Физико-химические основы технологии электронных средств

291

эмалью, алюминия и его сплавов, железа и др.), а также объединение технологий (толсто-, тонкопленочной и др.) приведут к резкому снижению стоимости ПП.

Применение металлических оснований вместо органических материалов значительно упростит утилизацию отходов, бракованных и вышедших из строя ПП, при этом улучшается экологическая обстановка при производстве и эксплуатации ПП.

Однако накопленный к настоящему времени опыт создания и применения металлических подложек свидетельствует о наличии нерешенных проблем и отсутствии оптимального решения. Поэтому актуальным является анализ преимуществ и недостатков металлических подложек, рассмотрение конструктивных и технологических возможностей, выбор перспективных направлений.

13.8.8. МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ ОСНОВАНИЙ ППМ

Существует несколько разновидностей подложек с металлическим основанием, отличающихся структурой, способом изоляции, технологией формования схемных коммуникаций. Основание может быть изолировано от медной фольги неорганическим материалом (эмалью) или полимерным материалом (слоем эпоксидной смолы). Изолирующее покрытие можно создавать методом электроосаждения, напыления псевдоожиженного слоя или с помощью органического связующего.

При формовании рисунка схемы применяют субтрактивный, аддитивный и полуаддитивный методы.

Втаблице 23 даны основные виды ППМ.

Вновой конструкции подложек IMST используется эпоксидная смола с неорганическим наполнителем высокой теплопроводности. По сравнению с обычными в ППМ, изготовленных обычным субтрактивным методом, используют органическое связующее для прикатывания медной фольги к поверхности металлического основания.

293

Для изготовления металлического основания применяют алюминий, кремнистую сталь, железо и другие металлы. Толщина основания варьируется от 0,2 до 5 мм. Алюминий характеризуется большим коэффициентом теплопроводности и используется для обеспечения высокой теплоизлучающей способности. Его достоинствами являются также легкость и невысокая стоимость. Толщина основания, как правило, 1-2 мм. Кроме того, алюминий отличается высокой пластичностью, что позволяет проводить операции изгиба и формования подложек. В этих случаях толщина оснований составляет 0,5-1 мм. В качестве материала для оснований при монтаже электродвигателей используют кремнистую сталь. Поскольку она подвергается коррозии, то изоляционное покрытие наносят на обе стороны поверхности основания. Толщина основания может доходить до 1 мм, но чаще составляет 0,5 мм. Железо также используют при необходимости монтажа электродвигателей, и поскольку оно так же, как и кремнистая сталь, может разрушаться в результате коррозии, то обе стороны поверхности основания покрывают оловом, цинком или алюминием. Наносят покрытие методами расплавления или металлизации. Толщина оснований из железа вследствие большой удельной массы материала в большинстве случаев составляет 0,5-1,2 мм.

В аппаратуре специального назначения в качестве материала оснований могут использоваться другие материалы: сплавы алюминия, латунь, фосфористая бронза и др.

Изоляционный слой обычно изготавливают из стеклоткани с эпоксидным наполнителем (препрег). Толщина стеклоткани варьируется от 0,05-0,2 мм, но в большинстве случаев равна 0,1 мм. В качестве наполнителя, как правило, используют эпоксидную смолу. Для обеспечения повышенной термостойкости применяют смолу, соответствующую подложкам с маркой NEMAFR3-5, и полиамидную смолу. Хорошую адгезию препрега к металлическому основанию и повышенную термостойкость подложек получают в результате механической или химической обработки поверхности основания. Склеивание такого основания препрега и фольги выполняют на прессах, оборудованных стальными плитами для подогрева.

Препрег изготавливают путем погружения стеклоткани в лак на основе эпоксидной смолы и сушки пропитанной этим лаком стеклоткани. Способ получения подложек методом термокомпрессии запатентован.

При использовании полимерной пленки на обе стороны поверхности термостойкой пленки, например из полиамидной смолы, наносят адгезивный материал. Затем эту заготовку сушат и, применяя пленку с адгезивным материалом в качестве склеивающей прокладки, прессуют подложки, представляющие собой фольгированные медью металлические основания, методом термокомпрессии аналогично получению препрега. Такую изоляцию используют, если необходимо получить высокое допустимое напряжение пробоя. Если изоляция между металлическим основанием и

294

медной фольгой обеспечивается только с помощью смолы, медную фольгу покрывают специальным адгезивным материалом, совмещают с металлическим основанием и склеивают методом термокомпрессии. Этот вариант используют, когда производят изгиб или формование подложек. В качестве основы для коммутационного слоя, как правило, применяют медную фольгу, полученную электролитическим осаждением. При проведении операций изгиба и формования подложек используют фольгу, наготовленную прокаткой. Таким образом, основания ПП на металлических пластинах структурно представляют собой единство трех слоев — металлической пластины, изоляционного слоя и медной фольги.

Взависимости от материала основания, изоляционного слоя и способа получения фольги существуют марки подложек, предназначенные для плоских конструкций, и подложек, используемых при операциях изгиба и формования.

Вкачестве примера рассмотрим конструкции, наиболее часто применяемые в качестве подложек.

Вметаллических подложках с изоляционным основанием алюминиевая заготовка покрыта с обеих сторон анодным окислом алюминия (рис. 49). С одной стороны нанесен слой медной фольги поверх изолирующей прослойки из эпоксидной смолы.

Вновой конструкции подложек IMST используется эпоксидная смола с неорганическим наполнителем высокой теплопроводности. По сравнению с обычными подложками, которые имеют тепловое сопротивление 2,2 К/Вт, у новой конструкции оно составляет всего 1,7 К/Вт, поэтому размер схемы можно уменьшить на 30%. Кроме того, анодная оксидная пленка является твердой и защищает алюминий от механического повреждения в процессе изготовления. Для уплотнения пленки используют погружение в горячую воду при 370 К на 6 мин, известное как метод полууплотнения. Это является эффективным способом сведения к минимуму образования трещин в пленке, вызываемых тепловым скачком при 473 К и во время пайки, а также обеспечивает коррозийную стойкость.

Более широкое распространение получили алюминиевые подложки типа ШТТ, разработанные компанией The Electrochimical-Industrial Co., Ltd.

296

достаточной химической устойчивостью, теплостойкостью, совместимостью с припоем и хорошими изоляционными свойствами.

Рис. 50

Конструкция многослойной печатной платы фирмы NTT:

1 — медное покрытие; 2 — алюминиевая фольга (толщиной 0,1 мм); 3 , 4 — анодный оксид на поверхности алюминиевой фольги (толщиной 45 или 15 мкм); 5 — алюминиевая подложка (толщиной 1,0 мм); 6 — адгезив (толщиной 2,5 мкм); 7 — электроосажденная смола (100-150 мкм).

Рис. 51 Двусторонняя печатная плата:

а — конструкция: 1 — медная фольга, 2 — изолирующий слой, 3 — алюминиевая фольга; б — технологическая последовательность изготовления.

297

Технология изготовления платы состоит из трех основных этапов изготовления металлического основания, создания коммутационной схемы и их соединения. В качестве металлического основания используется стальная или алюминиевая пластина, в которой пробивают отверстия. Затем пластина подвергается механической обработке для удаления заусенцев и покрывается изолирующим слоем, включая стенки отверстий. Схему проводников изготавливают отдельно, для чего используют тонкую (125 мкм) пленку диэлектрика— стеклоэпоксид или полиамид, на которую наносят медную фольгу. Блок из шести заготовок (слоев фольгированного диэлектрика), сложенный для механической обработки, сверлят, затем на каждой заготовке травлением формируют проводящий рисунок. Готовую проверенную схему покрывают защитной пленкой. Заключительная операция изготовления плат

— напрессовка коммутационной схемы на металлическое основание. В валковой установке на поверхность металлической заготовки наносят анаэробный клей. Схему накладывают на основание и добиваются точного совмещения по отверстиям. Затем собранную плату закладывают в пресс, где клей отверждается при 469 К.

Более современным является метод, разработанный фирмой Nippon Miktron Ltd. К алюминиевой фольге толщиной 50 мкм приклеивают слой медной фольги с помощью адгезива. Травлением формируют рисунок металлизации. Алюминиевая фольга обеспечивает высокое постоянство геометрических размеров, что позволяет изготавливать разводку с высокой степенью интеграции (порядка 10-20 линий). Фирма Exacta разработала два варианта слоистых подложек (А и В), названных Chipstarte, специально для напайки безвыводных компонентов непосредственно на поверхность платы.

298

Новый эластомерный материал, из которого изготовлен верхний слой, полностью устраняет повреждения.

Эластомеры (полиамиды, эпоксидные смолы, смеси нитрилового каучука с фенольными смолами) являются диэлектриками, широко применяемыми в промышленности, имеют сравнительно низкую диэлектрическую проницаемость (2-5). Процесс изготовления плат с эластомерными покрытиями схож с процессом изготовления обычных ПП, и переход промышленности на выпуск плат с эластомерным покрытием не вызывает серьезных трудностей.

Конструкция плат Chipstarte с межсоединениями гибкая, и поэтому для придания ей необходимой механической прочности, а также для обеспечения теплоотвода платы приваривают к несущим конструкциям из алюминия, AI2O3керамики или стеклоэпоксида. Однако из-за гибкости подложки эти платы имеют ограниченные размеры. Еще одним недостатком является то, что процесс последовательного изготовления отдельных слоев межсоединений в виде структур из полимера и проводников является весьма трудоемким. При работе схемы возникает повышенная емкостная нагрузка вследствие малых промежутков (0,05 мм) между слоями сигнальных проводников. Подложки Multiwireu Microware имеют металлическое основание с нанесенным на него полимером, в который по заранее заданному рисунку запрессованы изолированные проводники. Затем подложку подвергают термообработке при умеренной температуре от 433 до 473 К. При этом в нанесенном полимере образуются перекрестные связи. Эти подложки имеют хорошие тепловые свойства потому, что участком с наибольшим тепловым сопротивлением является изоляция проводников, образующих матрицу межсоединений.

Примером новейших разработок ПП на металлическом основании являются разработанные фирмой Toshiba Corp. толстопленочные полимерные подложки с металлическим основанием, на которые методом шелкографии наслаивают изоляционную резистивную и проводящую пасты и формируют толстопленочную схему полимерного типа.

Однако до тех пор, пока полимерные толстые пленки не станут способными к пайке, они не составят серьезную альтернативу меди с гальваническим покрытием. Кроме того, вызывает сомнение температурная устойчивость РТГ-резисторов, пока нет пасты для них, которая могла бы сохранить стабильно ТКС.

13.8.9. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРООТВЕРСТИЙ

В промышленности применяют четыре основных способа формирования микроотверстий:

фотолитография — отверстия получают воздействием раствора проявителя на диэлектрик;

299

плазма — отверстия получают травлением медной фольги и последующим вскрытием диэлектрика (воздействием плазмы);

механическим способом — отверстия получают механическим сверлением или воздействием пемзы;

с применением лазера — отверстия получают удалением меди и диэлектрика путем их разложения под действием лазерного луча; после получения отверстий производится обычная химическая и электрохимическая металлизация стенок глухих отверстий для осуществления проводящего соединения между слоями.

Ограничения технологии электрохимической металлизации микропереходов:

отношение толщины слоя диэлектрика к диаметру отверстия микроперехода должно быть не более 1:1;

прямая металлизация дает хорошие результаты при металлизации глухих микропереходов, обеспечивая хорошую адгезию, полное покрытие, однородность осаждения.

Микропереходы в наружных слоях МПП могут быть реализованы в обычном производстве. При введении технологии микропереходов в текущую технологию МПП производители должны выбирать методы, которые обеспечат минимизацию капитальных затрат и людских ресурсов.

Основным направлением технологии высокоплотных соединений с помощью микропереходов является технология послойного наращивания перераспределительных слоев — наружных слоев, в которых располагаются проводники, соединяющие выводы микросхем с монтажными контактными площадками для подключения, — с внутренними слоями проводников ПП.

Технология микропереходов на основе фотообрабатываемого диэлектрика требует значительных инвестиций в оборудование, существенного улучшения контроля фотошаблонов и проявления изображения. Кроме того, аддитивные процессы металлизации являются источниками трудностей получения адгезии.

Толстые слои фотодиэлектрика эффективней получать с помощью сухого пленочного фотодиэлектрика, так как растворитель из него уже удален производителем этого материала на стадии производства. Поэтому отсутствуют процессы усадки его при ламинировании на подложку.

Жидкий диэлектрик за одно покрытие наносится толщиной 20-30 мкм (в зависимости от метода нанесения). С помощью сухого пленочного диэлектрика с одного прохода достигается толщина 25-65 мкм с высокой равномерностью толщины.

Пленочный диэлектрик наносится одновременно на обе стороны заготовки, жидкий диэлектрик наносится поочередно на каждую сторону, и обычно для получения нужной толщины требуется несколько проходов.

Сухой пленочный диэлектрик не содержит пузырьков и проколов, это исключает появление непредусмотренных микропереходов. В жидком

300

диэлектрике из-за несовершенных условий производства обычно имеются пузыри, отверстия, пыль и другие загрязнения. Сухая пленка защищена от проколов и царапин специальной пленкой, которая в дальнейшем отслаивается. Нанесенный жидкий диэлектрик специально ничем не защищается. Сухой пленочный диэлектрик обеспечивает высокую степень планаризации, что дает высокий процент выхода годных.

ОБРАБОТКА ФОТОДИЭЛЕКТРИКА

Проявление (травление) фотодиэлектрика производится в воднощелочном растворе.

Используется типовое оборудование для выполнения следующих операций:

подготовка поверхности — химическая плюс оксидирование или химпассивирование;

вакуумное ламинирование — 62°C/60 с; экспонирование — 800 мДж;

термообработка после экспонирования — 20 мин при 105°C; проявление (травление) — водное, на основе NaOH; полимеризация — 2 Дж ультрафиолета плюс 1 ч при 145°C.

Широкое применение фоточувствительного диэлектрика для формования микроотверстий сдерживается малым процентом выхода годных отверстий из-за неоднородности толщины диэлектрика, надежности экспонирования и травления, плохой адгезии меди.

Для плазменного формования микроотверстий обычные плазменные установки, используемые для очистки от замазывания или для обратного травления стенок отверстий, применить невозможно. Требуются специально разработанные для этих целей установки.

Применяют несколько типов лазеров для формирования микроотверстий, такие как эксимерный УФ-лазер, Nd-YaG-лазер и СО2- лазер. Энергия лазерного луча оптически концентрируется в очень узкий луч для формирования малых отверстий. Эксимерный лазер с короткой волной может производить чистые отверстия с вертикальной стенкой во многих подложках — керамике, стекле и в полимерах. Nd-YaG-лазер используется для сверления металла, в том числе меди, стали и полимеров. СО2-лазер хорошо сверлит полимеры, работает с длиной волны 10,591 мкм.

Диэлектрический материал должен поглощать достаточное количество световой энергии, чтобы разогреться для испарения. Вместе с этим диэлектрик должен быть достаточно прозрачным, чтобы луч мог проникать сквозь него и формировать отверстие без загрязнений. Практически требуется не менее двух импульсов для сверления отверстия диаметром 50 мкм в слое смолы толщиной 50 мкм.

Преимущества лазерного сверления отверстий:

можно делать отверстия в любом месте в соответствии с программой; можно делать отверстия различной требуемой глубины;