Заводян Лабораторный практикум
.pdfвозможностьизбирательноготравления;прочностьнаразрыв,растяжение,изгиб;стойкостьктрению;
минимальныйобъемгазовыделенийввакуумепривысокихтемпературах. Перечисленнымтребованиямнаиболееполноудовлетворяетполиимидная пленка,длякоторойнарядусвысокойпрочностью нарастяжение,хорошими изоляционными свойствами, химической стойкостью, несгораемостью характеренрядсвойств,которыеделаютеенезаменимойвпроизводствахКП, связанныхсвакуумным осаждением пленокипроцессамитравления.Это, преждевсего,наиболеевысокаясредиполимеровтемпературнаяустойчивость (пленканетеряетгибкостипритемпературахжидкогоазотаи,втожевремя, выдерживаеттемпературыдо673К),отсутствиесущественныхгазовыделенийв вакууме до температур 473-523 К,высокая радиационная устойчивость и
способностькоднородномутравлениювсильныхщелочныхсредах. Полиимиднаяпленкаотноситсякклассулинейныхполимеров. Промышленный полиимид получают двухстадийной поликонденсацией
ангидридов ароматической четыреэоосновной карбоновой кислоты и ароматическихдиаминов,в результатекоторой образуетсяпромежуточный продуктвысокомолекулярнаялинейнаяполиамидокислота.Этакислотазатем обезвоживается в определенных условиях,при этом внутри ее молекул происходитциклогидратацияиполучаютсялинейныеполимерныеимиды.В зависимостиотзадаваемойстепенициклизации,полиимидныепленкиимеют различныеэлектрофизические,химические,механическиеидр.характеристики, например,растворимостьвщелочныхрастворах,усадкупритермообработках, пластичность,удельноеэлектрическоесопротивлениеит.д.,чтопозволяет использовать их в разнообразных областях промышленности. В промышленностиприменяетсяполиимиднаяпленкамаркиПМтолщиной30-120 мкм.Онанерастворяетсяниводномрастворителе,атакжевкислотах,номенее устойчива в щелочных растворах,поэтому при формировании рисунка коммутациинаееповерхности,либорисункадляполучениявнейотверстий применяютнегативныйфоторезист.
Основныехарактеристикиполиимиднойпленки
Плотность,г/см31,42
Удельноеэлектрическоесопротивление,Омсм31017(25°С)
фф1012(250°С)
Диэлектрическаяпроницаемость3,5 Электрическаяпрочность,кВ/мм100-200 Температураплавления,С800 Теплоустойчивость,С420 Морозостойкость,С190
Коэффициенттемпературноголинейногорасширения,1/град.210-5 Срокслужбы,лет10(200°С)
Для придания полиимидной пленкехорошихадгезионныхсвойств по отношению к материалам коммутации,обычно проводят обработку ее поверхностивтлеющем разряде(такназываемую "активацию"поверхности пленки),а перед проведением этого процесса,как правило,производят химическую очистку пленки в щелочных травителях и ее промывку
131
деионизованнойводой.Присильном термическом воздействии(температура более200°С)плотность,интенсивностьокраскиивязкостьполиимиднойпленки увеличиваются,поэтомуважноправильноподбиратьтехнологическиережимы наоперациях,связанныхснагревомпленки.
Предварительнаякратковременнаятермообработкаполиимиднойпленки позволяет свести к минимуму ее усадку.Следует отметить также,что полиимидная пленка чувствительна к влаге,которая в частности может изменятьлинейныеразмерыпленки.
Использование полиимидной пленки в качестве несущего основания (кроваткиилиложа)длянавесныхкомпонентов(например,полупроводниковых БИС,тоестькристаллов)позволяетсоздатьновую(полукорпусированную,либо в микрокорпусе) конструкцию навесного компонента (так называемого кристаллодержателянагибком носителе)длявысокоплотногомонтажана поверхностиплаты.Такаяконструкциякомпонентаявляетсяпромежуточным вариантом между бескорпусным кристаллом (занимающим минимальную площадьнаплате,носоздающим трудностиавтоматизации(насреднем и высоком уровне сборочно-монтажных операций) и традиционной корпусированной БИС,занимающей гораздо большую,чем бескорпусной кристалл,площадьнаплате.Упрощениеавтоматизациисборочно-монтажных работ при изготовлении ФЯ (или законченных изделий)с применением кристаллодержателей возможно благодаря прецизионной организации для кристаллавыводовнагибкойпленке,чтопозволяетреализоватьгрупповую технологиюмикроконтактированиякомпонентовназнакоместахплаты.
Кнедостаткамполиимидныхпленокможноотнести:несколькоповышенноеводопоглощение;относительно высокая стоимость самой пленки,которая не столь
существеннадляМЭАввидумалоймассыпотребляемогоматериала.
Многослойнаякоммутацияиееособенности
Развитиетонкопленочнойтехнологиипозволилосоздатьмногослойную коммутацию на соединительныхплатахи МПКП,что оказалось особенно эффективнымприпримененииполиимиднойпленкивкачествематериала(рис. 1).
Многослойная коммутация на основе полиимидной пленки позволяет реализоватьвысокую плотностьрисунка более5линий/мм,аплотность упаковкиЭВСувеличитьв5-20раз(см.табл.1).
Особенностямимногослойнойкоммутациинаосновеполиимиднойпленки являетсягибкостьтехнологическогопроцесса,универсальностьпримененияв самыхразличныхконструкциях,отсутствиенеобходимостивэлектрической проверке цепей коммутации (необходимые параметры гарантируются с помощьюстатистическогорегулированияуровнятехнологическогопроцессаи методоввизуальногоконтроля).Крометого,непосредственнонаполиимидную пленкускоммутирующейразводкой,можномонтироватьбескорпусныеИСс любымивыводами.Наосноветакихмногослойныхплатвозможносоздание гибридныхБИС,конструктивноифункциональнооптимальныхитехнологически совместимыхсматериаламикоммутацииячееквблокеЭВС,выполненного также на полиимидной пленке.При этом обеспечивается эффективное проектированиетопологиисхеммашиннымиметодамиспомощьюЭВМ.
Соединениеячеекиблоков,изготовленныхсприменениеммногослойных платнаосновеполиимиднойпленки,производитсяспомощьюмногослойных
132
шлейфов(гибкихплоскихкабелей)наполиимиднойпленке.Технологический процесс изготовления таких шлейфов аналогичен технологии получения многослойнойразводки.
ЖесткимоснованиемдляполиимиднойпленкиприсозданииМПКПслужит механическипрочная,схорошимтеплоотводомпластинаалюминиевогосплава, накоторойметодом глубокогоанодногоокислениясформированслойAl2O3 толщиной50мкм.
Межслойные коммутационные соединения такой многослойной платы осуществляется способом групповой пайки. Для межслойной изоляции применяютполиимидныепрокладкисотверстиямивместахосуществления межслойныхкоммутационныхсоединений.
Следуетотметить,чтоприменениетакихмногослойныхплатпозволяет автоматизироватьпроизводствоЭВСиповыситьихнадежностьнеменее,чемв
100раз.
Среди многообразия конструкторско-технологических вариантов реализацииФЯсвысокоплотным монтажом перспективным являетсятакже формированиемногослойнойкоммутационнойплатысполиимиднойизоляцией наметаллическойподложкеметодомпослойногонаращиванияслоевразводки, чередуемыхсдиэлектрическимислоями.Приэтомвари-
Рис.1,а.Полиимиднаяпленка.
Рис.1,в.Двухстороннее экспонирование.
Рис.1,г.Получениерисункав фоторезистесдвухсторони формированиесквозныхотверстийв полиимиднойпленке.
Рис.1,б.Двухстороннеенанесение фоторезиста.
133
Рис.1,д.Удалениефоторезистаи созданиеметаллизациинавсей поверхностиполиимиднойпленки(Cr -Cu-Cr)
Рис.1,е.Двухстороннеенанесение фоторезистанаповерхность металлизацииисозданиевнем
рисункакоммутациисхем.
Рис.1,ж.УдалениеCrичастичное удалениеCrвместах,незащищенных фоторезистом,атакжепоследующие гальваническиенаращиванияCuи SnBiвэтихжеместахсобеихсторон пленки.
Рис.1,з.Последовательное селективноестравливаниеслоевCr- Cu-Crвместах,которыезащищались фоторезистомпригальваническом наращиванииCu-SnBi.
134
Окончаниерис.1
гибкойплатыизполиимидныхпленок, имеющихдвухслойнуюкоммутациюис использованиемполиимидныхпленокбез коммутациивкачествепрокладокмежду слоями,атакжевакуумнойпайки.
Рис.1,и.Удалениефоторезистасдвух сторон.
Рис.1,л.Сборочныеимонтажные операциинамногослойнойгибкойплате, установленнойнажесткоеоснование.
Рис.1,к.Формированиечетырехслойное Условныеобозначениякрис.1
Обозначение |
Наименование |
|
Навеснойкомпонент(БИС) |
||
материала |
материала |
|
|
||
|
|
|
Полиимидная |
|
Фоторезист |
|
|
|
|
||
|
|
|
пленка |
|
(негативный) |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фотошаблон |
|
Верхнийслой |
|
|
|
|
коммутации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Структура |
|
Жесткоеоснованиедля |
|
|
|
|
теплоотводаиобеспечения |
|
|
|
|
МПКП |
|
|
|
|
|
|
жесткойконструкции |
|
|
|
|
|
|
|
П–полиимиднаяпрокладка |
|
ПрипойПОС-61 |
|||
К–клей |
|
|
|||
|
|
|
|||
анте на металлическую подложку наносится методом центрифугирования полиимидный лак типа АД-9103 споследующей его высокотемпературной имидизацией при температуре 270°С в три этапа.Создание коммутации осуществляется по тонкопленочной технологии,а межслойная изоляция
135
формируетсянанесениемполиимидноголакаспоследующимотверждениеми получением с помощью химического,либо плазмохимического травления отверстийдлямежслойныхпереходов.Такимобразом,послойнымнанесением чередующихсяслоевметаллаидиэлектрикасоздаютмногослойнуюструктуру коммутацииплаты(см.
рис1).
ТехнологическийпроцессизготовленияКПнаполиимиднойосновес
двухстороннейразводкойдляМСБ
Простаясхемаизготовлениядвухуровневойкоммутациинаполиимидной пленкеизображенанарис.2.Последвустороннегофототравлениязаодинцикл фотолитографии формируются отверстия диаметром 20-30 мкм на пленке толщиной 25 мкм и диаметром 50-70 мкм на пленке толщиной 50 мкм. Количествоотверстийдостигаетнесколькотысячнаплощадке60х48мми несколькихдесятковтысячнаплощадке100х100и150х150мм.
Характерно,чтопридвустороннемфототравленииполиимидадостигается благоприятнаядлявакуумнойметаллизацииконусообразнаяформаотверстий,а "проколы"впленкефоторезистаневызываютпоявления"лишних"отверстий.
Вакуумная металлизация,в данном случае магнетронного напыления, позволяет достигнуть большей равномерности по толщине, улучшить воспроизводимостьиадгезию.Послеизбирательногоусиленияметаллизации слоем гальванической меди споследующей защитой коррозионно-стойким сплавомтипаолово-висмут,двусторонняякоммутацияобладаетисключительно высокойнадежностьюместпересеченияиместпереходов.
Рассмотренный технологический процесс изготовления двусторонних гибкихплатнаполиимиднойпленкиссистемойметаллизированныхотверстий включает ряд операций,активно воздействующих на материал гибкого основанияитем самым определяющихповедениематериалаоснованияв процессе изготовления и эксплуатации плат,а также базовый маршрут производстваввидеопределенной,вполнеобоснованнойпоследовательности технологическихиконтрольныхопераций.Исходяизэтого,можновыявить основнойкругвопросов,определяющихтехнологию изготовленияикачество двухуровневойкоммутациинаполиимиднойпленке:
созданиепредварительнойметаллизации(магнетронноенапылениев вакууме),обеспечивающейнеобходимую силусцепленияслоевкоммутациии основанияизполиимида;
136
137
совмещение рисунка коммутации на обеих сторонах подложки с переходными отверстиями с учетом усадки,присущей всем полимерным материалам;
равномерное травление материала основания (полиимида)КП для получениянеобходимойформы переходныхотверстийиоконподбалочные выводыдлякристаллодержателя;
формированиерисункасхемывпроводящемслоенагибкойподложке;избирательное гальваническое наращивание металлизации для
обеспечения надежного электрического соединения в местах переходных отверстиймеждукоммутационнымиэлементаминаразныхуровняхисоздания условий для присоединения выводов от кристаллов БИС к контактным площадкамплаты.
ОсновныеэтапыпроцессаизготовленияМПКП
Подготовкаоснованийплаты (заготовокилиподложек)изполиимидной пленки,котораяпроводитсясцелью удалениязагрязнений споверхности полиимиднойпленкииобеспеченияадгезиикматериалам,наносимымнаее поверхностьнапоследующихэтапах.
Приэтом:подложкиобрабатываютвхромовойсмесипритемпературе72-75°Си
длительности8±2секунды;затемподложкиопускаютвпромывочнуюванну-накопительна20минут;после чего помещаютв центрифугу,затем обрабатываютазотом в
течениеодногочасаприТ=250°С.
Последнюю операцию можно проводить непосредственно перед нанесениемфоторезиста.
Фотолитография с целью формирования сквозных отверстий в полиимиднойпленке,чтобывдальнейшемсоздатьсихпомощьюмежслойные соединения.Этотэтапначинаютснанесенияисушкифоторезиста.
Приэтомиспользуютследующееоборудованиеиматериалы:шкафвытяжной;установкафоторезистивная;термостат;электрошкафсушильный;камераобеспыливания;вискозиметр;ФН-11С(фоторезистнегативный);водадеионизированная;воздухсжатый;ксилолнефтяноймаркиА;азотгазообразный.
Причем,передвыполнениемфотолитографииобязательноконтролируется вязкостьфоторезиста.Времяцентрифугированиянеболее1мин.
Подсушивание фоторезиста выполняется с целью удаления из него остатковрастворителяиобеспечениядостаточнойтвердостипридальнейшем контактированиисфотошаблоном,причем фоторезистнаносятпоочереднос подсушкойсдвухсторонподложки.Затемследуетдвухстороннеесовмещениеи экспонированиесиспользованиемоборудования:
установкисовмещения-экспонированиятипаМ-565;устройствадляэкспонирования;микроскопа;люксметрафотоэлектрического.
Освещенность при экспонировании должна быть 3000 люкс,время экспонирования1,5мин.Времяпроявлениярисункавфоторезисте4,5мин.
Травлениеполиимиднойпленкиосуществляетсясцельюсозданиявней отверстийразногоназначения(см.табл.2),приэтомпленкатравитсявместах, незащищенныхфоторезистом.
Выборвременитравлениядляразныхмарокполиимиднойпленкисцелью получениявнейразличныхотверстийпредставленвтабл.2.
|
|
|
Таблица2 |
Выборвременитравленияполиимидныхпленок |
|||
|
|
|
|
Назначение |
Времятравления(с) |
Времятравления(с) |
Времятравления(с) |
операций |
|
|
|
травления |
ПИ-40 |
ПМ |
KAPTON-2000H |
|
|
|
|
Травление |
|
|
|
переходных |
55±15 |
55±20 |
30±10 |
отверстий |
|
|
|
Травление |
|
|
|
отверстийв |
|
|
|
неметаллизир |
40±15 |
25±5 |
15±5 |
о-ванных |
|
|
|
прокладках |
|
|
|
|
|
|
|
Травление |
|
|
|
заготовокдля |
15±5 |
15±5 |
8±1 |
прокладок |
|
|
|
|
|
|
|
Дляреализацииэтогопроцессаподложкипомещаютвтравительпри Т=110±5°С.ЗатемвванночкисдеионизированнойводойприТ=70±10°Сипотомпри Т=40±2°Свтечение30±10сек.длякаждойпромывки.
Окончаниетравленияопределяетсяпоизменениюцветавзонетравления:от желтого(цветаполиимида)дометаллического.
Черезопределенный промежуток времени цветстановится фиолетовокрасным.
Завершающаяоперацияфотолитографии -удалениефоторезистас неметаллическихподложек.Дляэтогонагреваютводудо90±10°Сипомещаютв нее подложки на 10-15 минут. Отслаивающуюся пленку фоторезиста захватываютпинцетом иудаляютеесподложки.Обычноводном объеме содержится до 50 подложек.После этого следует промывка подложек в деионизованнойводевтечение60сек.
Далеемеждуподложками,извлеченнымиизпромывочнойсреды, прокладываютфильтрыдляихпросушивания.
Дляформированияструктурыметаллизациинаподложкемагнетронным напылениемввакуумеиспользуютследующиеоборудованиеиматериалы:
установкавакуумная;камерапылезащитная;колпачноеустройство;
139
испарительдляхрома;хромэлектролитический;медьбескислородная.
Для обеспечения адгезии к напыляемым материалам полиимидную подложку перед напылением обрабатывают в тлеющем разряде при следующих
режимах:остаточноедавление10ммрт.ст.(1,33кПа),величинатокатлеющего разрядасоставляет140-160мА,времяобработки 10-15минут.Далеенапыляют структуруCr-Cu-Crспредварительнойоткачкойрабочейсредыдодавления210 ммрт.ст.
Величинасопротивленияпленкихрома,которую необходимонапылить, определяетсякак
,где:
полноесопротивлениепленки,которуюнеобходимонапылить,Ом;
удельноеповторноесопротивлениенапыляемойпленкиОм/□;
числоквадратов. Толщинанапыляемыхпленокрегламентируетсявеличиной
ирежимом
напыления,указываемомвтехнологическойдокументации. Первыйнапыляемыйтонкийслойхромаслужитадгезионным подслоем
меди.Слой хрома,напыляемый после меди служит защитой меди от окислительныхпроцессов.
Термообработканапыленнойструктурыпроводитсясцельюстабилизации ее электрофизических параметров и осуществляется при температуре Т=195±10°Свтечение20±5сек.
Фотолитографиядлясозданиязащитногорельефапередгальваническим доращиваниемметаллизациипроводитсявпоследовательности,описаннойв пунктедооперациитравления,приэтомрежимыприформированиимаскииз фоторезистаотличаются,т.к.маскафоторезистадолжнавыдерживатьжидкие агрессивныетехнологическиесредынапоследующихоперациях.
Для травления верхнего слоя хрома в местах, незащищенных фоторезистом,используютследующиематериалы:
деионизированнаяводамаркиА;азот;сжатыйвоздух;травительдляхрома.
ТравлениеосуществляетсявемкостиприТ=60±10°Cвтечениенеболее25 сек.Затемподложкупромываютвдеионизированнойводевтечение15сек.ив протокеводы втечение20сек.Послечегоследуетпросушкаподложекс помощью фильтров. Завершающей операцией фотолитографии является проверка качества травления под микроскопом с двух сторон подложки. Величинаподтравахромаподфоторезист неболее15мкмнасторону.
Подготовка подложек перед гальваническим доращиванием металлизациисостоитвобезжириванииихповерхности,длячегоиспользуются следующиематериалы:
раствордляобезжиривания;водапитьевая;водадеионизированнаямаркиБ.
Обезжириваниепроводятвспециальнойустановкевпоследовательности:выдерживаютплатувгорячейводеприТ=40-50°Свтечение1-2минут.помещаютподструюдеионизованнойводына1-2минуты.
140