22 Лекция №21. Технология изготовления коммутационных плат микросборок
Продолжительность: 2 часа (90 мин.)
22.1 Основные вопросы
- понятие коммутационной платы микросборки;
- получение коммутационных плат тонкопленочной технологией;
- получение коммутационных плат анодированием алюминия;
- получение коммутационных плат толстопленочной технологией;
- коммутационные платы на основе многослойной керамики.
22.2 Текст лекции
22.2.1 Коммутационные платы микросборок – до 15 мин
Коммутационная плата микросборки представляет собой миниатюрный аналог многослойной печатной платы (ПП). На поверхности коммутационных плат монтируются компоненты микросборки — бескорпусные интегральные МС (кристаллы), микроплаты с группой интегральных тонкопленочных резисторов (согласующих входы и выходы ИМС), одиночные объемные миниатюрные конденсаторы (в качестве развязывающих элементов).
Высокая плотность монтажа требует и высокого разрешения коммутационного рисунка. В отличие от ПП его получают по тонкопленочной или по толстопленочной технологиям.
Коммутационные проводники должны находиться на нижних уровнях платы, а на поверхность выходят только монтажные площадки для сварки или пайки выводов (перемычек) компонентов.
В зависимости от материала изолирующих слоев и способа их формирования коммутационные платы можно разделить на четыре типа:
- тонкопленочные платы, полученные осаждением в вакууме;
- тонкопленочные платы, полученные окислением алюминия в электролите (анодированием);
- толстопленочные платы;
- платы на основе многослойной керамики.
22.2.2 Тонкопленочные платы микросборок – до 20 мин
Формирование слоев (уровней) тонкопленочной платы выполняется на общей подложке из электроизолирующего материала (ситалл, поликор и др.) путем повторяющихся циклов осаждение тонкой пленки в вакууме — фотолитография (рис. 22.1).
Рисунок 22.1 – Структура тонкопленочной коммутационной платы микросборки.
Из рисунка 22.1 следует, что осажденный сплошной слой электропроводящего металла (чаще всего алюминия) после фотолитографии превращается в систему проводников, перпендикулярных плоскости чертежа. В этой системе предусматривают расширенные площадки для контактных переходов на следующий уровень. В осажденном затем в вакууме изолирующем слое с помощью фотолитографии получают окна для контактных переходов, и вновь осаждается электропроводящий слой, в котором фотолитографией формируют систему проводников, ортогональных к нижележащим. При этом через окна в изолирующем слое создается контактный переход. Эти циклы повторяются вплоть до последнего, верхнего уровня металлизации, В последнем изолирующем слое вскрываются лишь окна над монтажными площадками (предназначенными для электромонтажа компонентов) и периферийными площадками (для монтажа микросборки в целом в модуле следующего уровня).
С первого же цикла обработки в многоуровневой системе возникает и развивается рельеф, создающий ступеньки в изолирующих и проводящих слоях (на рис. 22.1 отмечены кружками). Эти участки являются потенциальной причиной отказа: пробоя изоляции или разрушения проводника.
22.2.3 Тонкопленочные платы на основе анодированного алюминия – до 20 мин
Сохранение плоскостности покрытий на каждом этапе обработки обеспечивает применение в качестве изолирующих слоев оксида алюминия (А12О3), получаемого путем окисления алюминиевого покрытия в электролите. В зависимости от режимов электролитического окисления (анодирования) можно с малой скоростью роста получить пленку оксида алюминия с высокими электрическими свойствами или ускоренно получить пленку с пониженными электрическими свойствами. В первом случае плотную пленку получают на мягких режимах (малые плотности тока) и используют для изоляции смежных уровней проводников. Во втором случае пористую пленку формируют на форсированных режимах (высокие плотности тока) и используют для изоляции соседних проводников одного уровня, причем снижение пробивной напряженности пленки компенсируется увеличением толщины (точнее — ширины) пленки.
На рис. 22.2 показана последовательность формирования первого цикла обработки. После осаждения на подложку сплошного слоя алюминия 2 на поверхности формируют фотомаску 3, рисунок которой соответствует рисунку промежутков между будущими проводниками. Выполнив на мягких режимах избирательное анодирование алюминия, получают тонкий (около 0,2 мкм) и плотный слой 4 А12О3(рис. 22.2, а).
Рисунок 22.2 – Последовательность формирования коммутационной платы на основе анодированного алюминия.
Далее (рис. 22.2, б) фотомаску удаляют и выполняют анодирование на форсированных режимах на всю толщину пленки 5 (маской при этом служит тонкий плотный слой окисла). Путем фотолитографии (рис. 22.2, в) удаляют участки тонкого окисла, не защищенные фотомаской 6 (для создания контактных переходов) и напыляют (рис. 22.2, г) следующий сплошной слой алюминия 7 (второй уровень металлизации). Затем описанный цикл повторяется.
22.2.4 Толстопленочные платы – до 15 мин
Метод получения похож на получение плат тонкопленочной технологией, но вместо циклов «осаждение тонкой пленки в вакууме — фотолитография» в данном случае используются циклы: «нанесение пасты через трафарет — сушка — вжигание», а подложку заменяют на керамическую.
Для формирования многоуровневой системы используют проводящую и диэлектрическую пасты. Поскольку толщина межслойной изоляции в 2—3 раза превышает толщину проводящего слоя, для получения качественных контактных переходов проводят предварительно одно- или двукратное нанесение проводящей пасты в окна изолирующего слоя по циклу «нанесение пасты через трафарет — сушка» (без вжигания). На заключительном этапе изготовления платы аналогичный прием используют для формирования монтажных площадок, которые впоследствии облуживают лудящей пастой.
В многоуровневых системах вжигание паст в керамику происходит лишь на границе нижнего проводящего и нижнего изолирующего слоев с подложкой. Прочность сцепления последующих слоев друг с другом обеспечивается за счет расплавления в них низкотемпературного стекла и затем отвердения.
22.2.5 Платы на основе многослойной керамики – до 20 мин
В отличие от предыдущих типов плат, все слои которых формируют на общей подложке, в данном случае каждый проводящий слой наносят на собственную индивидуальную подложку из необожженной («сырой») керамики. Впоследствии отдельные листы керамики с проводящим рисунком собирают в пакет.
Исходными заготовками платы являются листы пластичной керамики толщиной 0,1 мм, полученные методом экструзии (выдавливанием пластичной керамической массы через щелевидный фильер). В отдельных листах керамики пробивкой или сверлением получают базовые отверстия, а затем (базируя листы по этим отверстиям) — отверстия под контактные переходы диаметром не менее 0,1мм (рис. 22.3, а). Используя те же базовые отверстия на каждой заготовке, через сетчатый трафарет заполняют отверстия под переходы проводящей пастой, а затем с помощью другого трафарета наносят проводящий рисунок и сушат. Вследствие высоких температур (1400...1700°С) при последующем обжиге керамики не используют высокоэлектропроводные серебряно-палладиевые пасты, используют пасты на основе частиц тугоплавких металлов (вольфрама или молибдена).
Рисунок 22.3 – Коммутационная плата на основе многослойной керамики: а – отдельные керамические подложки с проводящим рисунком, б – плата в сборе.
Затем, используя те же базовые отверстия, отдельные листы собирают в пакет (рис. 22.3, б), подпрессовывают и штамповкой отделяют периферийную часть с базовыми отверстиями. Пакет подвергают высокотемпературной обработке. При этом протекают два параллельных процесса: вжигание проводящего рисунка в керамику и спекание (взаимодиффузия) частиц окислов, из которых состоит керамическая масса. На первой стадии обжига также происходит разложение и удаление пластификатора (технологической связки).
Выходящие на поверхность платы монтажные площадки на основе вольфрама или молибдена не допускают сварки и не смачиваются припоем. Для возможности облуживания таких площадок и последующей их пайки на них предварительно создают слой никеля путем химического осаждения из раствора.