9.2. Материалы для гибридных толстопленочных имс

Подложки для гибридных толстопленочных ИМС должны обладать хорошими диэлектрическими свойствами и теплоотводом, обеспечивать возможность их обработки при высоких температурах, иметь удовлетворительную адгезию с материалами паст.

Таблица 20.2. Характеристики некоторых керамических материалов, используемых для подложек толстопленочных ИМС

Характеристика	Al2O3	ВеО	22ХС	Боросили-катное стекло	Кварцево стекло
ТКР, 10-6˚С-1	7,3	8,0	8,8	3,3	0,55
Теплопроводность при 25°С, 102 Вт/(м·К)	0,4	2,2	0,1	0,1	0,1
Удельное сопротивле­ние при 25СС, Ом /см	1014	1014	1014	1014	1014
Диэлектрическая про­ницаемость на часто­те 1 МГц	9,6	8,7	6,0	4,1	3,8
Время запаздывания электрического сиг­нала, нс	0,10	0,096	0,097	0,067	0,065
Модуль Юнга, ГПа	3,73	3,16	2,39	0,74	0,52

В табл. 9.2 приведены характеристики некоторых керамиче­ских материалов, используемых для подложек толстопленочных ИМС. Наиболее употребительной в качестве подложек является керамика типа 22 ХС с химическим составом МпО(39,7) + +ТiO₂(37,1)+А1₂О₃(14,3)+SiO₂(8,9). Желательно, чтобы ди­электрическая проницаемость керамических материалов была низкой для сведения к минимуму запаздывания электрического сигнала, так как

τ_з/l = ε/с,

где τ_з – время запаздывания; l – длина тракта; ε – диэлектриче­ская проницаемость; с – скорость света.

Важные характеристики материала подложки – теплопровод­ность и ТКР, а также стабильность параметров керамического материала подложки в условиях повышенных температур, при которых производится обжиг и вжигание паст. Широкое приме­нение' керамических материалов объясняется их высокими ме­ханическими, электрическими и термическими свойствами. Наи­большее распространение в отечественной практике получили подложки из глиноземистой керамики, оксида алюминия (95 % Аl₂О₃) и электрокорунда (99% А1₂О₃). Используются также под­ложки из титанатов, обладающих хорошей адгезией к проводя­щим слоям.

Для изготовления подложек исходные материалы размалы­вают, смешивают в определенных соотношениях и формуют. Фор­мовку подложек производят различными способами: прессова­нием влажного порошка, заливкой полужидкой керамической массы в формы, штамповкой и др. Перед нанесением паст под­ложки тщательно отмывают, затем сушат и прокаливают при температурах 600– 700 ˚С.

Поскольку большую часть подложки занимают проводящие или резистивные слои, то активные элементы приходится распо­лагать менее плотно, чем позволяет остальная часть конструк­ции. Чтобы повысить плотность монтажа в этих ИМС, стали применять многослойные керамические подложки.

Многослойные подложки для толстопленочных ИМС пред­ставляют собой сложные структуры, создаваемые в самостоя­тельном технологическом цикле. Их конструкция явилась даль­нейшим развитием многослойных печатных плат, но по сравне­нию с ними она имеет в 10 раз меньший объем и в 100 раз боль­шую теплопроводность. Как и в многослойной печатной плате, каждый слой керамики имеет свой рисунок проводников и только верхняя плата несет активные приборы.

Особенно широко такие подложки (точнее, структуры) при­меняют при создании многокристальных микросборок. В этих устройствах на одной подложке монтируются несколько полу­проводниковых ИМС. Обеспечение работы этих ИМС при вы­соком быстродействии требует больших токов, поэтому для под­держания минимума рассеиваемой мощности необходимо малое напряжение. Следовательно, сопротивления источника напряже­ния и заземления должны быть очень малыми. Такие сопротив­ления на обычной подложке можно получить, применяя лишь очень широкие проводящие слои. Однако при этом площадь под­ложки используется плохо.

Многослойные подложки позволяют располагать шины пита­ния и заземления в толще платы, а не на ее поверхности, что дает возможность уменьшить сопротивление источника питания в 10 раз и резко повысить плотность монтажа полупроводнико­вых приборов или бескорпусных полупроводниковых ИМС на поверхности подложки. Кроме того, многослойная структура ха­рактеризуется высоким значением емкости между плоскостями подачи питания и заземления, что снижает уровень шумов при переключениях, и меньшим числом пересечений на поверхности подложки. На рис. 20.4 показан общий вид обычной и многослой­ной подложек с нанесенными рисунками пассивной части микро­схемы и полупроводниковыми кристаллами.

Многослойные керамические подложки изготавливаются сле­дующим образом. Масса, состоящая из оксида алюминия и свя­зующего вещества, раскатывается на листы толщиной 1,2–1,5 мм. Листы отожженного оксида алюминия разрезаются на пластины размерами будущих плат. В этих пластинах в опре­деленных местах при помощи шаблонов делают отверстия, через которые осуществляется металлизация и наносятся проводящие слои методами шелкографии. Сложенные друг с другом пласти­ны прессуются и спекаются при температуре 1650 °С по задан­ному режиму. После спекания получается монолитная структура (плата), обладающая определенными диэлектрическими и про­водящими свойствами.

Рис. 9.4. Общий вид обычной (а) и многослойной (б) керамических подложек с трассировкой схемы; сечение многослойной подложки (в):

1 – полупроводниковая ИМС, смонтированная на поверхности подложки; 2 – тонкие слои пленочной ИМС на поверхности подложки; 3 – металлизированные отверстия, связывающие металлические слои на разных уровнях подложек; 4 – толстые слои/

Поскольку спекание ведется при высокой температуре, то для создания проводящих и резистивных слоев применяются пасты на основе тугоплавких металлов, например вольфрама и молибдена. Спеченная плата содержит несколько проводящих слоев на различных уровнях и пригодна для использования ее в процессах толстопленочной и тонкопленочной технологий.

Операции спекания являются наиболее ответственными. За время спекания должны быть удалены связующие вещества, за­вершены нужные физико-химические процессы уплотнения струк­туры, образованы прочные связи между металлической и кера­мической фазами, сформированы зерна необходимого размера, ликвидированы поры и устранены остаточные напряжения. По­нятно, что температурный профиль в обжиговой камере и режим обжига для достижения указанных полей будут весьма слож­ными.

Для создания гладкой поверхности подложка покрывается гла­зурью, изготовленной на основе оксида висмута и свинцово-боросиликатного стекла. Глазурь имеет ТКР, близкий к ТКР алюмокерамической подложки. Она герметизирует или запол­няет остаточные поры в предыдущих слоях, не оказывая замет­ного влияния на электропроводность и диэлектрические свойст­ва. На поверхности керамической платы глазурь создает глад­кий слой, который можно успешно использовать для тонкопле­ночной технологии.

Завершающий этап ТП изготовления многослойных керами­ческих плат состоит в соединении проводников верхнего и ниж­него металлизированных слоев и подложки через металлизиро­ванные отверстия, как это делается при изготовлении много­слойных печатных плат. Для этого сначала проводят химическое меднение всей поверхности, включая внутренние стенки отвер­стий. Затем наносят фоторезист таким образом, что после экс-лонирования остаются незащищенными только участки, непо­средственно окружающие отверстия, и сами отверстия. После этого подложку погружают в гальваническую ванну золочения и на открытые участки ее поверхности осаждается слой золота толщиной около 10 мкм. Фоторезист удаляется, и медь страв­ливается со всех непокрытых золотом участков поверхности. В результате плата становится готовой для выполнения следую­щих операций.

Завершающий этап ТП изготовления многослойных керами­ческих плат состоит в соединении проводников верхнего и ниж­него металлизированных слоев и подложки через металлизиро­ванные отверстия, как это делается при изготовлении много­слойных печатных плат. Для этого сначала проводят химическое меднение всей поверхности, включая внутренние стенки отвер­стий. Затем наносят фоторезист таким образом, что после экспонирования остаются незащищенными только участки, непо­средственно окружающие отверстия, и сами отверстия. После этого подложку погружают в гальваническую ванну золочения и на открытые участки ее поверхности осаждается слой золота толщиной около 10 мкм. Фоторезист удаляется, и медь страв­ливается со всех непокрытых золотом участков поверхности. В результате плата становится готовой для выполнения следую­щих операций.

Пасты для проводящих слоев весьма разнообразны. Приме­няются пасты на основе благородных металлов (Аu, Ag, Pd и других), обладающих высокой электропроводностью, химической стойкостью и особыми технологическими свойствами, например способностью к пайке и сварке. В производстве многослойных керамических плат удобно пользоваться тугоплавкими проводя­щими материалами, например молибденом.

Типичный состав проводящей пасты представляет собой 12% Pd, 75% Аи и 13% стекловидного связующего материала. Такие составы вжигаются при температурах 850–1000 ˚С. Они обла­дают хорошей адгезией и удовлетворительно паяются.

В табл. 9.3 приведены характеристики некоторых проводящих паст.

Температуры обжига паст не должны превышать температур плавления соответствующих сплавов.

Пасты для резисторов готовятся на основе керметных мате­риалов, в которых проводящей фазой являются металлы (пал­ладий, серебро, вольфрам и карбид вольфрама), а диэлектри­ческой фазой – оксиды металлов и стекла. Изменяя концентра­тацию диэлектрической составляющей, можно регулировать поверх­ностное сопротивление пленок в широких пределах (1–10⁶ Ом/□). Параметры некоторых резистивных паст пред­ставлены в табл. 9.4.

Диэлектрические материалы в технологии толстопленочных ИМС используются в качестве герметизирующих покрытий, изо­лирующих слоев многослойных структур и диэлектрических слоев конденсаторов. Герметизирующие покрытия предохраняют ИМС или отдельные ее элементы от влияния окружающей среды (на­пример влаги, газа и пыли) и от механических повреждений, уменьшают дрейф параметров под нагрузкой. Материалами для герметизирующих покрытий служат различные органические компаунды, например полиуретан, или неорганические компози­ции, например легкоплавкие стекла из боросиликата свинца или силиката свинца-циркония с температурой вжигания не выше 500 °С. Диэлектрическая проницаемость этих материалов обычно составляет 5– 10. Из этих материалов удается получить пере­сечения емкостью менее 1 пФ при Е_пр=500 В и R=10¹² Ом.

Пасты для создания диэлектрических слоев конденсаторов подбираются с таким расчетом, чтобы образованные слои имели высокие диэлектрическую проницаемость и Е_пр при незначитель­ном tg δ. Поэтому эти пасты содержат большое число сегнето-электрических материалов, например титанаты свинца или бария. В отечественной промышленности наиболее широко для диэлек­трических слоев толстопленочных конденсаторов применяется паста на основе титаната бария марки ПК-1000-30. Свойства этой пасты и конденсаторных структур, изготовленных на ее основе, приведены ниже.

Свойства диэлектрической пасты ПК-1000-30 и конденсаторных структур на ее основе приведены ниже.

Таблица 9.3. Характеристики проводящих паст на основе благородных металлов

Характеристика	Металлическая основа материала пасты
	Ag	Pt-Аu	Pd-Au	Pt-Pd-Au	Аu	Pd-Ag
Удельное поверхност­ное сопротивление, Ом/□	5·10-5	5·10-4 –10-2	5·10-4– 10-2	8·10-4– 10-2	З·10-5– 10-4	4·10-4
ТКС, 10-6 ·˚C-1	3000	450	650
Температура обжига пасты, °С	500– 850	875– 1000	900–975	750–1000	850–1000	690–760
Толщина слоя, мкм	15	15–20	15	10–15	15–25	15–20

Таблица 9.4. Параметры некоторых резистивных паст

	Металлическая основа состава пасты
Параметр	Pd— Ag	Ru	Ir	W
Удельное поверхностное сопротивление, Ом/□	1–102	1–103	1–103	5–104
ТКС, 10-6 ·˚C-1	200–500	100–200	0–100	+500– –500
Температура обжига, °С	757	857	927	1027