4.7 Коммутационные платы

Коммутационная плата представляет собой миниатюрный аналог многослойной печатной платы. На поверхности коммутационных плат монтируются компоненты микросборки — бескорпусные интегральные микросхемы (кристаллы), микроплаты с группой интегральных тонкоплёночных резисторов, одиночные объемные миниатюрные компоненты (конденсаторы, резисторы, моточные и иные изделия). Высокая плотность монтажа требует и высокого разрешения коммутационного рисунка. Проводные соединения коммутационных плат получают путем осаждения тонких пленок в вакууме с последующей фотолитографией или с использованием толстопленочной технологии. Коммутационные проводники размещаются на нижних уровнях платы, а на её поверхность выводятся только монтажные площадки для сварки или пайки выводов (перемычек) компонентов.

В зависимости от материала изолирующих слоев и способа их формирования коммутационные платы подразделяются на следующие типы:

• тонкопленочные с использованием осаждения в вакууме;

• тонкопленочные с использованием окисления алюминия в электролите (анодирование);

• толстопленочные;

• на основе многослойной керамики;

• на основе полимидной плёнки.

Слои (уровни) тонкопленочной платы формируются, как показано на рисунке 4.18, на общей подложке из электроизолирующего материала (ситалл, поликор и др.) путем повторяющихся циклов «осаждения тонкой пленки в вакууме — фотолитография». Осажденные сплошные чередующиеся слои электропроводящего металла (чаще всего алюминия) после фотолитографии превращаются в систему проводников, разделённых диэлектрическими слоями на несколько уровней. В этой системе предусматриваются расширенные площадки для контактных переходов между уровнями металлизации через окна в осаждённом диэлектрическом слое.

Проводники в смежных уровнях металлизации формируются во взаимно ортогональных направлениях. Через окна в изолирующем слое в предусмотренных местах создаются контактные переходы между проводниками разных уровней. В последнем изолирующем слое вскрываются лишь окна над монтажными площадками:

• площадками для электромонтажа компонентов;

• периферийными площадками для монтажа микросборки в модуле следующего уровня (например, на печатную плату ячейки).

В многоуровневой системе возникает и развивается рельеф, создающий ступеньки в изолирующих и проводящих слоях (на рис. 4.18 отмечены кружками). Эти участки являются потенциальной причиной отказа либо по причине пробоя изоляции, либо по причине разрыва проводника. Число слоёв, вследствие ухудшения качества изоляции, ограничено двумя слоями разводки.

Устранение названных недостатков обеспечивается при применении в качестве изолирующих слоев окиси алюминия (Al₂O₃), получаемой путем окисления алюминиевого покрытия в электролите. В зависимости от режимов электролитического окисления (анодирования) можно с малой скоростью роста получить пленку Al₂O₃ с высокими электрическими свойствами или ускоренно получить пленку с пониженными электрическими свойствами. Плотную пленку получают на мягких режимах (пониженные плотности тока) и используют для изоляции смежных уровней проводников. Менее совершенную пленку формируют на форсированных режимах (высокие плотности тока) и используют для изоляции соседних проводников одного уровня. Снижение критической напряженности поля в пленке при этом необходимо компенсировать увеличением её толщины (согласно выражению U_пр = Е_КР*h_d).

Технологические переходы в формировании первой пары слоёв «металлизация-диэлектрик» иллюстрируются рисунком 4.19. После осаждения (напыления) на подложку (1) сплошногослоя алюминия (2) на поверхности формируется фо-томаска (3), рисунок которой соответствует рисунку промежутков между будущими проводниками. В результате избирательного анодирования алюминия на мягких режимах, получают тонкий (~0,2 мкм) плотный слой Al₂O₃ (4) (см. рис. 4.19, а) в областях незащищённых фотомаской. После удаления фотомаски (рис. 4.19, б) выполняется анодирование на форсированных режимах на всю толщину пленки (5) (маской при этом служит тонкий плотный слой окисла). Фото-литографической обработкой (см. рис. 4.19, в) для создания контактных переходов удаляют участки тонкого окисла, не защищенные фотомаской (6). После удаления фотомаски (6) напыляется следующий сплошной слой алюминия (7) (второй уровень металлизации, см. рис. 4.19, г). Рассмотренный цикл повторяется до 3–4 раз. На поверхности платы размещается слой плотного окисла с окнами отрытых монтажных площадок.

В толстоплёночных платах используются циклы «нанесение пасты через трафарет — сушка — вжигание». Для формирования многоуровневой системы используются два вида паст: проводящая и диэлектрическая. Толщина межслойной изоляции в 2–3 раза превышает толщину проводящего слоя. Для получения качественных контактных переходов производится 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 используется для формирования монтажных площадок, которые впоследствии обслуживаются с помощью лудящих паст.

В многоуровневых коммутационных системах вжигание паст в керамику производится 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. Коммутационные толстоплёночные платы позволяют формировать 2–3 уровня разводки.

Вотличие от предыдущих типов, все слои в которых формируются на общей подложке, в платах на основе многослойной керамики каждый проводящий слой наносится на собственную индивидуальную подложку из необожженной («сырой») керамики. Впоследствии отдельные листы керамики с проводящим рисунком собираются в пакет (см. рис 4.20)

Исходными заготовками являются листы пластичной керамики (рис. 4.20, а) 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, выполняют отверстия под контактные переходы диаметром не менее 0,1 мм. 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) последующего обжига керамики в качестве проводящих используются пасты на основе тугоплавких металлов (вольфрама или молибдена).

Используя те же базовые отверстия, отдельные листы собирают в пакет (рис. 4.20, 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 (взаимная диффузия) частиц окислов, из которых состоит керамическая масса. На первой стадии обжига также происходит разложение и удаление пластификатора (технологической связки). Коммутационные платы на многослойной керамике позволяют реализовать до шести уровней разводки.

Выходящие на поверхность платы монтажные площадки на основе вольфрама или молибдена не допускают сварки и не смачиваются припоем. Для возможности облуживания площадок и последующей пайки на них методом химического осаждения из раствора наносится слой никеля.

Воснову технологии с полиимидной плёнкой положено раздельное изготовление платы 7 с плёночными диэлектрическими слоями 8, слоями первого уровня проводной разводки 9 и полиимидной плёнки с отверстиями 1 и двумя последующими уровнями разводки соединений 5 на двух сторонах плёнки, поэтапно представленное на рисунке 4.21. На плате могут быть исполнены плёночные структуры пас-сивных элементов микросхемы. Отдельно исполняется полиимидная плён-ка с отверстиями 1 (см. рис. 4.21,а), на которой напылением слоя Сr-Cu-Cr образуется проводящий ад-гезионно-буферный слой 2 (см. рис. 4.21, б). Нанесением фоторезиста 3 (рис. 4.21, в), электроосаждением (см. рис. 4.21, в) проводящего слоя (Сu c покрытием Sn-Bi) 4 и последующим удалением фоторезиста и буферной плёнки под ним формируются на двух сторонах полиимидной плёнки проводные соединения 5 второго и третьего уровней разводки (см. рис. 4.21, д). Электромонтаж полиимидной плёнки на плате 7 исполняется после совмещения с помощью балочных или столбиковых выводов 6 по периметру и выборочно во внутренних точках через отверстия в плёнке (см. рис. 4.21, е), обеспечивая коммутацию между слоями разводки.

Коммутационные платы позволяют успешно преодолевать проблемы увеличения степени интеграции микроэлектронных устройств разнородных по технологии производства кристаллов, пассивных компонент.