Технология изготовления плат тонкоплёночных гибридных ИМС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение 2

1. Технология получения керамики 6

2. Требования к подложкам 7

3. Конструктивно технологические особенности толстопленочных ИМС 9

4. Материалы для толстопленочных ИМС 11

5. Технология получения подложек 15

6. Технология получения плат 21

Заключение 26

Список используемой литературы 27

Приложение 1. Технологический процесс изготовления платтонкопленочных гибридных интегральных схем 28

Введение

В настоящее время микроэлектроника является важнейшим направлением в создании средств вычислительной техники, радиотехники и автоматики.

Основополагающая идея микроэлектроники--конструктивная объединение элементов электронной схемы -- приводит к тесной взаимосвязи схемотехнических, конструкторских и технологических решений при создании интегральных микросхем (ИМС). Главная задача всех этапов проектирования -- это обеспечение высокой надежности ИМС. Это заключается в устойчивой работе при низких уровнях мощности (малая допустимая мощность рассеяния), в условиях сильных паразитных связей (высокая плотность упаковки) и при ограничениях по точности и стабильности параметров элементов. Потенциальная надежность ИМС оценивается с учетом возможностей выбранного структурно-топологического варианта ИМС и его технологической реализации.

Конструктор определяет оптимальную топологию, выбирает материалы и технологические методы, обеспечивающие надежные электрические соединения, а также защиту от окружающей среды и механических воздействий с учетом технологических возможностей и ограничений. Подбирается наилучшая структура технологического процесса обработки и сборки, позволяющая максимально использовать отработанные, типовые процессы и обеспечивать высокую производительность труда, минимальные трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требований.

Для обеспечения качества и надежности ИМС должны быть разработаны методы контроля на всех этапах производства, в частности входного контроля основных и вспомогательных материалов и комплектующих изделий, контроля в процессе обработки, межоперационного контроля полуфабрикатов и выходного контроля готовых изделий.

Производство ИМС характеризуется сложными технологическими процессами и рядом дополнительных факторов, полный учет которых невозможен. Это качество основных и вспомогательных материалов, чистота технологических сред, климатические условия производства, степень очистки изделий от загрязнений, побочные эффекты и процессы при выполнении отдельных операций и др. Влияние этих факторов на качество и надежность ИМС обнаруживается на этапе внедрения и отладки технологического процесса. Это требует дополнительных исследований для ослабления или устранения вреда, наносимого этими факторами. Возникает необходимость в разработке новых технологических процессов с целью повышения качества и надежности ИМС, производительности и экономичности производства. Для этого учёные и инженеры должны сконцентрировать свое внимание на развитие техники и технологии, связанных с повышением производительности, и сокращении сроков создания и освоения новой техники.

Создание микросхем начинается с подготовки подложек. Применяют диэлектрические подложки квадратной или прямоугольной формы размерами до 10 см и толщиной 0,5 ...I мм. Подножки должны иметь высокую механическую прочность, хорошую теплопроводность, быть термостойкими, химически инертными к осаждаемым веществам, иметь хорошую адгезию к ним.

Для тонкопленочных микросхем важны гладкая поверхность и отсутствие газовыделения в вакууме. Необходимо, чтобы диэлектрические потери в подложках высокочастотных и СВЧ-микросхем были малы, а диэлектрическая проницаемость слабо зависела от температуры. Основным материалом подложек тонкопленочных микросхем является ситалл кристаллическая разновидность стекла. Применяется также алюмооксидная керамика смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах (основные компоненты А1₂О₃ и SiO₂). Перед нанесением тонких пленок поверхность подложек должна быть тщательно очищена. Для толстопленочных микросхем используют керамические подложки с относительно шероховатой поверхностью (высота неровностей порядка 1 мкм). Подложка должна обладать повышенной теплопроводностью, так как толстопленочная технология характерна для мощных гибридных микросхем. Поэтому применяют высоко глиноземистые (96 % А1₂О₃) и бериллиевые (99,5 % ВеО) керамики.

Изготовление гибридных микросхем делиться на два этапа.

Первый включает процессы формирования на подложках пассивных пленочных элементов и проводников соединений. В тонкопленочных микросхемах для этой цели применяют операции нанесения тонких пленок. Рисунок формируется непосредственно в процессе нанесения пленок с помощью накладных трафаретов либо в процессе фотолитографии. В толстопленочных микросхемах пассивные элементы создаются методом трафаретной печати. Основными достоинствами толстопленочной технологии являются простота, высокая производительность и малая стоимость, однако размеры элементов получаются значительно больше, а их плотность -- существенно ниже, чем в тонкопленочной. В конце первого этапа на подложках формируют матрицу одинаковых структур, каждая из которых соответствует одной микросхеме, т. е. пассивные части микросхем создаются групповыми методами. Последовательность операций первого этапа определяется конкретной структурой гибридной микросхемы (тонко-или толстопленочная, набор пассивных элементов и др.).

Второй этап -- контрольно-сборочный, начинается с контроля пассивных элементов на подложках. Достаточно большие размеры элементов позволяют осуществлять подгонку их параметров, например, с помощью лазера. В толстопленочных микросхемах подгонка обязательна во всех случаях, так как точность воспроизведения параметров элементов мала. Далее производят разрезание подложек, установку их в корпуса, монтаж дискретных компонентов, соединение контактных площадок подложек с выводами корпуса, герметизацию корпуса, контроль и испытания. Контрольно-сборочные операции индивидуальны для каждой микросхемы и в основном (на 70 ...80 %) определяют трудоемкость изготовления и стоимость.

Данные для расчета

Материал: керамика 22ХС.

Размеры заготовки: 60 х 48 мм.

Тип и размер платы: № 6 20 х 24.

Толщина платы: L = 0.7 мм.

Годовой план: Q = 950000.

Выход годного по сборке: G1 = 88 %.

Выход годного по плате: G2 = 93 %.

Выход годного по обработке: G3 = 73 %.

1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ

Сырье для приготовления высокоглиноземистой керамики (А1₂О₃) то же, что и для производства металлического алюминия, имеет различные названия в зависимости от кристаллической модификации и примесей. Химически чистый оксид алюминия в виде тонкодисперсного порошка, полученного осаждением из щелочных растворов или разложением солей, называют глиноземом. Для полного обезвоживания глинозема необходим нагрев до 800... 1200 К, после чего образуется у-модификация А1₂О₃. имеющая кубическую структуру и плотность 3,7 г/см³. Она обладает большой гигроскопичностью и невысокими диэлектрическими свойствами (tg 6 « 0,001). Но при дальнейшем нагреве выше 1170 К эта модификация медленно переходит в а-А^Оз, называемую корундом. Если АЬОз получаю! из расплава, при определенных условиях возможно образование монокристаллического а- А^Оз -- лейкосапфира или просто сапфира, который находит широкое применение в техника, в частности, в качестве подложек КНС. Сапфир является одним из лучших диэлектриков современной техники: его удельное сопротивление 10¹³ Ом-см и при 1300 К снижается лишь до 10⁸ Ом-см, tg 5 = 0,0001 при частоте 10^б Гц и резко снижается в гигагерцевом диапазоне, ТКЛР 8-Ю"⁶ К"¹, плотность - 4 г/см³.

Получение сапфира сопряжено с большими затратами энергии (Т_пл = 2300 К) и потому он остается полудрагоценным камнем, несмотря на увеличивающиеся масштабы производства. Наиболее перспективна для массового производства а- А1₂Оз керамическая технология, развитие которой в последние годы позволило преодолеть одно из главных ограничений спеченых материалов - пористость. Выпускается много типов высокоглиноземистой керамики, из них наибольшее применение в микроэлектронике и технике СВЧ нашли два - керамика ВК-94-1 (старое обозначение 22ХС) и поликор. Вакуум-плотная корундовая керамика ВК-94-1 содержит более 94% А1₂О₃и добавки - минерализаторы - SiO₂, Сг₂О₃ и МпО₂. Эта керамика отличается высокой механической прочностью, нагревостойкостью и химической стабильностью. Изделия из нее получаю! методом шликерного литья с последующим спеканием при температуре свыше 1800 К. Керамика ВК-94-1 - основной материал корпусов ИС и полупроводниковых приборов, а также подложек толстопленочных ГИС.

Еще более высокими диэлектрическими параметрами, необходимыми в СВЧ-технике, обладает керамика, содержащая больше 99,5% А1?О₃, поликор (поликристаллический корунд).По свойствам поликор благодаря крупнокристаллическому строению близок к сапфиру и обладает прозрачностью. Поликор спекают при очень высокой температуре (2170 К), поэтому он сравнительно дорог и дефицитен.

2. ТРЕБОВАНИЯ К ПОДЛОЖКАМ

Создание микросхем начинается с подготовки подложек. Подложки для

гибридных структур изготавливаются из ситалла, стекла, керамики. Основные требования к подложкам: хорошие механические и диэлектрические свойства, согласование по температурному коэффициенту расширения с другими материалами, а также высокая чистота поверхности (12 - 14-й класс по ГОСТ 278а - 73). Наиболее распространены прямоугольные подложки с размерами: 6 X 15, 8 X 12, 11X11, 10 X 16, 12 X 12, 12 X 16, 12 X 20, 24 X 30, 48 X 60 мм, при этом отклонения номинального размера составляет не более 0,3мм. и не параллельность сторон не превышает 0,5 мм. Используются подложки толщиной: 0,6; 1,0; и 1,6 мм (с отклонением не более 0,1 мм.). Подложка для толстопленочных ИС должна быть теплостойкой, чтобы выдержать обжиг при температурах в сотни градусов, когда происходит оплавление и закрепление материалов, из которых изготавливаются элементы ИС. Чтобы уменьшить паразитную емкость между элементами, выбираются материалы с небольшой диэлектрической проницаемостью (если этот эффект не используется как полезный). При изготовлении мощных ИС используют подложки с высокой теплопроводностью, например из бериллиевой керамики, теплопроводность, которой только в 5 раз хуже теплопроводности меди.

Керамические подложки должны изготавливаться из вакуум-плотного материала. Цвет керамики должен быть белым. Не допускается присутствие на поверхности плат: цветовых и радужных пятен, трещин, сквозных пор, угловых сколов > 0,1 мм, сколов по кромкам > 0,1 мм, царапин, раковин более S > 0,1 мм² и площадью не более 0,5 мм² суммарной, инородных включений, органических и неорганических загрязнений.

Керамика платы должна отвечать следующим техническим характеристикам:

Средний размер зерна Д - 3^-5 цм

Шероховатость поверхности Ра - 0,6 цм

Плотность - 3780 кг/м³

Влагопоглащение - 0%

Модуль эластичности - 340 ГПа

Коэффициент теплопроводности 20^100 °С - 24 Вт/м-К

Теплопроводность - 800 Дж/кг-К

Коэффициент линейного расширения 10"⁶/К20-300°С-6,8

20 - 600 °С - 7,3 20 - 1000 °С - 8,09. Диэлектрическая константа

1 МГц-9,8 10%

1ГГц- 10,0 10%

Коэффициент диэлектрических потерь, 1МГц 10~³ - 0,3 п. Напряжение пробоя, кВ/мм

1 мм толщина подложки - 15

0,63 мм толщина подложки - 20

0,25 мм толщина подложки - 28 12 Уровень электрического удельного сопротивления, Ом см

20°С-10¹³ 400°С-10^П

200°С-10¹² 600°С-10⁸

3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Технология производства гибридных толстопленочных ИМС базируется на нанесении «толстых» (более 10 мкм) слоев различных материалов, которые выполняют роль проводников, у резисторов и диэлектриков в соответствующих конструктивных элементах ИМС, показанных на рисунке 1. Для того чтобы создать заданный рисунок ИМС, используется метод трафаретной печати,--шелкография (сеткография), сущность которой заключается в следующем: паста определенного состава и вязкости с помощью ракеля продавливается через сетчатый трафарет; образовавшийся слой проходит дополнительную обработку (сушку, обжиг, вжигание) для закрепления материала на плате и придания ему заданных электрофизических и механических свойств. Название «толстые пленки» относится в большей степени к технологическому методу их получения, чем к толщине самого слоя.

Рисунок 1.- Конструктивные элементы толстопленочной ИМС.

/ - - керамическая подложка;

-- монтажная площадка;

-- кристалл диод;

-- внешние выводы кристалла;5--резистор;

-- Проводники;

- - электрическая изоляция пересечения;

-- конденсатор;

9-- диэлектрик конденсатора;

На первых порах развития микроэлектроники толстопленочная технология не могла удовлетворить требованиям точности, стабильности качества и надежности элементов. Однако с развитием этой технологии были найдены методы и материалы, которые позволили эффективно конкурировать с тонкоплёночной технологией. Для иллюстрации в таблице 1 сопоставлены основные параметры полупроводниковых, тонко- и толстопленочных резисторов.

Таблица 1.- Некоторые характеристики полупроводниковых, тонко- и толстопленочных резистивных элементов ИМС

Наименование параметра	Значение параметров резисторов
	полупроводниковых	тонкопленочных	толстопленочных
Точность номинала, %	0,2..0,5	0,005. .1,00	0,1. .1,0
Стабильность характеристики в течение года	2-Ю-4. .0,01	2-10-5..0,01	0,05..1,0
ТКС, 10-60N-'	500..2000	1,0.. 100	100. .500
Удельное поверхностное сопротивление, Ом/м2	1..104	1..105	10. .10*
Допустимый уровень мощности, Вт/см 2	0,2	0,5	3
Общая точность конструкции, %	0,01	0,1. .2,0	1..10
Толщина слоя, м	ю-7..ю~б	10 Л. 10 5	ю-4.. ю-3
Стоимость оборудования, относ, ед.	100	10	1
Обращение с готовой подложкой	Очень осторожное	Осторожное	Без особых предосторожностей
Минимальная ширина линии, м	10 ~7	ю-5	10-4

Проигрыш в точности толстопленочной технологии нивелируется существенным выигрышем в простоте и экономичности процесса.

Процесс изготовления ИМС при использовании однослойной подложки (простейший случай) начинается с очистки ее поверхности и изготовления трафаретов. Затем методом шелкографии наносят через трафарет требуемый рисунок слоев. После каждого цикла нанесения соответствующего слоя он обжигается для закрепления его на подложке и придания заданных свойств материалу слоя. Поскольку температуры обжига проводящих, резистивных и диэлектрических паст различны, то последовательность нанесения слоев должна быть вполне определенной. Сначала наносится проводящая паста, образующая проводники, контактные площадки и нижние обкладки конденсаторов, а затем--паста для диэлектриков конденсаторов и изоляции возможных пересечений проводников. Третьим слоем наносятся верхние обкладки конденсаторов и пересекающиеся проводники. Наконец, наносятся резистивные пасты, если температура их обжига наименьшая. После изготовления пассивных элементов ИМС производится лужение контактных площадок и подгонка значений электрофизических параметров до номинальных.

4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ИМС

Подложки для гибридных толстопленочных ИМС должны обладать хорошими диэлектрическими свойствами и теплоотводом, обеспечивать возможность их обработки при высоких температурах, иметь удовлетворительную адгезию с материалами паст.

Таблица 2.-Характеристики некоторых керамических материалов

Характеристика	А1203	ВеО	3Al203X2SiO	Кварцевоестекло
ТКРДСГ^СГ1	7,3	8,0	5,3	0,55
Теплопроводное тьпри25°С, 10 2 Вт/(м-К)	0,4	2,2	0,6	0,1
Удельное сопротивление при 25°С, Ом-см	1014	1014	Ю14	Ю12
Удельное Сопротивление при 300°С,Ом-см	1014	ю14	Ю14	Ю12
Диэлектрическая Проницаемость на частоте 1МГц	9,6	8,7	8,5	3,8
Время Запаздывания электрического сигнала	0,10	0,096	0,082	0,065
Модуль Юнга,9,81 Па	3,37	3,16	1,48	0,52
Прочность на изгиб, 9.8Ы04Па	3515,5	1557,5	1125,7	843,7

В таблице 2 приведены характеристики некоторых керамических материалов, используемых для подложек толсто пленочных ИМС. Наиболее употребительной в качестве подложек является керамика типа22ХС с химическим составом

Мп О (39,7)+Т1₂(37,1)+А1₂О₃(14,3)+8Ю₂

Желательно, чтобы диэлектрическая проницаемость керамических материалов была низкой для сведения к минимуму запаздывания электрического сигнала, так как:

Т₃/1=8/С

где: т₃--время запаздывания;

/--длина тракта;

е--диэлектрическая проницаемость;

с--скорость света.

Важные характеристики материала подложки--теплопроводность и ТКР, а также стабильность параметров керамического материала подложки в условиях повышенных температур, при которых производится обжиг и вжигание паст. Широкое применение" керамических материалов объясняется их высокими механическими, электрическими и термическими свойствами. Наибольшее распространение в отечественной практике получили подложки из глиноземистой керамики, оксида алюминия (95 % А1₂О₃) и электрокорунда (99% А1,О₃). Используются также подложки из титанатов, обладающих хорошей адгезией к проводящим слоям.

Для изготовления подложек исходные материалы размалывают, смешивают в определенных соотношениях и формуют. Формовку подложек производят различными способами; прессованием влажного порошка, заливкой полужидкой керамической массы в формы, штамповкой и др.

Перед нанесением паст подложки тщательно отмывают, затем сушат и прокаливают при температурах 600 ... 700 °С.

Поскольку большую часть подложки занимают проводящие или резистивные слои, то активные элементы приходится располагать менее плотно, чем позволяет остальная часть конструкции. Чтобы повысить плотность монтажа в этих ИМС, стали применять многослойные керамические подложки.

Многослойные подложки для толстопленочных ИМС представляют собой сложные структуры, создаваемые в самостоятельном технологическом цикле. Их конструкция явилась дальнейшим развитием многослойных печатных плат, но по сравнению с ними она имеет в 10 раз меньший объем ив 100 раз большую теплопроводность. Как и в многослойной печатной плате, каждый слой керамики имеет свой рисунок проводников и только верхняя плата несет активные приборы. На рисунке 2 показан общий вид обычной и многослойной подложек с нанесенными рисунками пассивной части микросхемы и полупроводниковыми кристаллами.

Рисунок 2. Обший вид обычной (а) и многослойной (б) керамических подложек с трассировкой схемы; сечение многослойной подложки (в)

/ -- полупроводниковая ИМС, смонтированная на поверхности подложки; 2 -- тонкие слои пленочной ИМС на поверхности подложки;

3-- металлизированные отверстия, связывающие металлические слон на разных уровнях подложек;

4-- толстые слои;

Многослойные керамические подложки изготавливаются следующим образом. Масса, состоящая из оксида алюминия и связующего вещества, раскатывается на листы толщиной 1,2 1,5 мм. Листы отожженного оксида алюминия разрезаются на пластины размерами будущих плат. В этих пластинах в определенных местах при помощи шаблонов делают отверстия, через которые осуществляется металлизация и наносятся проводящие слои методами шелкографии. Сложенные друг с другом пластины прессуются и спекаются при температуре 1650°С по заданному режиму. После спекания получается монолитная структура (плата), обладающая определенными диэлектрическими и проводящими свойствами.

Поскольку спекание ведется при высокой температуре, то для создания проводящих и резистивных слоев применяются пасты на основе тугоплавких металлов, например вольфрама и молибдена. Спеченная плата содержит несколько проводящих слоев на различных уровнях и пригодна для использования ее в процессах толстопленочной и тонкопленочной технологий.

Операции спекания являются наиболее ответственными. За время спекания должны быть удалены связующие вещества, завершены нужные физико-химические процессы уплотнения структуры, образованы прочные связи между металлической и керамической фазами, сформированы зерна необходимого размера, ликвидированы поры и устранены остаточные напряжения. Понятно, что температурный профиль в обжиговой камере и режим обжига для достижения указанных полей будут весьма сложными.

Для создания гладкой поверхности подложка покрывается глазурью, изготовленной на основе оксида висмута и свинцово-боросиликатного стекла. Глазурь имеет ТКР, близкий к ТКР алюмокерамической подложки. Она герметизирует или заполняет остаточные поры в предыдущих слоях, не оказывая заметного влияния на электропроводность и диэлектрические свойства. На поверхности керамической платы глазурь создает гладкий слой, который можно успешно использовать для тонкопленочной технологии.

Завершающий этап ТП изготовления многослойный керамических плат состоит в соединении проводников верхнего и нижнего металлизированных слоев и подложки через металлизированные отверстия, как это делается при изготовлении многослойных печатных плат. Для этого сначала проводят химическое меднение всей поверхности, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносят фоторезист таким образом, что после экспонирования остаются незащищенными только участки, непосредственно окружающие отверстия, и сами отверстия. После этого подложку погружают в гальваническую ванну золочения и на открытые участки ее поверхности осаждается слой золота толщиной около" 10 мкм. Фоторезист удаляется, и медь стравливается со всех непокрытых золотом участков поверхности. В результате плата становится готовой для выполнения следующих операций.

керамика скрайбирование микросхема подложка

5. Технология получения подложек

1. Резка слитков на пластины.

Для изготовления микросхем монокристаллический слиток керамика должна быть разрезан на пластины. Для этого в качестве режущего инструмента применяют металлические диски с внутренней алмазной режущей кромкой (рисунок 3). Толщина диска 0,1 0,15 мм. Слиток закрепляется на специальной оправке приклеиванием либо торца, либо цилиндрической поверхности. Способ резки зависит от вида крепления слитка (рисунок 4 (а, б)). Режущий инструмент (диск) растягивается и закрепляется в специальном барабане на головке шпинделя станка для резки. Слиток разрезается кромкой с алмазной .крошкой при вращении шпинделя. Частота вращения шпинделя составляет 3000 ... 5000 об./мин. Скорость подачи слитка перпендикулярно оси режущего диска составляет 40... 50 мм/мин (для слитков диаметром более 60 мм--не более 20 ... 30 мм/мин). После отрезания очередной пластины с помощью автоматической системы происходит возврат слитка в исходное положение, а также перемещение его на заданный шаг.

Устройство для закрепления слитка позволяет поворачивать слиток в горизонтальной и вертикальной плоскостях на требуемые углы по отношению к плоскости вращения алмазного диска и тем самым обеспечивает ориентированную резку. Станок снабжен системой подачи воды для охлаждения режущего диска и вымывания отходов резки.

Рисунок 3.- Диск с алмазным покрытием для резки монокристаллов

Металлический диск.

Покрытие из алмазной крошки.

Оправка.

Пластина.

Слиток.

2. Шлифовка и полировка.

После резки слитков керамики, полученные пластины подвергаются шлифовке и полировке. Это связано с тем, что поверхность пластин не соответствует требованиям к качеству поверхности. Существуют т. н. приповерхностные слои, не имеющие монокристаллической структуры. Они возникают в результате воздействия абразивного материала. Толщина нарушенного слоя после резки диском составляет 10.. .30 мкм в зависимости от скорости вращения диска. А по требованиям технологии производства микронеровности на поверхности не должны превышать 0,02.. .0,1 мкм.

Это выше требований 14 класса шероховатости поверхности, в то время как шероховатость поверхности пластин, отрезанных алмазным диском, соответствует только 7...8 классу.

Кроме того, для качественного проведения процессов фотолитографии плоскопараллельность граней подложки следует поддерживать на уровне ] мкм по диаметру подложки.

Для обеспечения требуемого качества поверхности пластины должны быть подвергнуты дальнейшей обработке. Эта обработка состоит в шлифовке и последующей полировке пластин. Шлифовка и полировка пластин производятся на плоско шлифовальных станках (см. рисунок 5).

Рисунок. 5.- Схема плоскошлифовального станка и расположения

Дозирующее устройство с абразивной суспензией.

Грузы.

Головка.

Пластины.

Шлифовальщик.

6. Направляющий ролик.

В зависимости от типа используемого микропорошка выбирается материал поверхности шлифовальника. Для микропорошков

М14...М5, используемых при шлифовке пластин, применяют стеклянный шлифовальник, при полировке алмазными микропорошками -специальные шлифовальники с поверхностью из тканевых материалов. При обработке пластин на рабочий шлифовальник устанавливаются три головки с наклеенными пластинами. Головки удерживаются от перемещения по шлифовальнику специальными направляющими кронштейнами с опорными роликами. За счет силы трения, возникающей между соприкасающимися поверхностями рабочего шлифовальника и головок, последние получают вращение вокруг своих осей. Это вращение головок создает условия для более равномерного шлифования или полирования.

При шлифование микропорошками М14...М5 используют водные суспензии с соотношением воды к абразиву 3:1. Поэтому в станке для шлифовки предусмотрены мешалка для перемешивания абразивной суспензии и капельница для ее дозирования. При полировке пластин алмазными микропорошками вместо водной суспензии используются смеси, приготовленные на основе масла МВП, или специальные алмазные пасты.

Принята определенная последовательность операций при механической обработке пластин, при которой учитывается, что толщина снимаемого слоя на каждой операции должна превышать толщину нарушенного слоя, образованного на предыдущей операции.

Таблица 3.- Последовательность операций шлифовки и полировки

Тип микропорошка	Толщина нарушенного слоя, мкм	Скорость удаления материала, мкм/мин
М14	20. ..30	о
М10	15. ..25	1.5
АСМ 3/2	6. ..9	0.5... 1
АСМ 1/0.5	5. ..7	0.35

При изготовлении пластины шлифуются с двух сторон, а полируются только с рабочей стороны. Процессы механической обработки ведут к существенным потерям материала. Важное значение имеет снижение временных затрат. Это может быть достигнуто правильным выбором набора абразивных материалов и уменьшением числа стадий обработки.

3. Предварительный расчет.

Определение суммарного припуска на механическую обработку.

где Z - сумма припусков на обработку, Z_rm - припуск на грубую шлифовку, 2_ТШ -- припуск на точную шлифовку, Z_nn -- припуск на предварительную полировку, Z*_n - припуск на финишную полировку.

где А - высота микронеровностей, Нш -- высота нарушенного слоя, k -коэффициент нарушений (для шлифовки k = 2,5), d_a6 - диаметр абразивного зерна. Следовательно:

Используем абразив Ml О А = 25мкм, d_a6 - Юмкм

Используем абразив АСМ 3/2 А = 11мкм, ё_аб ⁼ Змкм

Для полировки k = 1,7

Следовательно

Используем абразив АСМ 1/0,5 А = 7мкм, ё_аб = 1мкм

Используем абразив АСМ 0,3/0,1 А = 0 мкм, ё_аб = 0,3 мкм

где L - толщина платы, Z - сумма припусков на обработку Ь_сум = 0,7+0,126=0,826 мм

Определение массы заготовки. Расчетная формула:



6. Технология получения плат

1. Скрайбирование.

Пластины на отдельные кристаллы разделяют путем скрайбирования и последующей ломки.

Метод скрайбирования заключается в нанесении на поверхность пластины со стороны структур рисок резцом в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Риски делают шириной 20 - - 40 мкм и глубиной 10 - 15 мкм. Под рисками образуются напряженные области, и при слабом механическом воздействии подножка разламывается по нанесенным рискам.

Алмазное скрайбирование.

В установке для скрайбирования столик с пластиной совершает возвратно-поступательные движения относительно резца. При прямом ходе резец наносит риску по всей длине пластины. При обратном ходе резец приподнимается, пропуская столик с пластиной, а стол осуществляет поперечную подачу на шаг. После нанесения всех рисок в одном направлении столик с пластиной поворачивают на 90° и наносят систему поперечных рисок.

В качестве режущего инструмента используют резцы в виде трехгранной или четырехгранной пирамиды из натурального или синтетического алмаза, ребра которых используют попеременно для нанесения рисок. Для керамики можно использовать стеклорезы, режущая часть которых выполнена по форме четырехгранной усеченной пирамиды.Нагрузка на резец в этом случае 1,5--2,5 Н.



Рисунок 4. Скрайбирование алмазным резцом

нанесение рисок.

Пластина с рисками.

Конструкция алмазной пирамиды.

Режущая грань резца.

Дорожки для скрайбирования в слое защитного диэлектрика.

Полупроводниковые микросхемы.

Керамическая пластина.

Средняя стойкость режущего ребра ~ 3500 резов. Т. к. из-за наличия окисла на пластине нагрузка на резец увеличивается, что ведет к преждевременному износу, нужно по границам кристаллов делать зоны без покрытия (ширина 50-75 мкм).

Алмазный резец может заменяться вращающимся алмазным диском с частотой вращения около 20000об./мин. Ширина области разрезания составляет 20-70 мкм.

Достоинства и недостатки механического скрайбирования.

Отсутствуют пропилы в пластине.

Ширина риски мала.

Высокая производительность.

Возможность быстрой переналадки установки с одного размера кристалла на другой.

Для получения глубоких рисок требуется увеличение нагрузки на резец, что ведет к его износу и увеличению дефектной зоны(теряется полезная площадь пластины).

Лазерное скрайбирование.

Алмазный резец может быть заменен лучом лазера. При воздействии мощного сфокусированного (до 25 мкм) лазерного луча риски образуются испарением узкой полосы. Это позволяет в несколько раз повысить скорость резания по сравнению с механическим скрайбированием. При этом ширина разреза не превышает 30 мкм, а глубина разреза - 100 - 200 мкм. При лазерном скрайбировании можно выполнять многократные проходы (с перефокусировкой) вплоть до полного разделения пластины, что позволяет избежать ломки. Также отсутствуют сколы и микротрещины. Недостатком данного метода является необходимость защиты поверхности от частиц распыляемого материала.

Вспомогательные операции (установка и ориентация пластины, перефокусировка при повторных резах, установка режимов резания и др.) должны быть автоматизированы, т. к. скорость резки высока. Также автоматизация процесса обеспечивает безопасность оператора, у которого могут быть сильные ожоги из-за попадания луча установки.

2. Ломка пластин на платы.

Ломка пластин одна из самых важных операций. При неправильном разламывании даже хорошо проскрайбированных пластин возникает брак (царапины, сколы, неправильная геометрическая форма кристаллов и т. п.). В процессе ломки пластина лежит рисками вниз на гибкой опоре (резиновая подкладка), а стальные или резиновые валики диаметром 10 - - 20 мм с небольшим давлением прокатывают пластину последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях(см. рис5). Разлом происходит вначале на полоски, а затем на отдельные прямоугольные или квадратные кристаллы. Движение валика должно осуществляться строго параллельно направлению скрайбирования для ломки по нанесенным рискам. Для избежания смещения полосок или отдельных кристаллов относительно друг друга между пластиной и роликом вводят эластичную тонкую пленку, что помогает сохранить исходную ориентацию кристаллов и исключить их произвольное разламывание и царапанье друг о друга Для производства СБИС и пластин диаметром до 150 мм применяют немеханические способы разделения (сквозное анизотропное травление, лазерная резка и т.п.).

Рисунок 5. Размалывание полупроводниковых пластин на кристаллы валиком

Валик.

Защитная пленка.

Кристалл.

Опора

3. Расчет. 1) Определение количества плат на одну заготовку.

Расчетная формула:

N=S / (a+c/2p(b+c/2),

где S =60048=2880 мм² -площадь заготовки. аПЬ = 20П24 - размеры платы.

С = 15 мкм - ширина риски (используется лазерное скрайбирование)

N=2880 / (20+7.5П10'³) П(24 + 7.5 П 10~³)=6

2) Определение расхода материала для выпуска годового плана.

Расчетная формула:

К=М_ПОЛ/М_ИСХ 1,100%,

где М_пол = пО Q - полезная масса материала.

m=N'a-b-l_cyM *р - полезная масса платы.

т=6-15-10-³-24-10-³-0,826-10-³-3,5-10³=6,244-10-³кг.

М_пол= 6,244-10-³-950000=5931,8 кг.

М_исх =N010⁶- Q / Or G₂-G₃ = 8,326-10"³-10⁶ * 950000 / 88L193 [73=13239,5 кг К=5931,8/ 13239,5 * 100% = 44,8%.

Заключение

Для изготовления платы тонкопленочной гибридной интегральной микросхемы из материала керамика 22ХС, был разработан технологический процесс. При этом коэффициент использования материала для рассматриваемых производственных условий составил 0,448. Низкий коэффициент является следствием того, что для механической обработки при получении пластин, необходимо удовлетворить требованиям планарной технологии, что привело к большому расходованию керамики.

Список используемой литературы

1. Богородицкий Н.П. Пасынков В.В. "Электротехнические материалы", Л.:Энергоиздат.,1985,304 стр.

2. Пасынков В.В. Сорокин В.С. "Материалы электронной техники", М.гВысш. шк., 1986,367 стр.

3. Парфенов О.Д. "Технология микросхем", М.:Высш. шк., 1986, 320 стр.

4. "Материалы микроэлектронной техники" под ред. Андреева В.М., М.гРадио и связь, 1989, 352 стр.

Приложение 1

Технологический процесс изготовления платтонкопленочных гибридных интегральных схем

Стекломассы

Термообработка при 373 К

Полуфабрикат (60 х 48) мм

Резка ситалла

Шлифовка (двусторонняя)

Полировка (односторонняя с рабочей стороны)

Разделение подложек на платы лазерным скрайбироваием

Ь=50...100мкМ

с=25...40мкМ

у=100...200мм/сПриложение 1

Тонко дисперсный порошок

Формирование изделия

Спекание при Т=1800К

Термообработка при Т=600,.„700К

Полуфабрикат (60X48) мм

Резка керамики

Шлифовка (двухсторонняя)

Пол14р-едка (односторонняя с рабочей-сдюроны)

Разделение подложек на платы лазерным скрайбированием

Н=50...100мкм

С=25...40мкм

У=100...200мм/с

Размещено на Allbest.ru