Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два этапа. На первом этапе с помощью реперных модулей - «пустых кристаллов» выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки.

На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам - фигурам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого топологического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависимости от типа используемого при фотолитографии фоторезиста.

Проявление слоя фоторезиста. Проявление заключается в удалении в зависимости от использованного типа фоторезиста экспонированных или неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подложек остается защитный рельеф - фоторезистивная маска требуемой конфигурации.

Проявителями для негативных фоторезистов служат органические растворители: толуол, бензол, Уайт-спирит, трихлорэтилен, хлорбензол и др.

Для проявления позитивных фоторезистов используют слабые водные и водно-глицериновые растворы щелочей: 0,3-0,6 % раствор КОН, 1-2 % раствор тринатрийфосфата.

При проявлении негативных фоторезистов основными факторами являются полнота реакции полимеризации фоторезиста при экспонировании и тип проявителя, а позитивных - концентрация и время проявления.

Кроме того, важным фактором при проявлении фоторезистов является значение рН и температура проявителя. При изменении рН всего на десятую долю процента размер элемента рельефного рисунка может измениться на 10%. С ростом температуры скорость проявления участков увеличивается.

Сушка проявленного рельефа (задубливание). Сушка проявленных участков фоторезиста - обеспечивает изменение в слое фоторезиста его структуры в результате полимеризации. Вследствие этого повышается стойкость слоя фоторезиста к действию травителей и улучшается его адгезия к подложке.

Задубливание слоя фоторезиста является второй сушкой и отличается от первой, выполняемой после его нанесения, более высокой температурой. При повышенных температурах происходит пластическая деформация слоя фоторезиста в зависимости от термопластичности, входящей в его состав полимерной основы, затягиваются мелкие отверстия, поры и дефекты.

Так, температура сушки негативных фоторезистов на сонове поливинилциннамата составляет 200-220⁰С при времени выдержки до 1 ч. При более высоких температурах даже кратковременная сушка вызывает термическое разрушение слоя фоторезиста: он приобретает коричневую окраску, поверхность покрывается мелкими трещинами и рельеф полностью теряет защитные свойства. С ростом температуры сушки позитивных фоторезистов на основе нафтохинондиазида и каучуков улучшается их адгезия к подложке и увеличивается пластическая деформация. Например, сушка при 200-240⁰С в течение 30 мин. значительно улучшает стойкость фоторезистивной маски к травлению, особенно при фотолитографии на фосфорно-силикатном стекле, к которому фоторезисты обычно имеют плохую адгезию.

Удаление слоя фоторезиста. Для удаления слоя фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтиленкетоне, моноэтаноламине и др.), при этом слой фоторезиста разбухает и вымывается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140-150⁰С) в слое фоторезиста происходят термореактивные превращения, в результате которых он теряет способность растворяться в органических растворителях. В этом случае подложки два-три раза кипятят по 5-10 мин в концентрированной серной кислоте или смеси Каро (серная кислота и перекись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и растворяется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в органическом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нельзя применять при фотолитографии по металлу.

3. Технологический процесс

Проходя преддипломную практику мы ознакомились со следующими участками и технологическими процессами:

-Участок проектирования топологии микроплат.

-Работа с САПР на ПЭВМ.

Чертеж микрополосковой СВЧ платы, создание которого ведется в САПР КОМПАС, подразумевает наличие исходного готового проекта платы, выполненного в САПР радиоэлектронных устройств (РЭУ).

В модуле схем проектируется схема электрическая принципиальная с применением РЭ изединых библиотек, затем посредством трансляции данных (списка соединений) в модуле плат автоматически размещаются РЭ согласно схеме электрической принципиальной.

Далее происходит ручная, полуавтоматическая или автоматическая трассировка проводников с применением программы-автотрассировщика. Модуль символов и модуль корпусов, а также модуль библиотек служат соответственно для создания символов, посадочных мест и наполнения компонентов в единые библиотеки РЭ.

В описанный процесс входит моделирование -- применение систем инженерных расчетов (Computer-aidedengineering, CAE).

Результатами процесса проектирования РЭУ являются готовая схема РЭУ и данные проектирования микрополосковой СВЧ платы.

Участок изготовления фотошаблонов. Изготовление прецизионных фотошаблонов для изделий МЭ. Получение элементов фотошаблонов оптическим и лазерным методами.

Оборудование:

- фотоплотер;

- фотонаборные установки;

- установка проявления и травления фотошаблонов.

Фотошаблон - стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем- покрытием образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Подложку фотошаблона выполняют из обычного стекла. В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.

После экспозиции фотопленка должна быть проявлена. Это происходит в 4 этапа. Первый этап называется проявлением. Здесь скрытое изображение действует, как катализатор в реакции восстановления, так что обеспечивается разница между экспонированными и не экспонированными кристаллами.

Чтобы сделать изображение устойчивым, фотопленка должна подвергнуться процессу фиксирования, при котором из фотоэмульсии удаляются кристаллы галлоидного серебра. В результате операции фиксирования металлическое серебро остается в местах, где оно было экспонировано. После проявления и фиксации, фотошаблон должен быть хорошо промыт для удаления побочных химических продуктов. Если они все же останутся, при сушке они проявят себя в виде многочисленных кристаллов, которые могут разрушить желатиновый слой, сделать его недостаточно прозрачным.Завершающий процесс - сушка, в процессе которой испаряется вода.

Участок напыления тонких пленок.

Оборудование:

- вакуумные установки термического;

- электронного и ионно-плазменного напыления.

Вакуумное нанесения тонких пленок различных материалов на керамические подложки. Методы напыления: магнетронное напыление при постоянном токе; электронно-термическое испарение; ионно-катодная бомбардировка.

Возможности участка:

- толщина напыляемых пленок от 10 нм до 10 мкм;

- распыляемые материалы: хром, медь, титан, резистивные сплавы, золото, никель.

Участок фотолитографии и резки.

Оборудование:

- установки нанесения фоторезиста;

- проявления фоторезиста;

- термообработки фоторезиста;

- экспонирования фоторезиста;

- травления тонких плёнок;

- гальванические установки.

Материалы применяемые при изготовлении: поликор, ситалл, Duroid, стеклотекстолит «Rogers»

Фотолитография- это метод получения рисунка тонкой плёнке материала. Для получения рисунка используется свет определенной длины волны.

Процесс фотолитографии: На толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист. Производится экспонирование через фотошаблон (контактным или проекционным методом). Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются. Заключительная стадия -- удаление остатков фоторезиста. Если после экспонирования становятся растворимыми засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется позитивным, иначе - негативным.

Участок сборки и монтажа микросборок.

Оборудование:

- термоультразвуковые сварочные установки;

- паяльные станции;

- установки монтажа BGA микросхем.

Компонентами поверхностного монтажа являются миниатюрные радиоэлементы и микросхемы, конструктивно выполненные в безвыводном исполнении, либо имеющие короткие выводы и упакованные в носители, позволяющие использовать их в высокопроизводительном оборудовании.

Монтажная (электромонтажная) пайка представляет собой процесс механического и электрического соединения металлических деталей с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления за счет отверждения паяного шва.

Участок прецизионной обработки материалов

Оборудование:

- установка дисковой резки алмазным кругом;

- лазерные установки обработки металлов и керамики;

- установка сверления и фрезерования микроплат;

- установка лазерной фрезеровки микроплат.

Размерная обработка керамических подложек и плат из фольгированных диэлектриков для изделий МЭ. Лазерная обработка керамических материалов типа поликор, сапфир, ситалл и др. лазерная резка изделий из нержавеющей стали, сплавов алюминия, титана и др. Фрезеровка и сверловка отверстий лазером - минимальный диаметр лазерного пятна 50 мкм, минимальный диаметр отверстий 200 мкм.

4. Технологический маршрут изготовления толстопленочных ИМС

Толстопленочными называются интегральные микросхемы с толщиной пленок 10--70 мкм, изготавливаемые методами трафаретной печати (сеткография). Сущность процесса изготовления толстопленочных микросхем заключается в нанесении на керамическую подложку специальных проводниковых, резистивных или диэлектрических паст путем продавливания их через сетчатый трафарет с помощью ракеля и в последующей термообработке (вжигании) этих паст, в результате чего образуется прочная монолитная структура.

Проводниковые и резистивные пасты состоят из порошков металлов и их окислов, а также содержат порошки низкоплавких стекол (стеклянную фритту). В диэлектрических пастах металлические порошки отсутствуют. Для придания пастам необходимой вязкости они замешиваются на органических связующих веществах (этил-целлюлоза, вазелины). При вжигании паст стеклянная фритта размягчается, обволакивает и затем при охлаждении связывает проводящие частицы проводниковых и резистивных паст. Диэлектрические пасты после термообработки представляют однородные стекловидные пленки.

Относительная простота технологии при сравнительно низких затратах на оборудование и материалы, достаточно высокая эксплуатационная надежность и другие достоинства толстопленочных микросхем способствуют увеличению их производства и расширению областей применения. Конструктивно подобные микросхемы выполняются в виде наборов резисторов или конденсаторов, а также в виде гибридных микросхем, т. е. могут содержать навесные активные и пассивные компоненты. Широкое применение находит толстопленочная многоуровневая разводка межсоединений в гибридных микросхемах.

Для изготовления подложек обычно используются керамические материалы или стекла. Чаще всего употребляется керамика на основе 96%-ной поликристаллической окиси алюминия. Для мощных микросхем применяется также бериллисвая керамика, обладающая хорошей теплопроводностью, но требующая особых мер обеспечения безопасности при обработке вследствие ее токсичности.

Точность получаемого в процессе трафаретной печати рисунка микросхемы в значительной степени зависит от плоскостности поверхности подложки и ее шероховатости. Максимальная кривизна поверхности (макронеровность) не должна превышать 4 мкм на 1 мм длины. Шероховатость (микронеровность) рабочей поверхности подложки должна быть не ниже восьмого класса (Ra = 0,32--0,63 мкм). Необходимо также иметь в виду, что слишком малая шероховатость может приводить к ухудшению адгезии наносимых пленок. Размеры плат определяются конкретной конструкцией применяемых корпусов микросхем. Рекомендуются размеры 8х15 мм2 , 10х16 мм2 и кратные им. Толщина плат составляет 0,6 мм.

Толстопленочные проводниковые пленки должны обладать следующими качествами: высокой проводимостью; хорошей адгезией к подложке (данное требование является общим для всех пленок); совместимостью с резистивными пастами для обеспечения электрического контакта; совместимостью с диэлектрическими пастами для создания конденсаторов и многослойной разводки соединений; возможностью присоединения навесных компонентов и внешних выводов микросхемы термокомпрессией, ультразвуковой сваркой или пайкой.

Проводниковые пасты могут изготавливаться на основе золота, золота -- платины, золота -- палладия, палладия -- серебра, индия, рения. В последние годы активно исследуется возможность изготовления проводниковых паст на основе неблагородных металлов -- меди, никеля.

Толщина слоя проводника на основе композиции палладий -- серебро составляет 10--25 мкм, минимальная ширина (длина) проводника колеблется в пределах 0,15--0,20 мм при нанесении пасты на керамику и 0,20-- 0,30 мм при нанесении на слой диэлектрика. Минимальное расстояние между проводниковыми элементами 0,05-- 0,20 мм в зависимости от рецептурного состава пасты. Сопротивление квадрата проводниковой пленки на основе данной композиции колеблется в пределах 0,05-- 5,00 Ом/кв.

Ширина проводниковой дорожки выбирается в зави­симости от силы тока. Пасты на основе золота обеспечивают наиболее низкое поверхностное сопротивление в пределах 0,001--0,003 Ом/кв, а на основе композиции золото---платина -- менее 0,1 Ом/кв. Золотосодержащая проводниковая паста позволяет изготавливать дорожки шириной 125 мкм с расстоянием между ними 175 мкм при толщине пленки 12 мкм. Максимальная точность изготовления пленочных элементов из проводниковых паст на основе палладий -- серебро находится в пределах ±(0,05 -- 0,1) мм.

Толстопленочные элементы должны обеспечивать: широкий диапазон номиналов сопротивлений; высокую точность получения номиналов сопротивлений; высокую временную и температурную стабильности сопротивлений резисторов; хороший электрический контакт с проводниковыми элементами микросхем.

Среди названных требований важнейшее значение имеет требование температурной стабильности, которая характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Удельное сопротивление сплошной толстой пленки может быть описано следующим выражением, известным как правило Матисона:

(1)

где --удельное сопротивление объема проводящих частиц, вносимое рассеянием носителей тока на колебаниях кристаллической решетки; ₂ - удельное сопротивление, вносимое рассеянием носителей тока на дефектах кристаллической решетки проводящих частиц; ₃ -- удельное сопротивление границ раздела (контактов) между проводящими частицами.

Схематично прохождение тока через толстопленочную структуру можно представить так, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Перенос электрического тока через толстопленочную структуру

Помимо указанных трех компонентов полного сопротивления, в толстопленочных структурах необходимо учитывать возможность проявления полупроводникового характера проводимости, связанной с наличием окислов металлов. Полагая, что в сравнительно узком рабочем диапазоне температур микросхем (обычно -- 60...+ 125 °С) сопротивление резисторов изменяется в зависимости от температуры линейно, можно записать следующее выражение для ТКС:

где R₁ , R₂ --сопротивления резистора при соответствующих температурах Т₁ и Т₂ .

При повышении температуры рассеяние носителей тока на колебаниях кристаллической решетки возрастает, а рассеяние на дефектах почти не зависит от температуры.

Вероятность проникновения носителей тока через контактные промежуточные слои между проводящими частицами с повышением температуры возрастает.

В соответствии с этим ₁ в выражении (1) определяет положительный компонент, ₂ и ₃ , а также полупроводниковая проводимость способствуют возрастанию отрицательного компонента в общем ТКС пленки. Будет ли окончательная величина ТКС пленки положительной, отрицательной или нулевой, зависит от соотношения величин этих компонентов.

Резистивные пасты приготавливаются на основе композиции палладий -- серебро. Они обеспечивают номинальные сопротивления резисторов от 25 Ом до 1 МОм.

Сопротивление квадрата резистивной пленки соответствует следующему ряду значений: 5, 100, 500, 1000, 3000, 6000, 20 000, 50 000 Ом/кв.

В последнее время разработаны пасты, обладающие повышенной температурной и временной стабильностью. В их состав входят такие редкие металлы, как рутений и иридий, а также платина. Обычная толщина резистивных пленок 18--25 мкм.

Расчет резисторов. Номинальное значение сопротивления резистора определяется по формуле

(2)

где -- сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом/кв; -- коэффициент формы, зависящий от длины и ширины резистора.

Ширина резистора

(3)

где Р--расчетное значение мощности рассеяния резистора, Вт; Р_о -- максимальная удельная мощность рассеяния резистивной пленки, Вт/мм² ;

к_P --коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резистора:

п -- допустимое отрицательное отклонение сопротивления резистора от номинального до подгонки, %. Максимальное значение п составляет 52%. Расчетная длина резистора находится по формуле (2).

Удельная мощность рассеяния резисторов на основе композиции палладий -- серебро обычно принимается равной 0,5 Вт/см² , однако резисторы могут быть нагружены и сильнее, до 6 Вт/см² и более, при условии правильной организации охлаждения.

Стабильная работа толстопленочных резисторов зависит также от величины падения напряжения на них.

Допустимая нагрузка по напряжению не должна превышать 20 В/мм по длине резистивной полоски.

Изменение номинала сопротивления (стабильность) в зависимости от приложенного напряжения составляет: для напряжения от 0 до 40 В -- (0,5--1) 10^-4 % /В; для напряжения от 40 до 400 В -- (1--5) 10^-4 %/В.

Влияние напряжения на сопротивление объясняется проявлением частично-полупроводникового характера проводимости толстопленочных резисторов в связи с наличием в их структуре окислов металлов.

Повышение точности резисторов путем подгонки. Погрешность номинального сопротивления резисторов из паст на основе композиции серебро -- палладий при подгонке лазером составляет ±2%. Точность подгонки зависит от инерционности устройства, перемещающего подложку с резисторами или инструмент, а также от инерционности измерительно-контрольного устройства. Прецизионная подгонка позволяет достичь в необходимых случаях погрешности номинала резистора не более 0,03%.

Рисунок 3. Формы подгоняемых толстопленочных резисторов.

На рисунке 3 представлены различные варианты изготовления подгоняемых резисторов и конфигурации подгоночных резов (шлицев).

Пленочные конденсаторы. Диэлектрические пленки в толстопленочных микросхемах применяются в качестве: диэлектриков конденсаторов, межслойной изоляции, защитных слоев.

Диэлектрики толстопленочных конденсаторов должны обеспечивать высокие значения удельной емкости; широ­кий диапазон номинальных значений емкости; высокое пробивное напряжение; малый температурный коэффициент емкости (ТКЕ); малые диэлектрические потери; высокую временную стабильность.

Диэлектрические пасты для конденсаторов изготавливаются на основе смеси керамических материалов и флюсов. Толщина пленки после термической обработки составляет 40--60 мкм.

Используя пленки, обеспечивающие удельную емкость С0 -=3700 пФ/см2 , изготавливают конденсаторы с номинальной емкостью от 500 до 300 пФ, а пленки с Со = = 10 000 пФ/см2 позволяют изготавливать конденсаторы в диапазоне от 100 до 2500 пФ. Погрешность номинальной емкости конденсаторов обычно составляет ±15%. Пробивное напряжение не менее 150 В.

Величина диэлектрической проницаемости для диэлектрических паст конденсаторов на основе композиции титанат бария -- окись титана---окись алюминия -- легкоплавкое стекло составляет от 10 до 2000.

Расчетная площадь верхней обкладки конденсатора определяется по формуле

S = С/Со,

где С -- номинальное заданное значение емкости; Со -- удельная емкость.

Нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней не менее чем на 0,3 мм, пленка диэлектрика должна выступать за край нижней обкладки не менее чем на 0,2 мм.

Толстопленочные конденсаторы в некоторых случаях допускают подгонку воздушно-абразивной струей, при этом погрешность составляет не более 1%. Способы лазерной подгонки конденсаторов в настоящее время разрабатываются.

Пасты верхних обкладок должны быть инертны к лужению. Межслойная и защитная изоляция. Пасты для межслойной изоляции и защиты от внешней среды изготавливаются из низкоплавкого стекла и глинозема. Толщина диэлектрического слоя составляет от 30 до 70 мкм, удельная емкость -- от 150 до 200 пФ/см2 , пробивное напряжение--- 500 В.

Диэлектрическая проницаемость паст для изоляции и защиты находится в пределах от 10 до 15. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте от 1 кГц до 1,5 МГц не превышает 25 10-4 .

Сопротивление изоляции более 1012 Ом при постоянном напряжении 100 В. Для многослойной сложной разводки межсоединений используется кристаллизующееся стекло.

В целях удобства сортировки различных микросхем на операциях сборки применяются разноцветные защитные пасты

Общие рекомендации. При разработке топологии учитываются конструктивные и технологические ограничения, обусловливающие размещение на плате пленочных элементов и навесных компонентов, а также внешних выводов микросхемы.

Принимаются во внимание и при необходимости рассчитываются тепловой режим и паразитные электрические и магнитные связи. Большое значение при разработке топологии имеют экономические вопросы производства микросхем.

Последовательность разработки топологии толстопленочных микросхем не отличается от последовательности, принятой при разработке тонкопленочных микросхем, и в данном разделе рассматриваться не будет. Не рассматриваются по той же причине вопросы теплового режима и паразитных связей.

Проводники, контактные площадки, внешние выводы. Проводники, а также другие пленочные элементы: резисторы, конденсаторы могут располагаться на обеих сторонах платы. Соединения между элементами, расположенными на разных сторонах подложки, осуществляются через отверстия.

Проводники, расположенные в нижнем слое при многослойной разводке межсоединений, не должны находиться под резисторами, подгоняемыми лучом лазера. Контактные площадки для монтажа навесных компонентов с гибкими выводами способом неавтоматизированной пайки, а также для контроля электрических параметров должны иметь размеры не менее 0,4х0,4 мм.

Автоматизированный монтаж указанных компонентов требует размеров контактных площадок не менее 0,6 х 0,6 мм, а компонентов с шариковыми выводами 0,25 х 0,25 мм с расстоянием между контактными площадками 0,1 мм, если шаг выводов навесных компонентов 0,35 мм.

Проводники и контактные площадки для присоединения навесных компонентов с целью повышения надежности и уменьшения сопротивления рекомендуется лудить серебряно-оловянным припоем.

При монтаже навесных компонентов с шариковыми выводами проводники целесообразно покрывать пленкой защитного диэлектрика, оставляя открытыми лишь контактные площадки. Пленка диэлектрика должна отстоять от края контактной площадки на 0,5 мм.

Варианты исполнения внешних контактных площадок и конструкций внешних выводов платы показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов

Навесные компоненты. Навесными компонентами могут быть бескорпусные диоды и транзисторы, диодные и транзисторые матрицы, бескорпусные полупроводниковые микросхемы, диоды и транзисторы в миниатюрных корпусах, а также конденсаторы и трансформаторы с гибкими и жесткими выводами.

Навесные компоненты рекомендуется располагать рядами на одной стороне платы.

Допускается устанавливать их на резисторах и проводниках, защищенных диэлектрической пленкой. Места расположения навесных компонентов целесообразно обозначать метками, выполненными с помощью резистивных или диэлектрических паст.

В целях унификации необходимо применять в однотипных микросхемах навесные компоненты с одинаковым диаметром гибких выводов, длина гибкого вывода без дополнительного крепления путем приклеивания не должна превышать 2,5 мм.

Минимальное расстояние между навесным компонентом и контактной площадкой должно составлять при пайке 0,8 мм. Расстояние между луженым проводником или контактной площадкой и навесным компонентом должно быть не менее 0,2 мм. Наименьшее расстояние от навесного компонента до края платы 1 мм.

Резисторы. Количество резистивных слоев на одной стороне подложки, выполненных с помощью паст с различным удельным сопротивлением, может составлять не более трех.

Целесообразно ориентировать резисторы на плате одинаково, т. е. располагать их длинными или короткими сторонами параллельно друг другу. На одной стороне платы рекомендуется размещать резисторы, близкие по номинальным значениям сопротивлений.

Минимальный размер резисторов 0,8x0,8 мм. Изготавливать резисторы в виде меандра не рекомендуется.

Если принципиальная электрическая схема не предусматривает внешних контактов для каждого подгоняемого резистора, то для обеспечения контроля сопротивления в процессе лазерной подгонки необходимо при разработке топологии создавать временные проволочные перемычки или даже временные внешние выводы, которые после подгонки резисторов удаляются.

Конденсаторы и межслойная изоляция. Пленочные конденсаторы не должны располагаться на той стороне платы, которая при герметизации заливается компаундом.

Между контактной площадкой навесного конденсатора, присоединяемого пайкой, и активным компонентом необходимо предусмотреть расстояние не менее 1 мм.

Круглые отверстия в межслойной изоляции, служащие для контакта между проводниками различных уровней, должны иметь диаметр не менее 0,6 мм. Квадратные отверстия выполняются с размером стороны не менее 0,5 мм. Между пленочными элементами, находящимися в разных слоях при многослойной разводке, должно обеспечиваться расстояние не менее 0,2 мм.

Разработка эскиза топологии. Эскиз топологии следует выполнять на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1. Шаг координатной сетки рекомендуется выбирать равным 0,1 мм.

Необходимо учитывать, что коэффициент заполнения площади платы элементами, расположенными на одном уровне, не должен превышать 0,7. Минимальное расстояние от края отверстия до края платы должно составлять 0,5 мм.

Точность изготовления резистивных и диэлектрических пленочных элементов не превышает ±0,1 мм.

Пример эскиза топологии приведен на рисунке 5.



Рисунок 5. Электрическая принципиальная схема (а) и эскиз топологии (б) тактового генератора в толстопленочном исполнении.

Поскольку в состав проводниковых и резистивных паст входят редкие и благородные металлы, это заставляет учитывать расход данных материалов. Чем меньше площадь пленочных проводников и резисторов, тем экономичнее производство микросхемы. Разумеется, размеры подложки и расход диэлектрических паст также влияют на стоимость.

Библиография

Литература

1. Березин А.С. Техология конструирования интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1983.-232с.

2. Жигальский А.А. Проектирование и конструирование интегральных микросхем. - Томск: ТУСУР, 2007. - 195 с.

3. Белов П.А. Физические основы электроники. Лабораторный практикум. - Курск: КГУ, 2012. - 160 c.

4. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств. М: Техносфера, 2007.-256с.

5. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. М.:Радио и связь, 2006.-176с.

6. Раздорожный А.А. Охрана труда и производственная безопасность. М.: Экзамен, 2005.? 512 с.

Нормативная документация, регламентирующая производство микрополосковых СВЧ плат

7. СТ2 6.6.05-2003 КС "Электрон". Изделия микроэлектронные. Технология пайки.

8. СТО АУМВ.6.7.03-2009 Пайка конструкционная в производстве РЭА. ТТП

9. СТ2 6.4.03-99 КС "Электрон". Платы налоговые интегральные. Изготовление. ТТП

10. СТ2 6.4.06-02 КС "Электрон". Изготовление фотошаблонов.

11. СТ2 6.4.07-02 КС "Электрон". Изготовление плат для изделий на поверхностных акустических волнах.ТТП

12. СТ2 6.4.09-2003 КС "Электрон". Изделия микроэлектронные. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Изготовление.ТТП

13. СТ2 6.6.13-2006 РЭА. Сборочно-монтажное производство. Подготовка электрорадиоэлементов к монтажу. ТТО

14. СТ2 6.6.12-2006 РЭА. Сборочно-монтажное производство. Установка

15. электрорадиоэлементов на ПП. ТТО

16. СТ2 6.4.19-2006 Платы интегральные. Ультрозвуковая и лазерная прошивка отверстий. ТТП

17. СТ2 6.4.14-2005 КС "Электрон". Вода, применение в производстве изделий микроэлектроники. методы очистки контроля.

18. СТО АУМВ.6.6.02-2008 Платы полосковые. Монтаж элементов СВЧ. ТТП

19. СТ2 6.7.06-03 КС ТТП. Поверхностный монтаж компонентов на ПП. ТТП

20. СТ2 6.7.09-2004 КС ТТП. Конвекционная пайка микросхем BGA-корпусах. ТТП

21. СТ2 3.003-2004 Комплекс стандартов «Электрон». Изделия микроэлектронные. Платы и фотошаблоны. Классификация брака в процессе производства

22. СТО АУМВ.5.8.01-2011 Микроэлектронная аппаратура. Электронная гигиена предприятия. Требования к условиям производства

23. СТ2 8.2.05-03 Комплекс стандартов «Электрон». Изделия микроэлектронные. Фотошаблоны. Общие технические условия

24. ОСТ 11 029.003-80 Изделия электронной техники. Вода, применяемая в производстве. Марки, технические требования, методы очистки и контроля.

25. ГОСТ 12.1.003-83 Шум. Общие требования безопасности

26. ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигенические требования к воздуху рабочей зоны

27. ГОСТ 12.1.019-76 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты

28. ГОСТ 12.1.030-81 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление

29. ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов

30. ГОСТ 12.1.040-83 Лазерная безопасность. Общие положения

31. ГОСТ 12.4.010-75 Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты. Рукавицы специальные. Технические условия

32. ГОСТ 12.4.013-85 Очки защитные. Общие технические условия

33. ГОСТ 12.4.021-75 Система стандартов безопасности труда. Системы вентиляционные. Общие требования

34. ГОСТ 12.4.026-76 Цвета сигнальные и знаки безопасности

35. ГОСТ 12.4.029-76 Фартуки специальные. Технические условия

36. ГОСТ 9411-91 Стекло оптическое цветное. Технические условия

37. ГОСТ 25336-82 Посуда и оборудование лабораторные стеклянные. Типы, основные параметры и размеры

38. ГОСТ 26975-86 Микросборки. Термины и определения

Размещено на Allbest.ru