Конструкторско-технологические основы создания микросборок высокой плотности упаковки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Конструкторско-технологические основы создания микросборок высокой плотности упаковки

Специальность 05.27.01

Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Спирин В.Г.

Арзамас 2008

Работа выполнена на кафедре «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Арзамасского политехнического института (филиала) Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Научный консультант: - доктор технических наук,

профессор Н.П. Ямпурин

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор В.Н. Брюнин (г. Зеленоград)

- доктор технических наук,

профессор А.В. Назаров (г. Москва)

- октор технических наук,

профессор М.Н. Пиганов (г. Самара)

Ведущая организация: НИИ Электромеханических приборов, г. Пенза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Создание надежных высококачественных радиоэлектронных средств (РЭС) при минимальных производственных затратах стало возможным благодаря современной технологии микроэлектроники. Основными конструктивными единицами РЭС в настоящее время являются полупроводниковая интегральная схема (ПИС) и микросборка (МСБ). Причем эти конструктивные единицы имеют различную степень интеграции находящуюся в диапазоне от 2 до 10.

Основным направлением развития микро- и наноэлектроники является повышение степени интеграции ПИС и МСБ. Согласно закону Мура, размеры элементов ПИС уменьшаются вдвое каждые 5 лет. Полупроводниковая промышленность РФ отстает от упомянутого закона Мура. Тем не менее в России к 2005 г. освоили размеры 0,3 мкм, что позволило создать 64-разрядный процессор с 3,4 млн. элементов в кристалле [1]. Несмотря на затяжной экономический кризис, размеры элементов ПИС в РФ, за последние 20 лет уменьшились в 5 раз. В то же время как номинальные размеры проводников и резисторов тонкопленочных МСБ на большинстве Российских предприятиях, за редким исключением, остались практически неизменными и составляют 0,2-0,3 мм. Следует отметить, что наша страна утратила свое лидирующее положение в производстве МСБ и микроблоков к концу 80-х годов ХХ века, когда в зарубежной печати появились сообщения по созданию многокристальных модулей с многоуровневой разводкой и размерами проводников 5-25 мкм [2, 3].

Увеличение степени интеграции ПИС неизбежно приводит к увеличению количества их выводов. Уже стало нормой количество выводов 68 и 84. Имеются сообщения о компонентах с числом выводов свыше 1000. На практике с ростом количества выводов компонентов растет площадь межсоединений коммутационной платы. Поэтому для повышения плотности упаковки плат современных цифровых устройств актуальным является создание многоуровневой тонкопленочной коммутации, а также повышение плотности межсоединений, что может быть достигнуто как за счет уменьшения ширины проводников, так и за счет уменьшения расстояния между ними.

Вопросы проектирования и технологии тонкопленочных МСБ рассмотрены в работах зарубежных и отечественных авторов: Г. Холлэнда, Р. Берри, П. Холла, М. Гарриса, Л. Майссела, Р. Глэнга, Б.Ф. Высоцкого, Л.А. Коледова, А.И. Коробова, О.Е. Бондаренко, В.Ф. Борисова, А.С. Назарова, А.В. Фомина, В.Н. Сретенского, Г.Я. Гуськова, Г.А. Блинова, И.Н. Воженина, В.П. Лаврищева, В.Н. Черняева, В.А. Волкова, Ю.П. Ермолаева, И.П. Бушминского, Л.Н. Колесова, З.Ю. Готра, И.Е. Ефимова, И.Я. Козыря, Ю.Н Горбунова и других.

Большинство миниатюрных аналоговых устройств, например, электронные блоки датчиков первичной информации, высокоразрядные АЦП и ЦАП, усилители и генераторы СВЧ выполняется в виде МСБ на основе тонкопленочной технологии. Технология тонкопленочных МСБ была разработана в 60-х годах ХХ века и по существу в России остается неизменной до настоящего времени. В качестве материалов подложек традиционно используются ситалл и поликор, которые по своим физическим свойствам, например, пористости, не способны обеспечить ширину линий менее 15-25 мкм.

Минимальный размер чип-резистора для поверхностного монтажа составляет 0,25х0,25 мм, то есть близок к размерам тонкопленочного резистора (ТПР). В то же время современные технологии и оборудование в России могут обеспечивать размеры ТПР до 1-3 мкм и пока этот потенциал не используется. В основном это связано с отставанием методов проектирования ТПР и МСБ в целом.

Поэтому появилась настоятельная необходимость анализа существующих конструкций и технологий тонкопленочных МСБ и создания новых конструктивно-технологических решений, которые бы способствовали разработки новых норм конструирования и изготовления МСБ.

Для того чтобы оценить прогресс развития конструкций используют удельные показатели качества. В связи с тем, что плотность упаковки является главным показателем уровня интеграции того или иного конструктива, то в данной работе в качестве основного критерия будет применяться именно это показатель. Плотность упаковки - это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов [4].

Таким образом, научная проблема, которая решается в данной работе, заключается в устаревшем методологическом подходе к проектированию и производству тонкопленочных МСБ, который сдерживает рост их плотности упаковки. Решение проблемы особенно актуально для авиационной, космической и военной техники, где стоимость одного килограмма приборов достигает сотни тысяч и даже миллионы рублей. Актуальность работы подтверждается тем, что рассматриваемая проблема относится к приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в РФ до 2015 г., утвержденными 21.05.06 президентом РФ.

Объектом исследования являются тонкопленочные МСБ и гибридные интегральные схемы (ГИС). Учитывая, что в проектировании и производстве МСБ и ГИС применяют единые технологические и конструктивные решения, то в дальнейшем будем применять только термин МСБ как более распространенный.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкции тонкопленочных элементов, плат и МСБ.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и производства тонкопленочных МСБ высокой плотности упаковки, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии микро- и наноэлектроники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных элементов, плат и МСБ, выявить проблемы и разработать новые подходы к их решению.

2. Исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на сопротивление ТПР, на основании чего уточнить теоретическую модель сопротивления ТПР и его погрешности.

3. Разработать методы обеспечения качества тонкопленочных элементов, плат и МСБ при возрастании плотности упаковки.

4. Разработать конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат и МСБ.

5. Разработать методы и алгоритмы проектирования тонкопленочных МСБ с высокой плотностью упаковки.

6. Применить полученные методы и алгоритмы проектирования к разработке конструкций МСБ датчиков первичной информации.

Методы исследований. Для решения поставленных задач используются: математический аппарат численного и аналитического моделирования, методы теории допусков, теории вероятностей и математической статистики, математический аппарат теории цепей, методы теплового моделирования и расчета тепловых режимов конструкций МСБ, а также экспериментальные методы исследования.

Основные новые научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель ТПР, включающая в себя:

- систематические погрешности формирования физической структуры ТПР;

- контактное сопротивление;

- сопротивление электродов;

- систематическую погрешность, за счет исключения контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя.

2. Конструкция гребенчатого резистора.

3. Методы повышения качества тонкопленочных МСБ, включающие в себя:

- способ изготовления ТПР методом двойной фотолитографии;

- способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов;

- метод оценки качества тонкопленочной платы;

- метод определения погрешностей формирования структуры тонкопленочных элементов;

- устройство контроля качества сварных соединений.

4. Конструктивно-технологические варианты многоуровневых плат, включающие в себя:

- платы с толстопленочной полимерной изоляцией;

- платы с подложкой из кремния.

5. Методы проектирования тонкопленочной МСБ, включающие в себя:

- интегрально-групповой метод компоновки;

- метод расчета стационарного теплового режима;

- метод проектирования топологии платы.

Научная новизна полученных результатов заключаются в следующем:

1. На основе проведенного анализа современного состояния теории и практики проектирования, а также технологии тонкопленочных МСБ выявлены основные проблемы и показаны пути их решения. Показано, что основной проблемой, которая сдерживает рост плотности упаковки МСБ в настоящее время, является не столько уровень технологии и оборудования, а устаревшие модели, методы и алгоритмы проектирования и производства тонкопленочных МСБ. Сформулированы основные методы повышения плотности упаковки тонкопленочных МСБ.

2. Разработана теория ТПР с размерами менее 50 мкм, основные положения которой заключается в следующем. Уточнены математические модели сопротивления ТПР и его погрешности для диапазона частот до 300 МГц. В новые модели дополнительно входят систематические погрешности формирования удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины, сопротивление электродов, систематическая погрешность за счет исключения контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя. Разработана модель контактного сопротивления ТПР, в которую входят сопротивления резистивной, адгезионной и проводящей пленки конструкции контакта. Отличие от известных моделей состоит в непосредственном расчете сопротивления участков контакта.

Предложена конструкция гребенчатого ТПР, которая защищена двумя патентами РФ. Особенностью данной конструкции является то, что прямоугольные резистивные элементы находятся между двумя встречно расположенными гребенчатыми электродами, а контактные площадки резистора расположены на минимальном расстоянии от электродов. Впервые разработаны модели сопротивления электродов для прямоугольного и гребенчатого ТПР. Впервые исследовано влияние контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоев на сопротивление ТПР. Установлено, что при К_ф > 10 и К_ф < 0,1 контактные площадки перекрытия могут быть исключены из конструкции резистора без ухудшения точности получения сопротивления.

3. Разработаны методы повышения качества тонкопленочной платы, суть которых состоит в следующем. Разработан способ изготовления ТПР методом двойной фотолитографии, который защищен патентом РФ. Отличие этого способа от известных состоит в том, что при второй фотолитографии фоторезистом защищают все проводники, резистивные элементы и контактные площадки, за исключением небольших участков контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя. Разработаны способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов, которые в отличие от известных способов не ухудшают плотность упаковки и не повышают себестоимость изготовления МСБ. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы. Отличие данного метода от известных решений состоит в том, что он определяет не только качество изготовления платы, но и качество проектирования ее топологии и комплекта фотошаблонов. Разработаны методы и алгоритмы оценки погрешностей параметров физической структуры ТПР. Предлагаемые методы и алгоритмы в отличие от известных позволяют определять сопротивление электродов прямоугольного и гребенчатого ТПР и систематическую погрешность удельного поверхностного сопротивления. Разработанные алгоритмы имеют более высокую точность оценки погрешностей формирования структуры ТПР.

4. Разработаны конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат с толстопленочной полимерной изоляцией. Отличительной особенностью этих плат является то, что выводы компонентов присоединяются непосредственно к контактным площадкам того или иного уровня коммутации. В результате образуется небольшое число межуровневых соединений, которые осуществляются либо с помощью проволочных перемычек, либо припоем. Выводы компонентов и проволочные перемычки присоединяются к контактным площадкам, расположенным на втором и последующих уровнях, с помощью ультразвуковой сварки или пайки.

Разработаны конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат с подложкой из кремния. Отличие этих плат от известных решений состоит в формировании слоя диэлектрика из диоксида кремния толщиной 4-5 мкм за счет термического окисления кремния и ионно-плазменного напыления диоксида кремния на пластину. Кроме того, на одной или обеих поверхностях плат формируют ТПР. В двусторонней плате при металлизации отверстий методом HAL используется защитный слой пленки хрома. Отличительными особенностями платы с тремя уровнями коммутации является: формирование общей шины, как на диэлектрики, так и на кремнии; использование общей шины в качестве экрана, а самой платы в качестве несущей конструкции. Впервые разработаны методы монтажа многоуровневых плат с подложкой из кремния.

5. Разработаны методы проектирования топологии тонкопленочных МСБ. Впервые разработан интегрально-групповой метод компоновки МСБ. Разработан метод расчета стационарного теплового режима тонкопленочной платы. Отличие от известных методов состоит в замене параметра «допустимая удельная мощность рассеяния» на параметр «тепловое сопротивление кондуктивного тракта» и переход от плоской тепловой модели к объемной. Объемная тепловая модель, состоит из правильной усеченной пирамиды и трех параллелепипедов. Разработан метод проектирования топологии МСБ. Отличие от известных методов состоит в алгоритме расчета размеров ТПР и алгоритме проверочного расчета тепловых режимов компонентов и ТПР.

6. Впервые разработаны топологии многоуровневых плат тонкопленочных МСБ:

· МСБ с интегрально-групповым методом компоновки;

· двухуровневых плат с толстопленочной полимерной изоляцией;

· кремниевой двухуровневой платы с металлизацией переходных отверстий методом HAL;

· кремниевой трехуровневой платы с выполнением общей шины и экрана на кремнии.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечены: использованием известных положений фундаментальных наук, строгими математическими доказательствами, адекватностью разработанных моделей реальным физическим и технологическим процессам; подтверждены совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, не противоречащими исследованиям других авторов. Полученные результаты базируются на хорошо отработанных в промышленности типовых технологических процессах микроэлектроники и подтверждаются успешной апробацией на научно-технических конференциях и публикацией основных положений в ведущих научно-технических журналах. Многие технические решения внедрены в производство и учебный процесс, а также защищены а.с. СССР и патентами РФ.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1. Повышена плотность упаковки тонкопленочных МСБ за счет:

- уменьшения топологических норм проектирования тонкопленочных элементов в 5-20 раз;

- увеличения на два порядка диапазона отношения сопротивлений R_макс/R_мин, изготавливаемых на одной плате;

- выбора и разработки конструкций ТПР с минимальной площадью и высокой точностью изготовления;

- разработкой конструктивно-технологических вариантов плат с многоуровневой разводкой.

2. Предложенные автором методы, модели и алгоритмы позволяют повысить качество МСБ и снизить себестоимость их изготовления.

3. Теоретические и научные результаты работы доведены до инженерных решений в виде методов проектирования и конкретных конструктивов тонкопленочных МСБ. Сформулированы основные требования и нормы конструирования для нового стандарта по тонкопленочным МСБ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде стандарта предприятия, конструкторских и технологических документов, изобретений, учебных пособий, лекций внедрены на предприятиях и в высших учебных заведениях: Арзамасском ОАО НПП «Темп-Авиа», Чебоксарском НПП «Элара», Пензенском НИИ Электромеханических приборов, Нижегородском НПП «Салют-27», Арзамасском политехническом институте (филиале НГТУ), Нижегородском государственном техническом университете, Пензенском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях (НТК):

§ НТК "Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении", г. Н. Новгород, 1997г.

§ Всероссийской НТК, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ: "Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении", г. Арзамас, 1998г.

§ Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород - Арзамас, НГТУ - АФ НГТУ, 2003г.

§ НТК «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», г. Арзамас, 2004г.

§ НТК «Проблемы современной микроэлектроники», с. Б. Болдино, 2004г.

§ LX научной сессии, посвященной дню радио, Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, МТУСИ, 2005г.

§ Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород - Арзамас, НГТУ - АФ НГТУ, 2007г.

§ V межрегиональной научно-практической конференции «Современные информационные и телекоммуникационные технологии в образовании, науке и технике», Арзамасский филиал Современной гуманитарной академии, 2008г.

§ Международной НТК «Пассивные электронные компоненты-2008», г. Н. Новгород, ОАО НПО «ЭРКОН».

§ Международной НТК «Информационные системы и технологии-2008», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

§ 63-й научной сессии, посвященной дню радио, Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, МТУСИ, 2008г.

§ 9-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии-2008», Одесский национальный политехнический университет.

§ Международном симпозиуме «Надежность и качество», ПГУ, г. Пенза.

§ 8-м международном симпозиуме «Интеллектуальные системы-2008», », МГТУ им. Баумана, г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

§ 18-й Всероссийской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика-2008», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

§ 7-й Международной НТК «Авиация и космонавтика-2008», г. Москва, МАИ.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 73 научных работы, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 38 научных статей и 10 тезисов докладов. 29 статей опубликованы в центральных и зарубежных периодических изданиях и сборниках научных трудов. Из них 10 статей опубликовано в научно-технических журналах РФ, рекомендованными ВАК Минобразования: «Проектирование и технология электронных средств», «Датчики и системы», «Известия вузов. Электроника», «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Нано- и микросистемная техника», «Вестник МАИ» и 8 статей опубликовано в Украинском рецензируемом научно-техническом журнале «Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре», включенном в список ВАК Украины.

Новизна и практическая значимость результатов выполненных исследований подтверждены 9-ю изобретениями, в том числе 3-мя авторскими свидетельствами СССР, 2-мя положительными решениями на получение патента РФ, 4-я патентами РФ. Кроме того, материалы исследований, связанных с диссертацией, представлены в 14 отчетах по НИР и ОКР.

Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 222 наименований и приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 214 страниц. Диссертация содержит 69 рисунков и 54 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности, описываются объект, предметы и методы исследования, указаны средства обеспечения достоверности и обоснованности полученных результатов и выводов, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту, а также сведения об апробации, реализации и внедрении результатов работы, сведения о публикациях и личном вкладе соискателя в работах, опубликованных в соавторстве. Приведены сведения об объеме и структуре работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных МСБ, рассмотрены пути повышения их плотности упаковки, а также тенденции развития элементной базы для поверхностного монтажа. Проведен анализ проблем проектирования и технологии тонкопленочных элементов и методов повышения качества тонкопленочных плат. Сформулированы цели и задачи исследования.

Проведенный анализ основных отечественных и зарубежных достижений в области проектирования и технологии тонкопленочных МСБ позволяет сделать следующие выводы:

1. Установлено, что разработка МСБ и многокристальных модулей (МКМ) является одним из перспективных направлений мировой электроники. Показано, что наряду с увеличением плотности упаковки ПИС основными путями ее повышения являются:

· Уменьшение размеров тонкопленочных элементов МСБ.

· Применение прогрессивных методов компоновки.

· Создание надежной многоуровневой коммутации.

Основной проблемой, которая препятствует росту плотности упаковки МСБ в РФ, являются устаревшие модели, методы и алгоритмы проектирования и технологии ТПР и МСБ.

2. В РФ выпускаются около 20 серий бескорпусных кристаллов (БК) интегральных схем (ИС) модификации (мод.) 1, 2. Выпускаемая номенклатура БК не обеспечивает потребности разработчиков МСБ. Освоение в производстве сдвоенных и счетверенных операционных усилителей (ОУ) и компараторов распространенных классов в бескорпусном исполнении помог бы в значительной степени повысить интеграцию аналоговых МСБ. Анализ основных направлений разработок МКМ показал, что в настоящее время доминируют конструктивы МКМ-L с подложкой из стеклотекстолита, как наиболее дешевые. Однако, учитывая тенденции развития корпусов ИС для поверхностного монтажа в части уменьшения шага и увеличения количества выводов, приближения размеров корпусов к размерам БК, а также стремление разработчиков к повышению плотности упаковки МКМ в перспективе следует ожидать увеличение доли рынка тонкопленочных МКМ (МКМ-D, МКМ-Si), так как максимальная плотность коммутации может быть достигнута только при применении тонкопленочной технологии и использовании подложек из кремния.

3. При проектировании ТПР существует ряд проблем, которые препятствуют уменьшению их размеров менее 100 мкм.

· Существующие способы формирования физической структуры ТПР либо не обеспечивают требуемую точность, либо имеют высокую себестоимость.

· Проектирование сопротивлений в МСБ с широким диапазоном номиналов требует как исследования существующих конструкций, так и разработки новой конструкции ТПР с малым коэффициентом формы.

· Неадекватные математические модели сопротивления ТПР и его производственной погрешности.

· Применение в качестве основного критерия допустимой удельной мощности рассеяния резистивной пленки при расчете размеров ТПР.

4. В теории и практике проектирования тонкопленочных МСБ имеется ряд недостатков.

· При разработке перечня элементов электрических схем задают номиналы сопротивления ТПР по рядам Е24-Е192, что нередко приводит к дополнительной погрешности сопротивления при топологическом проектировании и уменьшению выхода годных МСБ в производстве.

· Компоновка МСБ по функционально-узловому методу увеличивает себестоимость производства и снижает плотность упаковки тонкопленочных плат.

§ Разделение подложки на платы с размерами рекомендуемых стандартных рядов связано с большими и совершенно неоправданными потерями материала подложки.

· Созданию высокотехнологичной и надежной многоуровневой тонкопленочной коммутации с изоляцией из тонкого диэлектрика препятствуют две основные проблемы: проколы изоляции и обрывы проводников на ступеньках изоляции.

§ Трудоемкие и недостоверные расчеты стационарных тепловых режимов компонентов и ТПР.

5. Для того чтобы уменьшение размеров тонкопленочных элементов не привело к уменьшению выхода годных тонкопленочных плат необходимо:

· Разработать методы и алгоритмы оценки систематических и случайных погрешностей параметров физической структуры ТПР.

· Разработать методы компенсации систематических погрешностей параметров физической структуры ТПР.

· Разработать методы оценки качества тонкопленочной платы.

Во второй главе проведено исследование влияния конструктивно-технологических факторов на сопротивление тонкопленочного резистора.

В п. 2.1 определяются элементы конструкции ТПР, которые могут влиять на его сопротивление. Конструкция ТПР (рис. 1) в самом простом случае содержит: резистивный элемент, два электрода, два контакта между проводящей и резистивной пленкой, четыре контактных площадки перекрытия (КПП) резистивного и проводящего слоев.

Рис. 1. Элементы конструкции ТПР: 1 - резистивный элемент, 2 - электрод, 3 - контакт между проводящей и резистивной пленкой, 4 - КПП, 5 - проводник.

В п. 2.2 разрабатываются физико-математические модели контактного сопротивления. В технической литературе сопротивление ТПР R в первом приближении определяется выражением:

R = R_рэ --+ R_к--= rl/b + R_к = r K_ф + R_к,

где R_рэ ?- сопротивление резистивного элемента; ? - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки; l, b - длина и ширина резистора; K_ф = l/b - коэффициент формы резистора; R_к - сопротивление двух контактов ТПР.

Наиболее достоверный метод расчета контактного сопротивления основан на численных методах решения и не имеет аналитического выражения. Модель конструкции контакта ТПР при клине травления 0 < б ? 45є показана на рис. 2. Формулы для расчета каждого из участков модели приведены в табл. 1.

Рис. 2. Модель конструкции контакта ТПР при клине травления 0 < б ? 45є: 1 - резистивный слой; 2 - участок резистивного слоя контакта; 3 - участок адгезионного слоя контакта; 4 - участок проводящего слоя контакта; 5 - электрод ТПР.

Таблица 1.- Формулы для расчета участков контактного сопротивления

Наименование параметра	45є < б ? 90	0 < б ? 45є
Сопротивление Rp резистивного участка	Rp = 0,5 с tp / b	Rр = 0,564 с tp /(b tg б)
Сопротивление Rа участка адгезионного слоя	Rа = са tа2 /(b tp)	Rа = 2 са tа2 /(b tp Sin 2б)
Сопротивление Rп участка проводящего слоя	Rп = 2 сп tп / b	Rп = 2 сп tп / (b tg б)

где t_p - толщина резистивного слоя; с_а, t_а - удельное поверхностное сопротивление и толщина адгезионного слоя; с_п, t_п - удельное поверхностное сопротивление и толщина проводящего слоя.

Общее контактное сопротивление ТПР рассчитывается по формуле:

R_к = 2 (R_p + R_а + R_п )

В п. 2.3 разрабатываются физико-математические модели сопротивления электродов ТПР. В работе рассмотрена конструкция прямоугольного ТПР, в которой контактные площадки (КП) соединяются с концами электродов (рис. 3,а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 3. Подключение КП к концам электродов ТПР: а) - конструкция; б) - эквивалентная схема.

Особенностью конструкции такого резистора является большая длина электродов, которая равна ширине резистивного элемента. Ширина электродов определяется соотношением: l_э = kl, где l - длина резистора; k - коэффициент. Данной конструкции ТПР соответствует эквивалентная электрическая схема, приведенная на рис. 3,б, где R - сопротивление резистивного элемента, R_э1- сопротивление одного электрода. Как следует из рис. 3 общее сопротивление электродов R_э будет равно удвоенному сопротивлению R_э1

R_э = 2R_э1 = 2_п /(kК_ф)

где _п - удельное поверхностное сопротивление проводящей пленки; b - ширина резистора; К_ф - коэффициент формы ТПР.

В диссертации разработана конструкция гребенчатого резистора, которая приведена рис. 4,а.

а) б)

Рис. 4. Оптимальная (а) и неоптимальная (б) конструкция гребенчатого резистора.

Сопротивление электродов гребенчатого резистора можно найти по следующим формулам:

при n - нечетном R_эг = 4 _п [1/(nК_ф)+1] / [k (n + 1)];

при n - четном R_эг = 12 _п [1/(nК_ф)+1] / [k (3 n + 2)],

где n - число резистивных элементов; k - коэффициент.



Рис. 5. Влияние КПП на плотность межсоединений: 1 - проводник; 2 - резистивный элемент; 3 - КПП.

тонкопленочный сопротивление резистор

В п. 2.4 исследуется влияние КПП резистивного и проводящего слоев на изменение сопротивления ТПР. Как известно, при формировании ТПР, в их конструкции предусматривают четыре КПП резистивного и проводящих элементов, которые исключают влияние несовмещения фотошаблона (ФШ) с рисунком платы на погрешность сопротивления резистора. В этом случае повышение точности сопротивления ТПР приводит к тому, что снижается плотность межсоединений на тонкопленочной плате за счет увеличения промежутка между тонкопленочными элементами (рис. 5).

Для проектирования тонкопленочной платы представляет интерес рассмотрение погрешности сопротивления конструкции резистора без КПП. Конструкция такого резистора, полученного при смещении ФШ резистивного слоя относительно проводящего слоя платы, показана на рис. 6а.



Рис. 6. Формирование погрешности сопротивления ТПР за счет исключения КПП.

Абсолютная ДK_ф и относительная K_ф погрешность коэффициента формы резистора R_см находится по формулам:

,

где K_ф, K_фсм - коэффициенты формы несмещенного (В = 0) резистора и резистора R_см; В - величина смещения резистивного слоя относительно проводящего слоя; B = B/b; m - число квадратов углового участка резистивного элемента резистора R1.

а) б)

Рис. 7. а) - неравномерность толщины пленки по оси Y подложки: 1 - подложка, 2 - резистивный слой; б) - градиентная погрешность сопротивления ТПР.

В п. 2.5 производится анализ технологических погрешностей физических параметров ТПР. Технологические (производственные) погрешности ТПР образуются в процессе их изготовления. Основными видами этих погрешностей являются: погрешности удельного поверхностного сопротивления; погрешности длины и ширины ТПР. Рис. 7 показывает формирование градиентной погрешности удельного поверхностного сопротивления.

Процессы фотолитографии и травления формируют систематическую погрешность, которая приводит к уменьшению размеров тонкопленочных элементов МСБ. Профили фоторезиста и тонких пленок, получаемых в процессе фотолитографии и травления, показаны на рис. 8, где ?l_флс - систематическая погрешность размера топологического элемента.

Рис. 8. Профили фоторезиста и тонких пленок после фотолитографии и травления

В п. 2.6. разрабатывается физико-математическая модель сопротивления (1) ТПР и его погрешности (2).

, (1)

где l_с, b_с - систематические погрешности длины и ширины ТПР, R_к,- контактное сопротивление, R_э - сопротивления электродов, R_п - сопротивление проводников, соединяющих электроды резистора с КП, обкладками конденсаторов или электродами других ТПР, R_с - погрешность за счет исключения КПП.

Формирование случайных погрешностей сопротивления ТПР происходит на следующих операциях: напыления резистивного слоя (); напыления проводящего слоя (R_э); проведения первой фотолитографии и травления проводящей пленки (l); проведения второй фотолитографии и травления резистивной пленки (b). Эти события независимы друг от друга, поэтому для расчета случайной производственной погрешности может быть применен аппарат теории вероятностей.

В расчет половины поля допуска введем также систематическую градиентную погрешность _с = _{y max} /2, где _{y max} - максимальное значение градиентной погрешности по оси Y подложки (рис. 7). Это вполне допустимо, если уменьшить величину при напылении до значения (1 - _с). Математическая модель половины поля допуска R производственной относительной погрешности имеет вид:

, (2)

В п. 2.7 осуществляется выбор конструкций ТПР. В результате проведенного анализа установлено, что согласно двух критериев: воспроизводимости сопротивления и занимаемой площади, лучшими формами ТПР для МСБ высокой плотности упаковки являются: резистор прямоугольной формы (К_ф 0,067); Z - образный резистор (К_ф 20); резистор типа меандр (К_ф 40); гребенчатый резистор (0,01 К_ф 0,067).

В третьей главе разрабатываются методы повышения качества тонкопленочной микросборки.

В п. 3.1. анализируются существующие способы изготовления ТПР методом фотолитографии, и разрабатывается новый третий способ, а также способ изготовления гребенчатого резистора (рис. 9). Эти способы защищены патентами РФ. Они основаны на применении дешевых проводящих структур, таких как V-Al, V-Cu-Ni и обеспечивает точность формирования ширины ТПР, присущую первому способу. Отличие третьего способа (рис. 9,в) от известных состоит в том, что при второй фотолитографии фоторезистом защищают все проводники, резистивные элементы и КП, за исключением небольших участков КПП резистивного и проводящего слоя.

Рис. 9. Способы изготовления ТПР.

В п. 3.2 разрабатываются способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов. Рис. 10 демонстрирует необходимость компенсации систематических погрешностей коэффициента формы ТПР и невозможность их компенсации путем изменения удельного поверхностного сопротивления. В общем случае плата МСБ может содержать пять групп резисторов, отличающихся размерами и значением коэффициента формы, которые можно характеризовать различной чувствительностью к систематическим и случайным погрешностям размеров или сопротивлению электродов. На рис. 10,а приведена диаграмма интервалов для каждой группы ТПР, из которой видно, что середина поля допуска 2-5 групп сдвинута вправо относительно середины поля допуска резисторов 1 группы на величину результирующей систематической погрешности. Это происходит вследствие накопления систематических погрешностей, характерной для этой группы. Данное явление приводит к резкому снижению выхода годных плат МСБ, что и демонстрирует рис. 10,б.

а) б)

Рис. 10. а) Диаграмма интервалов групп резисторов. б) Диаграмма интервалов годных резисторов.

Первый способ компенсации. Иногда выход годных плат может быть повышен путем изменения в конструкторской документации номинальных значений сопротивлений ТПР, в соответствии с их точными значениями, которые можно рассчитать по формуле (1). Однако этот метод не всегда приемлем с точки зрения работоспособности устройства.

Второй способ компенсации применяется при проектировании эскизов топологии плат. При К_ф 10 задаются шириной ТПР и определяют его длину:

l = К_ф (b - b_с )

При К_ф 0,1 задаются длиной ТПР и определяют его ширину:

b = ( l +l_с ) /( R - R_э )

Недостатком второго метода является низкая точность компенсации систематических погрешностей или увеличение размеров ТПР в диапазоне 0,1 <К_ф < 10.

а) б)

а) Увеличение размеров элементов фотошаблона для первой фотолитографии. в) Изменение размеров элементов фотошаблона для второй фотолитографии

Рис. 11. Корректировка размеров элементов фотошаблонов: 1 - КПП; 2 - резистивный элемент; 3 - контактная площадка; 4 - контур элемента фотошаблона.

Третий способ компенсации. Радикальным способом повышения выхода годных плат является полная компенсация каждой систематической погрешности путем введения констант в программы изготовления ФШ (рис. 11).

В п.3.3 рассмотрены инструментальные погрешности сопротивления ТПР, которые интегрируются в элементы ФШ. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы, который основан на результатах измерения сопротивления резисторов и вычисления инструментальных погрешностей ТПР. Суть метода состоит в следующем.

1. На плате выбирают эталонный резистор R1.

2. Задаются значением погрешности К_д отношения сопротивлений двух ТПР, обусловленной точечными дефектами (обычно К_д = 0,03).

3. Производят вычисление допустимой погрешности отношения сопротивлений эталонного и исследуемого резистора R2:

дK = + дK_д,

4. Вычисляют фактическую относительную погрешность:

К_и = (R1_и /R2_и - R1/R2)/(R1/R2) = (R1_и /R2_и )(R2/R1) -1,

где R1_и, R2_и - измеренные сопротивления резисторов платы; R1, R2 - номинальные сопротивления этих же резисторов по конструкторской документации.

5. Если исследуемая плата содержит инструментальные погрешности ТПР, то выполняется следующее неравенство: К_и К.

Отличие данного метода от известных решений состоит в том, что он определяет не только качество изготовления платы, но и качество проектирования ее топологии и комплекта фотошаблонов.

В п.3.4 исследуются погрешности формирования тонкопленочных элементов. Разработаны конструкции тестовой схемы, тестовой платы (рис. 12) и алгоритмы расчета систематических и случайных погрешностей параметров ТПР: удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины, а также погрешностей, вносимых сопротивлением электродов. Предлагаемые алгоритмы в отличие от известных позволяют дополнительно измерять сопротивление электродов прямоугольного и гребенчатого ТПР и разделить систематическую и случайную погрешности удельного поверхностного сопротивления. Разработанные алгоритмы имеют более высокую точность оценки погрешностей формирования структуры ТПР по сравнению с известными методами. Результаты измерений погрешностей параметров ТПР приведены в табл. 2.

а) б)

Рис. 12. Конструкции: а) тестовой схемы, б) тест-платы.

Таблица 2. - Погрешности физической структуры ТПР

Систематические погрешности	Случайные погрешности
c, %	lc, мкм	bc, мкм	Rэп, Ом	Rэг, Ом	, %	l, мкм	b, мкм	Rэп, Ом	Rэг, Ом
3,35	8,59	3,05	1,54	0,42	9,74	7,14	2,57	1,71	0,33

В п.3.5 разрабатываются устройства для контроля качества приварки выводов микросхем на полиимидном носителе к КП платы, одно из которых показано на рис. 13.



Рис. 13. Устройство со звуковым (световым) сигналом: 1 - игла, 2 - стержень, 3 -наконечник; 4 - пружина; 5 - нижний корпус; 6 нижняя втулка; 7 - верхний корпус; 8 - хвостовик; 9 - верхняя втулка 10 - контакты.

Настройку устройства на заданное усилие 20 ± 2 г производят нижней и верхней втулками. При приложении к игле заданного усилия должна срабатывать звуковая или световая сигнализация. При контроле качества сварного соединения иглой устройства касаются боковой поверхности ленточного вывода в месте сварки, при этом иглу располагают под углом 30-60є к поверхности платы. Плавно перемещают нижний корпус в направлении иглы до тех пор, пока не услышат звуковой или не увидят световой сигнал. Если при этом отрыва вывода не произошло, то сварное соединение считается качественным.

В п.3.6 проведен анализ технологического процесса изготовления тонкопленочной платы с топологическими размерами менее 50 мкм, в результате которого выработаны следующие рекомендации, позволяющие повысить плотность упаковки МСБ.

· технологический процесс и комплекс оборудования для изготовления тонкопленочных плат с топологическими размерами 10-50 мкм останется в основном неизменным; для подгонки резисторов плат высокой плотности упаковки необходимо применение лазерных установок с диаметром луча 3-5 мкм;

· для повышения выхода годных плат необходимо доведение климатических норм производственных помещений до норм, характерных для производства ПИС средней степени интеграции;

· необходимо внедрение установок напыления, обеспечивающих общую погрешность удельного поверхностного сопротивления для партии подложек не более 5%;

· широкое использование в МСБ пленок хрома, в качестве адгезионного и резистивного слоя, и алюминия, в качестве проводящего слоя, обеспечит снижение трудоемкости, уменьшение сопротивления контактов и уменьшение ширины проводников;

· повышение точности изготовления тонкопленочных элементов достигается применением металлизированных и цветных ФШ;

· минимальная ширина ТПР может составить 3 мкм в случае применения сухого травления резистивной пленки;

· в большинстве случаев ТПР следует конструировать с номинальным значением коэффициента формы, что позволит повысить плотность упаковки, за счет исключения подгоночной части резистора. В качестве подгоночных резисторов можно использовать все рекомендуемые в главе 5 формы ТПР.

В четвертой главе произведена разработка конструктивно-технологических вариантов (КТВ) многоуровневых плат.

В п.4.1 разработано три КТВ многоуровневой платы с полимерной межуровневой (МИ) и защитной (ЗИ). В первом КТВ выводы компонентов присоединяются к КП платы только сваркой (рис. 14), а в третьем только пайкой. Второй КТВ (рис. 14, 15) позволяет установку на плату смешанную комплектацию компонентов с различными способами соединения их выводов. Отличие предлагаемых конструкций от известных технических решений является то, что в качестве МИ и ЗИ применяется термостойкая, толстая (10-30 мкм) пленка органического диэлектрика, что позволяет осуществлять соединение выводов компонентов к КП, расположенным на МИ методами ультразвуковой сварки и пайки, а также исключает проколы изоляции, свойственные тонким пленкам. Новизна предлагаемых решений заключается еще и том, что межуровневые соединения могут осуществляться проволочными перемычками, приваренными ультразвуковой сваркой к КП разных уровней коммутации или путем заполнения припоем отверстий в изоляции, в которых находятся КП разных уровней коммутации.

Рис. 14. Соединения выводов компонентов сваркой в разных уровнях коммутации: 1 - подложка; 2 - КП первого уровня; 3 - МИ; 4 - КП второго уровня; 5 - ЗИ; 6 - окно в изоляции; 7 - выводы ИС.

Рис. 15. Соединение КП разных уровней коммутации припоем: 1 - подложка; 2 - первый уровень коммутации; 3 - МИ; 4 - второй уровень коммутации; 5 - ЗИ; 6 - припой; 7 - вывод ИС.

В п. 4.2 разработаны два КТВ кремниевых плат с двумя и тремя уровнями коммутации: двусторонняя плата с металлизацией переходных отверстий и монтажных поверхностей методом HAL (рис. 16) и плата с тремя уровнями коммутации (рис. 17). Отличие этих плат от известных решений состоит в формировании слоя диэлектрика из диоксида кремния толщиной 4-5 мкм за счет термического окисления кремния и ионно-плазменного напыления диоксида кремния на пластину. Кроме того, на одной или обеих поверхностях плат формируют ТПР. В двусторонней плате при металлизации отверстий методом HAL используется защитный слой из пленки хрома. Отличительными особенностями платы с тремя уровнями коммутации является: формирование общей шины, как на диэлектрики, так и на кремнии; использование общей шины в качестве экрана, а самой платы в качестве несущей конструкции.

Рис. 16. Конструкция кремниевой платы с ТПР: 1 - кремниевая подложка; 2 - оксид кремния; 3, 5 - хром;- 4 - медь; 6- высокотемпературный припой; 7 - резистор; 8 - ЗИ; 9 - низкотемпературный припой; 10 - КП.



Рис. 17. Кремниевая плата с тремя уровнями коммутации: 1 - подложка; 2 - диоксид кремния; 3 - хром; 4 - алюминий; 5, 6, 7 - проводники общей шины на кремнии; 8 - проводник общей шины на диоксиде кремния; 9 - проволочная перемычка.

Достоинством кремниевых коммутационных плат является то, что на них возможна установка как всех основных видов бескорпусных кристаллов и компонентов, так и компонентов в миникорпусах. Количество уровней этих плат может быть доведено до 4-5, путем применения органического диэлектрика в качестве МИ.

Применение кремниевых плат обеспечивает более высокую плотность упаковки МСБ по сравнению с печатными платами при сравнительно низкой их себестоимости. Сравнительный анализ показал, что установка миникорпусов с большим количеством выводов на кремниевую плату более выгодна, чем на печатную, так как при этом существенно уменьшается площадь платы, требуемая для трассировки этих компонентов.

В п. 4.2 разрабатываются способы монтажа многоуровневых плат с подложкой из кремния. Разработан способ монтажа БК с объемными организованными выводами на кремниевую плату. В отличие от известных способов, предлагаемое решение позволяет идеально согласовать по температурному коэффициенту линейного расширения кристалл и плату, а также исключить проблему разновысотности объемных выводов, что существенно улучшает качество и надежность МСБ. Впервые разработаны методы монтажа кремниевой многоуровневой платы: с низкой мощностью рассеяния (Р_уд ? 2 Вт/см²), со средней мощностью рассеяния (2 < Р_уд ? 10 Вт/см²), с большой мощностью рассеяния (10 < Р_уд ? 20 Вт/см²) к основанию МСБ. Разработанные методы обеспечивают: согласование ТКЛР платы и основания, требуемый теплоотвод, вибропрочность, а также минимизацию массогабаритных характеристик МСБ.

В пятой главе проведена разработка методов проектирования тонкопленочной микросборки.

В п. 5.1 показаны особенности применения методов и алгоритмов, рассмотренных в главах 2-4 диссертации, на каждом из этапов проектирования МСБ. Разработан метод выбора номинального сопротивления ТПР при схемотехническом проектировании плат. Для того чтобы оценить площадь, занимаемую ТПР, от величины рассеиваемой в нем мощности экспериментально получены зависимости S = f (P) для ситалловых (рис. 18,а) и поликоровых (рис. 18,б) подложек.

...