1.2. Требования к диэлектрическим подложкам и выбор материала

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и теплоотводом. Для обеспечения заданных электрических параметров микросхем материал подложки должен обладать:

высоким коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи тепла от тепловыделяющих элементов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу;

высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесенными элементами как в процессе изготовления микросхемы (разделение на платы, термокомпрессия, пайка, установка платы в корпус и т. д.), так и при ее эксплуатации в условиях термоциклирования, термоударов и механических воздействий;

высокой химической инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров пленочных элементов, обусловленной физико-химическими процессами на границе раздела пленка—подложка и проникновением ионов из подложки в пленку;

стойкостью к воздействию высокой температуры в процессах формирования элементов и установки навесных компонентов;

стойкостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок, при электрохимических обработках и химическом осаждении пленок;

способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке).

Материалы подложки и нанесенных на нее пленок должны иметь незначительно различающиеся ТКЛР для обеспечения достаточно малых механических напряжений в пленках, вызывающих их отслаивание и растрескивание при охлаждении подложки после нанесения пленочных элементов.

Для маломощных гибридных микросхем в качестве материала подложек можно применять бесщелочные боросиликатные стекла С41-1 и С48-3, а также ситаллы (стеклокристаллические материалы).

Габаритные размеры подложек стандартизованы (60Х48 мкм). Обычно на стандартной подложке групповым методом изготавливают несколько гибридных микросхем. Деление подложки на части, кратные двум и трем, дает ряд типоразмеров плат, соответствующих размерам посадочных мест в стандартных корпусах для гибридных микросхем. Платой называется часть подложки с расположенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС (гибридной микросхемы). Толщина подложек составляет 0,35...0,5 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1...0,3 мм).

1.3. Обоснование выбора материала и особенности стеклообразного состояния

По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситаллы имеют ряд преимуществ перед стеклами: они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады температуры, обладают высоким электрическим сопротивлением, а по механической прочности в 2...3 раза прочнее стекла. Для мощных микросхем применяют керамику (поликор), а для особо мощных - бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность. Структура материала подложки и состояние ее поверхности оказывают существенное влияние на структуру пленок и характеристики пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как при наличии микронеровностей толщина резистивных и диэлектрических пленок становится неравномерной. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Следовательно, обработка поверхности подложки для тонкопленочных микросхем должна соответствовать 14 классу шероховатости. Толстые пленки имеют толщину 10...50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных микросхем могут иметь микронеровности до 1...2 мкм, что соответствует 8...10 классам шероховатости.

Для обеспечения хорошей адгезии пасты к подложке высота микронеровностей должна быть 50...200 нм.

Керамика имеет значительную шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. Увеличение класса чистоты обработки поверхности глазурованием керамики слоем бесщелочного стекла приводит к значительному уменьшению теплопроводности. Если требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жесткость конструкции, то применяют металлические подложки: алюминиевые, покрытые слоем диэлектрика или эмалированные стальные.

В стеклообразном состоянии могут находиться вещества, принадлежащие к разным классам химических соединений, органических и неорганических. Совершенствование методов получения стекол постоянно расширяет круг этих материалов.

Органические стекла представляют собой органические полимеры —полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом,— находящиеся в стеклообразном состоянии. По своей технологии, механизму твердения и строению органические стекла существенно отличаются от неорганических и составляют особый объект изучения.

Наибольшее применение в электронной технике имеют стекла на основе неорганических соединений. По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, металлические, сульфатные, нитратные, карбонатные и др.

Элементарными называют стекла, состоящие из атомов одного элемента. В стеклообразном состоянии можно получить лишь небольшое число элементов — серу, селен, мышьяк, фосфор и углерод. Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк — методом сублимации в вакууме; фосфор — при нагревании до 250 °С под давлением более 100 МПа; углерод— в результате длительного пиролиза органических смол.

Галогенидными называют стекла, образованные из галогенидов. Среди них наибольшее применение получили стекла на основе стеклообразующего компонента. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария.

Халькогенидными называют стекла, образованные в бескислородных системах типа Аs—Х (где Х—S. Sе, Те), Gе—Аs—Х, Gе—Sb—X, Gе—Р—Х и др. Получение теллуридов в стеклообразном состоянии связано с трудностями, поэтому их используют как дополнительный компонент в комбинации с селенидами и сульфидами.

Оксидные стекла представляют собой обширный класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды. Большая группа оксидов образуют стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов. В этом случае в комбинациях с определенными в двойных и более сложных системах их слабые стеклообразующие свойства резко усиливаются, и они могут служить основой для синтеза самостоятельных классов стекол. Таким образом, по виду стеклообразующего оксида различают классы силикатных, боратных, фосфатных, германатных, теллуритных, алюминатных и другихстекол.

Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10. Изменением состава стекол удается плавно регулировать их свойства в нужном направлении.

Смешанные стекла синтезируют из смесей стеклообразующих соединений различных рассмотренных типов оксидов и галогенидов.

Температурный интервал стеклования. Процессы затвердевания или плавления стекла в отличие от кристаллов происходят постепенно в некотором температурном интервале, т. е. у стекол нет определенной температуры затвердевания или плавления. В процессе стекловарения расплав переходит из жидкого в пластическое состояние и только затем — в твердое. В обратном процессе (размягчение стекла) стекло переходит из твердого в пластическое состояние, а при более высоких температурах — в жидкое. Интервал температур, в котором происходит процесс стеклования или размягчения, называется интервалом стеклования. Он ограничен двумя температурами: 1) температура размягчения со стороны высоких температур; 2) температура стеклования со стороны низких температур. Стекло в зависимости от температурной области может находиться как бы в трех различных состояниях с различными свойствами: вязкожидком, пластичном и в твердом (хрупком). На границе пластичного и жидкого состояния из стекломассы уже удается вытягивать тонкие нити.