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 10б Гц и резко снижается в гигагерцевом диапазоне, ТКЛР 8-Ю"6 К"1, плотность - 4 г/см3.
Получение сапфира сопряжено с большими затратами энергии (Тпл = 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/К 20-300°С-6,8
20 - 600 °С - 7,3 20 - 1000 °С - 8,0
9. Диэлектрическая константа
1 МГц-9,8 10%
1ГГц- 10,0 10%
ю. 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-10П
200°С-1012 600°С-108