Технология изготовления толстопленочных гибридных ИМС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Технология изготовления толстопленочных гибридных ИМС



Введение

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.

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 ммІ, 10х16 ммІ и кратные им. Толщина плат составляет 0,6 мм.

Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.

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.

1. Анализ маршрутных технологических процессов производства типовых ИМС

Рассмотрим маршрут технологических процессов изготовления толстоплёночной ИМС.

В целом толстоплёночная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рисунке 1.1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1

Первоначальный этап это очистка подложки, вначале подложку обезжиривают, затем промывают в воде и сушат. После просушки идёт следующий этап.

Трафаретная печать с помощью трафарета. Трафарет представляет собой проволочную сетку из нержавеющей стали или капроновой нити с нанесенным на нее фотоспособом защитным рисунком. Сетка вмонтирована в металлическую рамку. Керамическая подложка устанавливается под трафаретом с зазором, обеспечивающим деформацию сетки в пределах ее упругости (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - а) Схема переноса пасты с трафарета на подложку; б) Структура сетчатого трафарета

Для этого размеры сетки должны быть существенно больше размеров рисунка. После нанесения дозированного количества пасты движением ракеля паста продавливается через открытые участки трафарета и переносится на подложку. Таким образом, контакт трафарета с подложкой происходит по линии, движущейся вместе с ракелем.

Нанесение паст можно производить двумя способами: бесконтактным и контактным. При бесконтактном способе подложку, на которую нужно нанести пасту, устанавливают под сетчатым трафаретом с некоторым зазором; пасту подают поверх трафарета и движением ракеля через отверстия в трафарете переносят на подложку в виде столбиков, копирующих отверстия в трафарете. Столбики, растекаясь, соединяются, образуя рисунок, как на трафарете. Качество трафаретной печати зависит от скорости перемещения и давления ракеля, зазора между сетчатым трафаретом и подложкой, натяжения трафарета и свойств пасты. Для устранения неравномерности толщины резисторов рекомендуется составлять топологию так, чтобы все резисторы по длинне располагались в одном направлении по движению ракеля. По этой же причине не рекомендуется проектировать длинные и узкие или короткие и широкие резисторы, т.к. при использовании одной и той же пасты короткие резисторы имеют большую толщину пленки, а, следовательно, меньшее удельное сопротивление, чем длинные, из-за разных прогибов открытых участков сетчатого трафарета.

При контактном способе трафаретной печати плату устанавливают под трафаретом без зазора. Отделение платы от трафарета осуществляется вертикальным перемещением без скольжения во избежание размазывания отпечатка пасты. При контактном способе пасту можно наносить пульверизацией с помощью распылителя. Точность отпечатка при контактном способе выше, чем при бесконтактном. Пасты после нанесения подвергают термообработке - сушке и вжиганию. Сушка необходима для удаления из пасты летучих компонентов (растворителя). Сушку проводят при температуре 80-150 градусов Цельсия в течении 10-15 минут в установках с инфракрасным нагревом. Инфракрасное излучение проникает вглубь слоя пасты на всю его глубину,

обеспечивая равномерную сушку без образования корочки на поверхности.

После сушки проводят операцию вжигания. На рисунке 1.3 приведен типичный температурный цикл вжигания пасты.

Рисунок 1.3 - Температурный цикл вжигания пасты

На первой стадии скорость подъема температуры относительно невысока, происходит разложение органической связки и ее удаление с помощью интенсивной вытяжной вентиляции (300-400 градусов Цельсия). На второй стадии скорость роста температуры повышают, происходит плавление низкотемпературного стекла и образование суспензии твердых функциональных частиц в расплавленном стекле при 500-1000 градусах Цельсия. Собственно вжигание происходит на третьей стадии при постоянной температуре в 750-800 градусах Цельсия. При этом имеет место как химическое (взаимодействие окислов стекла и керамики), так и физическое (заполнение стеклом открытых поверхностных пор керамики) сцепление покрытия с подложкой. После выдержки (~10 мин.) изделия медленно охлаждают (четвертая стадия) во избежание внутренних напряжений. Общая продолжительность цикла порядка одного часа.

В зависимости от масштабов производства вжигание осуществляют в камерных печах периодического действия (мелкосерийное производство), либо в туннельных печах непрерывного действия (крупносерийное и массовое производство).

Четвёртым этапом является подгонка элементов. Подгонка толстопленочных резисторов заключается в удалении части их материала, в результате чего сопротивление резисторов возрастает. Подгонка толстопленочных конденсаторов состоит в удалении части верхней обкладки, в результате чего емкость конденсаторов уменьшается. Поэтому, чтобы исключить неисправный брак, требуется настраивать процесс печати элементов путем корректировки состава паст или толщины слоев так, чтобы резисторы имели заведомо заниженные значения сопротивлений, а конденсаторы, завышенные значения емкости (рисунок 1.4).

интгеральный схема гибридный толстопленочный

Рисунок 1.4 - Относительное расположение полей рассеяния и допуска до подгонки: а - для толстопленочных резисторов; б - для толстопленочных конденсаторов (6R и 6с - поля допусков на сопротивление резисторов и емкость конденсаторов соответственно)



При подгонке конденсаторов необходимо тщательно подбирать режимы обработки во избежание короткого замыкания обкладок. В процессе подгонки выводы подложки устанавливают в контактное приспособление, связывающее элементы схемы с измерительным устройством. Затем, последовательно «опрашивая» элементы, их измеряют и обрабатывают. Для этого каждый элемент схемы должен иметь индивидуальный выход на выводы подложки.

При необходимости вводят либо временные (технологические) перемычки, впоследствии удаляемые (рисунок 1.5, а), либо временные армированные выводы, которые отрезают после подгонки (рисунок 1.5, б).

Рисунок 1.5 - Подложки с толстоплёночными а) резисторами, б) конденсаторами.

При подгонке элементов на подложках, не имеющих выводов (по аналогии с ситалловыми подложками тонкопленочных микросхем), контактирование осуществляется через контактные площадки элементов с помощью зондов измерительного устройства.

Для подгонки применяют лазерные установки «Кварц-5», «Темп-10», а в крупносерийном автоматизированном производстве автоматы подгонки «Темп-30». Установка «Кварц-5», например, предназначена для подгонки резисторов импульсами излучения с длиной волны 0,34 мкм., Мощность в импульсе достигает 30 кВт. Производительность установки 300 резисторов в час. Гетерогенный характер структуры толстопленочных резисторов позволяет эффективно использовать и токовую подгонку. При подаче на резистор высоковольтного импульса происходят пробои 4 стеклянной прослойки, разделяющей частицы функциональной прослойки, разделяющей частицы функциональной фазы, и возникают дополнительные каналы проводимости. В результате сопротивление резистора уменьшается. Приемлемая скорость изменения сопротивления достигается при амплитудах импульса 50-500 В и длительности 2-10 мкс. При этом число импульсов обычно не превышает трех. Испытания подогнанных резисторов под нагрузкой в течение 1000 ч показывают, что сопротивление резисторов частично восстанавливается.

Важным этапом операции подгонки, как лазерной, так и токовой, является определение необходимого воздействия на резистор в зависимости от результатов измерения его сопротивления. При ручных методах измерения и управления процессом подгонки требуемое время во много раз превышает время собственно подгонки. Высокая эффективность процесса подгонки возможна лишь при использовании автоматизированных систем управления процессом (АСУ).

Следующим этапом является нанесение лудящей пасты. Лудящие пасты состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения через сетчатый трафарет на толстоплёночные монтажные площадки и сушки, покрытие подвергается оплавлению (~230°С). Лудящие пасты нужны для упрощения процесса пайки выводов. Они не подлежат вжиганию. В качестве основных материалов в проводящие и резистивные пасты входят металлы Ag, Au, Pt, Pd, In, Os, Ro, сплавы Pt-Au, Pd-Ag, Pd-Au, многокомпонентные системы Pd-PdO-Ag.

Затем следует монтаж компонентов. В толстопленочной технологии пленочные элементы могут располагаться на обеих сторонах платы. Соединения между элементами, расположенными на разных сторонах платы, осуществляется через отверстия или через внешние контактные площадки. Суммарная площадь элементов в одном уровне не должна превышать 70% площади рабочей стороны платы. Навесные компоненты платы нельзя устанавливать на стороне платы, заливаемой компаундом. Пленочные конденсаторы так же не следует располагать на стороне платы, заливаемой компаундом. Если пленочные конденсаторы соединены между собой, то они могут иметь общую нижнюю или верхнюю обкладку. Резисторы рекомендуется ориентировать одинаково, а резисторы близкие по номиналам изготавливать из одной пасты и располагать на одной стороне платы.

Контактные площадки резисторов целесообразно располагать в одном слое с проводящими элементами. С учетом этих требований и рекомендаций на одной стороне платы будем располагать навесные элементы (транзисторы с жесткими выводами), пленочные конденсаторы, а также группу резисторов, изготавливаемых из одной пасты. Вторую группу резисторов, изготавливаемых из другой пасты, будем располагать на обратной стороне платы. Из технологических соображений (возможность сколов при резке и т.п.) элементы микросхемы располагают на некотором расстоянии от края подложки. Промежутки между элементами определяются технологическими ограничениями и условиями теплоотвода.



Рисунок 1.6 - Варианты механического и электрического присоединения внешних выводов к контактным площадкам толстоплёночных микросхем: а) расклепывание штырькового круглого вывода и пайка; б) подгибка планарного плоского вывода и пайка; в) приварка планарного плоского вывода.

Следующим этапом является процесс армирования выводами и пайка к контактным площадкам. Так как механическая прочность подложек достаточно велика, возможно более простое и надежное крепление внешних выводов путем расклепывания (рисунок 1.6, а) или подгибки (рисунок 1.6, б) с последующим облуживанием места соединения; из-за высокой адгезии пленок возможна непосредственная сварка внешних выводов с контактными площадками (рисунок 1.6, в).

Одним из завершающих стадий является контроль.

Различают два вида методов контроля:

- разрушающие;

- неразрушающие.

Наиболее приемлемыми являются неразрушающие методы контроля.

К неразрушающим методам контроля относятся рентгеновские, оптические, радиотехнические, ультразвуковые, тепловые и другие.

Рентгеновский метод контроля. Метод использует жесткие лучи. При облучении проверяемого изделия они проходят через него и несут информацию о неоднородностях, наличии трещин и других дефектов. Недостатками рентгеновских методов контроля являются вредное воздействие жестких лучей на обслуживающий персонал и возможность изменения характеристик элементов. Кроме того, при контроле мелких деталей необходима весьма высокая контрастная чувствительность. Алюминиевые выводы микросхем вообще не просматриваются.

Герметизацию проводят в специальных камерах с защитной атмосферой, так что описывать там нечего, кроме того, что при герметизации должны создать нужное давление в корпусе, а не то могут возникнуть дефекты.

Конечным этапом является испытание и маркировка. На испытании микросхему окунают в воду проводят испытания электрических параметров, и вообще готовят партию пластин к выпуску. Если выборка из какой либо партии не прошла испытание, то испытанию подвергаются все микросхемы из этой партии. Негодные микросхемы маркируются и отправляются на анализ.

2. Разработка структурной схемы технологического процесса

Для разработки структурной схемы технологического процесса изготовления толстоплёночной ГИС используют очищенную и прошедшую отжиг плату, на неё наносят и поочерёдно вжигают с обеих сторон проводящую пасту для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов (рисунок 2.1).



Рисунок 2.1 - Нанесение пасты для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов.

Формируем диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Формирование диэлектрика для конденсаторов и пересечений проводников

Затем формируют верхние обкладки и плёночные перемычки (рисунок 3.3).



Рисунок 3.3 - Формирование верхних обкладок и плёночных перемычек.

Последними формируют резисторы, т.к. они имеют самую низкую температуру вжигания (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Формирование резисторов. 1-обожженная керамическая подложка с системой сквозных отверстий;

После облуживания контактных площадок (верхние обкладки конденсаторов, резисторы и диэлектрик припоем не смачиваются так как их изготовляют из паст, инертных к припою) производят лазерную подгонку резисторов (рисунок 2.5).



Рисунок 2.5 - Лазерная подгонка резисторов. 2 - конденсатор; 3-резистор

Конечными этапами изготовления являются сборочные операции, такие как: установка выводов, монтаж навесных компонентов и герметизация опрессовкой с использованием пластмассы, после чего производят обрезание рамки и разъединение выводов (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Сборочные операции. 4 - навесной пассивный компонент; 5-навесной транзистор с жесткими выводами

3. Толстопленочные проводники

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.

4. Толстопленочные резисторы

Основные свойства резистивных пленок

Резистивные 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:

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

Рисунок 4.1 Перенос электрического тока через толстопленочную структуру



Схематично прохождение тока через толстопленочную структуру можно представить так, как это показано на рисунке 4.1

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.

5. Диэлектрические элементы

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/смІ, изготавливают конденсаторы с номинальной емкостью от 500 до 300 пФ, а пленки с Со = = 10 000 пФ/смІ 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.

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/смІ, 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

6. Разработка топологии

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.

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.

Рисунок 6.1 Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов



Автоматизированный монтаж указанных компонентов требует размеров контактных площадок не менее 0,6 х 0,6 мм, а компонентов с шариковыми выводами(BGA) 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 6.1

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.

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.



Рисунок 6.2 Электрическая принципиальная схема (а) и эскиз топологии (б) тактового генератора в толстопленочном исполнении

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.

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.

7. Маршрут производства толстопленочных гибридных бис с многоуровневой разводкой на многослойной керамической подложке

Изготовление многослойных керамических оснований состоит из нескольких этапов (рис. 7.1, 7.2). Из сырой керамики выполняются отдельные слои, в которых пробиваются фиксирующие отверстия, а затем и отверстия для межслойных соединений. После контроля качества отверстий они наполняются металлизирующей пастой, в основе которой лежат порошки молибдена или вольфрама. Затем через трафарет наносится рисунок проводников, ширина которых 0,12 мм, производится сборка пакета из отдельных слоев в требуемую комбинацию. Пакет опрессовывается, проводится его обжиг при температуре 1250… 1560°С. После обжига наносится рисунок проводников из молибдена с последующим покрытием никелем и золотом на верхней и нижней поверхностях подложки. Толщина многослойной подложки, содержащей от 17 до 32 слоев, составляет 4…5 мм. Управление технологическим процессом осуществляет автоматизированная система, состоящая из технологического оборудования, управляемого ЭВМ.

Сложность процесса предполагает проведение большого количества контрольных операций. Предусмотрен механический, оптический, электрический контроль.

Рисунок 7.1 Многоуровневая система разводки на основе керамической платы: 1-- сигнальная цепь; 2 - кристалл полупроводниковой СБИС; 3-- контактная площадка; 4 - контактный шарик припоя; 5-- перераспределяющий стой; б-- -слой сигнальных проводников, 7-- -слой сигнальных проводников; 8-- слой проводников с опорным напряжением; 9 - штыри внешних выводов гибридной БИС



По окончании проверки и исправления дефектов лазерным инструментом заготовки поступают на финишные операции: контактные площадки покрываются припоями для присоединения навесных компонентов. В качестве примера рассмотрим более подробно технологический маршрут изготовления сверхбольшой гибридной микросхемы на многослойной керамической подложке (см. рис. 7.1, 7.2).

Основу этого варианта составляет керамическая подложка размерами 90x90x5 мм (рис. 7.1), которая содержит внутри себя сложную, но компактную сеть коммутационных проводников, шин питания и межуровневых соединений (рис. 7.2).

Изготовление многослойной керамической подложки начинается с отливки отдельных слоев. Порошки керамики и стекла смешиваются с органическим связующим веществом и растворителем, образуя жидкое тесто с консистенцией краски. Тесто наносится на движущийся пластмассовый транспортер и проходит под специальным ножом, который придает слою определенную толщину. В длинной сушильной печи из него удаляется растворитель и остается связный, но еще гибкий материал, похожий на толстую бумагу. Из него вырезаются квадратные заготовки. Для выполнения последующих операций в углах каждого листа пробиваются отверстия. Они же служат метками для совмещения листов.

Следующая операция - пробивка сквозных отверстий. Она выполняется на быстродействующей многопуансонной перфорационной установке, управляемой ЭВМ. В верхнем слое модуля на 100 кристаллов, например, каждое посадочное место для кристалла имеет одинаковую матрицу отверстий. Поэтому в штампе установлено сразу 100 пуансонов, которые размещены на сетке с шагом, равным шагу посадочных мест для кристаллов. При каждом срабатывании инструмента одно отверстие пробивается в одной и той же позиции сразу на каждом из посадочных мест кристаллов; затем весь лист слегка сдвигается и пробиваются следующие 100 отверстий.

Листы, прошедшие проверку, собираются в определенной последовательности в пакеты и спрессовываются под высоким давлением при температуре 75° С. Сквозные отверстия диаметром 120 мкм должны совпадать в слоях, поэтому точный контроль размеров и совмещений листов крайне необходим. Спрессованная необожженная подложка подгоняется под нужный внешний размер и затем подвергается длительному циклу обжига, во время которого происходит постепенный нагрев до максимальной температуры свыше 1500°С в атмосфере водорода. При меньших температурах связующий органический материал разлагается и улетучивается, а при максимальной температуре керамика и металл спекаются в монолитную структуру.

Скорость повышения температуры при нагреве необходимо тщательно контролировать; при слишком высокой скорости органическое связующее вещество будет разлагаться быстрее, чем продукты распада успеют продиффундировать к поверхности, и подложка может расслоиться. Во время спекания все линейные размеры подложки уменьшаются примерно на 17%, так что ее полный объем становится меньше примерно на 40%. С учетом того, что размеры окончательного изделия должны быть выдержаны с жесткими допусками, очевидно, степень уменьшения линейных размеров должна быть точно известна при первоначальном нанесении всех рисунков на необожженные листы. После отжига подложка приобретает размеры форму и твердость керамической плитки; если по ней слегка ударить, она издает звон.

Открытые участки металлизации на обеих сторонах готовой подложки покрываются сначала никелем, а затем золотом. На автоматической испытательной установке выполняется детальная проверка всех электрических цепей подложки, чтобы убедиться в правильности соединений. При этой проверке также используются результаты работы системы автоматизированного проектирования. Испытательная установка контролирует правильность соединения каждой контактной площадки в соответствии со схемой; кроме того, должно быть установлено отсутствие лишних и неправильных соединений. После завершения испытаний к нижней поверхности подложки твердым припоем припаиваются 1800 штырьков (рис. 6): одновременно к подложке тоже твердым припоем, прикрепляется металлический фланец.

Через металлическую маску на контактные площадки на поверхности кристалла напыляется свинцово-оловянный припой. Затем кристалл нагревается в атмосфере инертного газа до температуры плавления припоя. Последний, плавясь и перераспределяясь под действием поверхностного натяжения, образует на каждой контактной площадке полусферическую каплю. Затем припой охлаждается до затвердения, а кристалл переворачивается и накладывается на подложку так, чтобы соответствующие контактные площадки совместились. После установки на подложку всех кристаллов весь узел вновь нагревается до температуры плавления припоя: при этом каждый контактный шарик припоя приобретает форму усеченной с двух сторон сферы и соединяет электрически контактные площадки кристалла и подложки, сохраняя при этом зазор между их поверхностями.

В итоге, на лицевой верхней стороне подложки выполнены посадочные места для установки от 100 до 133 кристаллов быстродействующих полупроводниковых СБИС на биполярных транзисторах со временем переключения логических схем, входящих в эти кристаллы, около 1,1 нс. В общей сложности для присоединения этих кристаллов с жесткими выводами методом перевернутого кристалла на плате сформировано около контактных площадок. На нижней стороне платы укреплены 1800 штырьковых контактных выводов, через которые подается питание на кристаллы, вводятся и выводятся сигналы для связи с другими модулями через панель.

Жесткие шариковые выводы кристаллов СБИС так же, как и система штырьковых внешних выводов многоуровневой керамической платы, имеют вид двумерных матриц с целью уменьшения занимаемой ими площади. Керамическая подложка содержит 33 слоя проводников; слои соединяются между собой с помощью более чем сквозных контактных отверстий. Из указанного числа проводящих слоев в подложке 16 отведены под сигнальные проводники, прокладываемые по осям X или У. Проектные нормы предусматривают расположение сквозных контактных отверстий в узлах прямоугольной сетки с шагом 0,5 мм.

Между соседними отверстиями можно прокладывать только одну сигнальную линию, что облегчает машинное проектирование системы проводников. Указанные 16 сигнальных слоев обеспечивают максимальную длину соединений 320 см на 1 смІ площади подложки. В общей сложности в сигнальных слоях керамической подложки располагается 130 м сигнальных проводников.

Между каждой парой слоев X и У располагается слой с опорным напряжением, который позволяет контролировать волновое сопротивление сигнальных линий, которое в данной конструкции равно 55 Ом.

На рис. 6 схематически и с большим увеличением показано сечение участка керамической подложки с двумя соседними кристаллами полупроводниковых СБИС. На рисунке показана типовая сигнальная цепь, которая идет от сигнального штырькового вывода кристалла. В одном из пяти верхних перераспределяющих слоев сигнал проходит к другому вертикальному проводнику и через него на поверхность к монтажной контактной площадке. Далее сигнал проходит по металлической перемычке вдоль поверхности к третьему контактному отверстию, которое спускает его в сигнальный слой в глубине подложки. Проводник, расположенный вдоль оси X, ведет сигнал к следующему контактному отверстию, от которого он проходит дальше через проводник, параллельный оси V. Через последнее на этом пути контактное отверстие сигнал возвращается на поверхность к посадочному месту другого кристалла, где данная цепь и заканчивается.

Некоторые из сигнальных цепей выводятся на нижнюю сторону подложки, где они идут к другим модулям через цепи многослойной печатной платы. Разводка электропитания осуществляется в трех слоях в нижней части керамической подложки (см. также рис. 7.2).

Рисунок 7.2 Топологии проводящих слоев керамической платы: а -- верхний слой для монтажа бескорпусных кристаллов полупроводниковых СБИС; б -- один из пяти перераспределяющих слоев; в -- один из х-слоев сигнальных проводников; г -- y-слой сигнальных проводников; д -- слой проводников с опорным напряжением; е -- слой шин питания



Рисунок 7.3 Монтажный узел кристалла полупроводниковой СБИС: 1-- кристалл СБИС; 2-- два ряда контактных площадок, электрически связанных через перераспределяющие слои с шариковыми выводами СБИС; 3-- перешеек между контактными площадками

Из рис. 7.1 и 7.2 видно, что пять верхних слоев подложки предназначены для перераспределения сигнальных линий от контактных площадок кристалла на набор контактных площадок, выходящих на поверхность подложки и расположенных двумя рядами вдоль сторон каждого кристалла (рис. 8). Эти контактные площадки позволяют контролировать гибридную СБИС с установленными на ней кристаллами. В случае необходимости с их помощью можно изменить и схему соединений, разрушив короткий отрезок проводника на поверхности подложки, отключив любую сигнальную линию от внутренних цепей, и сделать новое соединение, проложив микропровод между двумя выбранными контактными площадками. Верхние перераспределительные контактные слои наиболее густо снабжены сквозными переходными отверстиями, которые располагаются с шагом 0,25 мм. Для каждого посадочного места

кристалла сформировано 96 монтажных контактных площадок. В технологии предусмотрены замены отдельных кристаллов как при изменениях конструкции, так и при ремонте, что говорит о высокой ремонтопригодности конструкции.

Электропитание распределяется по трем нижним слоям подложки (см. рис. рис. 7.1, 7.2): по двум поданы напряжения, необходимые для работы кристаллов, третий находится под потенциалом земли.

Технология многослойных керамических плат обладает большой прецизионностью: ширина линий проводников и диаметр заполняемых под давлением молибденовой пастой сквозных отверстий равны 120 мкм. Пробивка сквозных отверстий в слоях необожженной керамики, рисунок трафарета, контроль отдельных слоев подложки и проверка всех электрических цепей подложки проводятся с использованием системы автоматизированного проектирования.



Итог

Ознакомились с технологическими маршрутами производства толстопленочных гибридных интегральных микросхем. Дали общие понятия всем устройствам, входящим в микросхему. В тексте работы представлено руководство по разработке топологии и примеры. Приведен пример маршрута производства толстопленочных гибридных БИС с многоуровневой разводкой на многослойной керамической подложке.



Литература

интгеральный схема гибридный толстопленочный

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. - М.: Высшая школа, 1987.

2. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. - М.: Радио и связь, 1991.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов. радио, 1980.

4. Игумнов Д.В., Королев Г.В., Громов И.С. Основы микроэлектроники: Учеб. для техникумов по спец. «Производство изделий электр., техники». - М.: Высш. шк., 1991.

5. Учеб. пособие для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые приборы». - 3е изд., перераб. и доп. - М.: Высш шк., 1986.

6. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. - СПБ.: Издательство «Лань», 2007. Размещено на Allbest.ru

...