ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

60

фигурациях один из выводов находится внутри спирали. Для переноса его за пределы наружного контура катушки вывод размещают по слою диэлектрика, нанесенного на витки.

Электрическая схема замещения катушки на повышенных частотах без учёта влияния поверхностного эффекта изображена на рисунке 4.15.

С повышением частоты из-за влияния межвитковой емкости (Со) полное сопротивление катушки увеличивается сильнее, чем по линейному закону. Учёт влия-

ния межвитковой емкости Со ≈ 0,25∙Dн (Со — пф, Dн — см) в первом приближении может быть выполнен заменой индуктивности катушки на её кажущееся значение, определяемое по выражению

где L — индуктивность на низкой частоте;

f0 с/(4∙Lo√εОТН) ≈ 1/2π∙√L∙Co — собственная резонансная частота, Гц;

с = 3 1010см/с — скорость света в вакууме; εОТН — относительная диэлектрическая проницаемость сре-

ды, охватывающей проводник катушки.

При размещении катушки на подложке с повышенной магнитной проницаемостью μОТН >>1 с ферритовым покрытием поверхности витков индуктивность повышается пропорционально эффективной магнитной проницаемости магнитной оболочки.

В отсутствие магнитных покрытий, концентрирующих магнитное поле катушки, проводящие металлические элементы, находящиеся в зоне действия магнитного поля катушки, оказывают на неё размагничивающее действие, чем снижают её индуктивность (см. рис. 4.16). Согласно рисунку, размагничивающее действие смежных металлических объектов зависит от размеров катушки и от толщины размагничивающего слоя (штриховые линии соответствуют размагничивающей металлической плёнке толщиной

Q = 16∙f∙Dвн∙k2∙h∙b / [t∙ρ∙ (D2н/D2вн – 1)∙104], (4.59)

где f — частота, МГц;

ρ — удельное сопротивление материала экрана, Ом∙см; h — толщина спирального проводника, мкм;

k — коэффициент, определяемый по формуле

где Dн, Dвн, Di, b, t — наружный и внутренний диаметры катушки, ширина витка и шаг укладки витков, см.

ность, потери, вносимые

62

тонкими экранирующими плёнками, более ощутимы в сравнении

спотерями, вносимыми толстыми экранами.

Вкачестве примера зависимость индуктивности и максимальной добротности спиральной катушки от числа витков и размеров конструкции катушки приведены в таблице 4.12 (в качестве материала проводника применена плёнка серебра толщиной 6–8 мкм).

Таблица 4.12 — Оценочные значения для плоских катушек индуктивности

Для предварительных оценок размеров по заданной индуктивности рекомендуется пользоваться эмпирическим соотношением между удельной индуктивностью Lуд и наружным диаметром катушки:

4.5.2 Проектирование плёночных катушек

Как отмечалось, вследствие влияния собственного и внешнего размагничивания в спиральных катушках, обеспечение заданной индуктивности по проектным оценкам не отличается достаточной точностью. Требуемое значение индуктивности обеспечивается подстройкой параметра или компенсируется в резонансных включениях подбором ёмкости конденсаторов.

К проектированию спиральных катушек формируется перечень исходных данных:

–функциональные параметры: а) индуктивность, L;

б) добротность, Q;

в) рабочая частота, f, МГц;

–параметры материалов катушки:

а) удельное сопротивление проводника, ρ;

63

б) параметры материала подложки (диэлектрическая проницаемость ε, tg δ учитываются косвенно);

– конструктивно-технологические ограничения:

а) погрешность линейных размеров ∆L (или минимально допустимые размеры зазора между проводниками и ширины проводника) и совмещения ∆С для компоновки вывода от внутреннего витка;

б) допустимая толщина проводника, h;

в) максимально-допустимый наружный диаметр катушки

Dн max;

г) наличие и вид экранирующих элементов.

В результате расчёта должны быть приведены в соответствие наружный диаметр, число витков катушки, ширина проводника, зазор между витками с заданными значениями индуктивности и добротности на заданной рабочей частоте.

Расчётная методика, позволяющая сформировать оценочные значения размеров для доводки на экспериментальных образцах, сводится к последовательности операций:

–назначается допустимый наружный Dн и оптимальный внутренний Dвн диаметр катушки;

–из соотношения (4.57) определяется шаг t расположения

витков:

– из формулы (4.59) определяется ширина проводника витка катушки:

–для учёта влияния поверхностного эффекта расчётное значение ширины проводника завышается в 1,5–2 раза;

–по допустимому технологическому значению межвиткового зазора и ширине проводника b проверяется и приводится в соответствие размер шага катушки t (если это возможно, или констатируется факт несоответствия заданным функциональным параметрам);

–для оптимального отношения Dн/Dвн ≈ 0,4 определяется число витков катушки по размещению:

64

N = (Dн – Dвн)/2∙ t;

–по формулам (4.57), (4.59) проводится поверочный расчёт

сприоритетом обеспечения заданной индуктивности;

–по результатам расчёта корректируются размеры и число витков и принимается заключение об исполнимости предъявленных требований;

–в случае общего соответствия требований к функциональным параметрам и конструктивному исполнению катушки по графикам рисунков 4.16, 4.17 и формуле (4.60) оцениваются влияние и поправки на размагничивающее действие смежных размагничивающих элементов;

–в случае несоответствия конструкции катушки предъявленным требованиям принимается решение о применении исполнения катушек в виде компонент.

4.6 Соединения и контакты ГИС

Подобно исполнению соединений на кристаллах, для электрического соединения элементов на платах ГИМС применяются тонкопленочные проводники с высокой электрической проводимостью и хорошей адгезией к подложке. В таблице 4.13 приведены параметры многокомпонентных структур, рекомендуемых к исполнению проводников и контактных площадок с удовлетворением требований адгезии к несущему основанию, обеспечением приемлемой проводимости и требуемых качественных показателей в электромонтажных соединениях.

В качестве адгезионных буферных материалов по ситаллу, стеклу, керамике или межслойной изоляции токопроводящих слоёв моноокисью кремния, широко применяется подслой хрома или нихрома. Приемлемая проводимость соединений и контактов обеспечивается при исполнении основного проводящего слоя из алюминия, золота или меди вакуумной плавки. При этом для защиты от окисления и подготовки контактных поверхностей к электромонтажу по меди применяются покрытия из серебра или золота, а по алюминию в качестве монтажного покрытия наносятся плёнки никеля.

65

Таблица 4.13 — Параметры многокомпонентных структур контактов и соединений

В местах пересечения плёночные проводные соединения могут изолироваться друг от друга диэлектрическими пленками межслойной изоляции. Для изоляции проводников применяют моноокись кремния и халькогенидное стекло, параметры которых приведены в таблице 4.14.

Таблица 4.14 — Свойства материалов межслойной изоляции

66

Как и для соединений на кристаллах, соединения и контакты на платах ГИМС должны удовлетворять нормам на вносимые активные и реактивные сопротивления. Для оценки сопротивлений и их частотных зависимостей следует применять соотношения, приведенные в разделе 4.3.

В отличие от соединений и контактов на кристаллах проводные соединения гибридных исполняются по технологическим нормам плёночных технологий и потому характеризуются существенно более значительными геометрическими размерами.

Диэлектрические основания гибридных конструкций в развитии технологии печатных плат в современных микроэлектронных устройствах выполняют функции объединительных (коммутационных) плат.

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;

67

– 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 — фото-

литография». Осажденные сплошные чередующиеся слои электропроводящего металла (чаще всего алю-

миния) 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 полу-

чить пленку Al2O3 с высокими электрическими свойствами или ускоренно получить пленку с пониженными электрическими свойствами. Плотную пленку получают на мягких режимах (по-

68

ниженные 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 Uпр = ЕКР*hd).

Технологические переходы в формировании первой пары слоёв «металлизация-диэлектрик» иллюстрируются рисунком 4.19. После осаждения (напыления) на подложку (1) сплошного

(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 одноили двукратное нане-

69

сение 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.

Вмногоуровневых 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

товками 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).