Основные элементы конструкции гибких печатных плат

Базовый материал, адгезив, металлическая фольга или базовый материал и металлическая фольга (Adhesivless). Наиболее популярные базовые материалы для производства гибких и гибко-жёстких печатных плат - лавсан и полиимид.

Полиимидные пленки

Доминирующий материал для изготовления гибких печатных плат. Имеется ряд формул полиимида с торговыми марками Kapton, Rogers, Dupont.

Преимущества:

• отличная гибкость при всех температурах

• хорошие электрические свойства

• отличная химстойкость (за исключением горячей концентрированной щелочи)

• очень хорошая устойчивость к разрыву ( но плохое распространение разрыва),

• определенные типы полиимидов имеют дополнительные преимущества (коэффициент расширения согласованный с медью, меньшенное напряжение в ламинатах...)

• рабочая температура от –200С до + 300С

Адгезивы

Адгезивы используются для соединения медной фольги с базовой пленкой, а при частично полимеризованном виде служат для создания защитных слоев однослойных и двухслойных гибких печатных плат, а также объединяют слои для многослойных и гибко-жестких конструкций. Роль адгезивов является определяющей и критической для свойств конечного продукта. Акриловый адгезив имеет значительную популярность, его применяют для полиимида (травится в щелочи, большой коэффициент расширения).

Большинство гибких ламинатов используют катанную и ненагартованную фольгу. Имеется также ряд способов металлизации гибких пленок напылением и химическим или вакуумным осаждением. Фольга из специальных медных сплавов имеет большее сопротивление и большую прочность, обеспечивая большую устойчивость к перегибам, сравнимую с катаной фольгой. Кроме того такая фольга более устойчивая в производстве ламината - меньше дефектов.

Защитные слои - аналог паяльной маски.Материалами могут быть ламинаты на основе полиимидной плёнки,также паяльные маски специальных серий (Flexible versions) Соединительные пленки - пленки с адгезивом, защищенные снимаемой пленкой. Применяются для многослойных гибких печатных плат и гибко-жестких плат. Материалом для ужесточителей может служить FR4, полиимид.

Гибко-жёсткие печатные платы

Это наиболее сложные соединительные структуры современной электронной аппаратуры. Требуются элементы обоих технологий - жестких и гибких печатных плат. Жесткие платы спрессовываются с гибкими и осуществляются соответствующие сквозные межслойные соединения.

Пример структуры многослойной гибко-жёсткой ПП

Сложные гибко-жесткие платы могут содержать десять-двадцать или более гибких соединительных наборов между жесткими внешними слоями. Одно- и двухслойные гибкие печатные платы составляют гибкие соединительные наборы. Гибкие и гибко-жёсткие ПП могут маркироваться методом сеткографии. В качестве финишных покрытий гибких и гибко-жёстких печатных плат могут быть: Ni , Au (ImmersGold) , HASL, Immersion Tin, также возможно применение графитового покрытия (Carbon Ink).

Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (МПП) для МКМ выполняются, как правило, в конструктиве слоистых структур на основе слоев, изго­товленных по традиционным технологиям: субтрактивной, аддитивной или полуаддитивной. Многослойность обеспечивается путем прессования слоев, собранных в пакет, с последующим формированием металлизированных сквозных коммутирующих отверстий. При этом широко используется технология попарно-сквозной металлизации. По-прежнему актуальны и технологии создания МПП с открытыми кон­тактными площадками, с выступающими выводами, а также технология попарного прессования, хотя они заметно уступают по плотности меж­соединений технологии попарно-сквозной металлизации.

При металлизации отверстий необходимо обеспечить однород­ность покрытия, максимальные электрическую и механическую проч­ности в условиях окружающей среды. Показателями несовершенства покрытий являются плохая адгезия безэлектролизной медной пленки, частичное отсутствие покрытия, неравномерность по толщине, вздутие, трещины, поры и другие нарушения в сплошности пленки. 100%-ный электрический контроль переходов не позволяет локализовать ненадеж­ные соединения из-за малой величины сопротивления в месте перехода. Достоверные данные можно получить после рассмотрения шлифа платы под микроскопом. Однако такой контроль трудоемок и неприемлем для производственного процесса. Недостаточная надежность переходов МПП прежде всего вызвана сложностью и в известной степени невос­производимостью процессов химической металлизации полимерных материалов. Отмечены трудоемкость контроля составов активационных растворов, их неустойчивость, легкость разложения.

Значительная разница в коэффициентах термического линейного расширения (КТЛР) материалов подложек и слоя меди приводит при различных температурах обработки к растрескиванию слоев, прежде всего в местах переходных отверстий.

Несмотря на то, что развитие технологии изготовления печатных плат сопровождается постоянным уменьшением ширины проводников, плотность межсоединений гораздо в большей степени определяется размером переходных отверстий и контактных площадок. При этом ми­нимальный диаметр переходных отверстий в субтрактивной и аддитив­ной технологиях практически одинаков.

При производстве современных МПП, наряду с совершенствовани­ем известных технологических процессов, появляются новые, позво­ляющие улучшить качество плат и существенно снизить затраты. К ним относятся:

• технологии с привлечением лазера, такие как лазерное экспониро­вание рисунка, ускоряющее формирование проводящих дорожек шириной менее 0,1 мм (от 75 до 12,5 мкм), лазерная селективная трассировка, лазер­ное сверление отверстий, лазерное фрезерование углублений и др.;

• применение неудаляемых резистов для защиты узких и непроч­ных металлизированных дорожек;

• использование сухих (например, термомагнитных) резистов, повышающих производительность при создании рисунка коммутации плат (с переносом до 300 и более изображений в час);

• изготовление плат на основе нескольких материалов (гетероструктур), сочетание которых обеспечивает высокие электрофизические и экс­плуатационные характеристики плат и изделий: эффективный теплоотвод, компенсацию напряжений, физико-химическую совместимость материалов платы и элементной базы. Для лучшего теплоотвода вводят компенсацион­ные слои в гофрированном конструктивном исполнении, а для совместимо­сти материалов платы (с учетом монтируемых на ней компонентов) выпол­няют чередующиеся слои волокнистого диэлектрического (либо полиимид-ного) материала и инвара, плакированного медью.

Отличительной особенностью технологий создания современных слоистых МПП является применение метода ламинирования, что при совместном использовании с лазерным сверлением отверстий обеспечи­вает высокую разрешающую способность рисунка коммутации. Показа­тельны в этом плане достижения фирмы GEC-Marconi (Великобрита­ния) по разработке плат МКМ «Microtrace». Однако эти техноло­гические процессы еще недостаточно отработаны в промышленности, носят лабораторный характер и дорогостоящи. Сегодня плотность меж­соединений (отношение общей длины коммутационных дорожек к пло­щади платы) плат МПП, освоенных в промышленности, составляет 50 - 150 см/см².

Толстопленочная многослойная разводка на керамике

В настоящее время толстопленочная многослойная разводка на ке­рамике классифицируется на три технологических варианта: МКП-1 -многослойные платы на обожженной керамической подложке, МКП-2 -многослойные платы с использованием сырой керамики, МКП-М - мно­гослойные стеклокерамические платы на металлической подложке.

МКП-1 выполняются последовательным нанесением на керамиче­скую жесткую обожженную подложку (с переходными отверстиями в подложке или без них) проводящих и диэлектрических паст, как прави­ло, методами трафаретной печати и их раздельного вжигания. Ведутся разработки с максимальными размерами платы до 100x120 мм², однако стоимость таких плат достаточно велика и поэтому в настоящее время в широком производстве размеры плат обычно не превышают 60x48 мм". Большинство плат изготавливаются на керамических подложках из окиси алюминия: высокоглиноземная керамика марки 22ХС (94% А1₂0₃) или поликор (99,7% А1₂Оз). Для создания МКМ повышенной мощности используют платы на основе бериллиевой керамики (брокерита), так как теплопроводность ВеО примерно в шесть раз больше, чем А1₂0з.

Разработанные в настоящее время проводниковые пасты обеспечи­вают удельное поверхностное сопротивление от 0,1 до 0,005 Ом/кв. Это пасты на основе благородных металлов (золота, серебра, палладия) и их сплавов. Пасты на основе металлов меди и никеля обеспечивают сопро­тивление на уровне 0,005 Ом/кв, однако их производство пока дороже серебряных. Для межслойной изоляции используются пасты на основе кристаллизующихся стекол и композиционных материалов (стеклоке­рамика на основе стекол С55, СЦ273). Для изготовления структур с низ­кой диэлектрической постоянной (4,7 - 5,3 на частоте 1 МГц) применя­ются композиционные материалы из кристаллизующихся стекол на основе кордиерита и анортита.

К достоинству керамических плат относится возможность форми­рования на них резисторов (с сопротивлением до 1 МОм), конденсато­ров (емкостью от 4 пФ до 0,4 мкФ) и элементов индуктивности.

Особенность изготовления толстопленочной многослойной разводки состоит в многократной термической обработке нижних слоев при фор­мировании верхних. Это накладывает целый ряд требований к выбору паст, особенно для изоляционных слоев. В частности, слои должны не иметь проколов и не изменять свои размеры при термообработке. Невы­полнение последнего требования приводит к обрыву проводников вслед­ствие механических напряжений и рассовмещению слоев.

МКП-2 отличаются от МКП-1 повышенной надежностью за счет повышенной химической и температурной стойкости, а также повы­шенной прочности соединения контактных площадок, вжигаемых со­вместно с диэлектрическим слоем. В настоящее время технология дос­таточно хорошо отработана в производстве [13, 14].

Слои толстопленочной металлизации наносятся на необожженные пластифицированные керамические ленты, которые изготавливаются различными методами: литьем, экструзией, прокатом на валках. Затем после совмещения, термоуплотнения и обрезки осуществляется спека­ние пакета керамики и металлизации в едином технологическом цикле.

Формирование межслойных переходов является узловой операцией в технологии многослойной керамики. Чаще всего отверстия выполняются штамповкой в сырой керамической ленте. Для металлизации отверстий, как правило, применяется та же проводящая паста, что и для создания провод­ников. Заполнение отверстий пастой осуществляется повышенным давле­нием ракеля либо вакуумной протяжкой пасты в отверстия.

Методы образования металлокерамических композиций весьма разнообразны, однако независимо от них прежде всего необходимо обеспечить стабильность усадки, которая колеблется от 8 до 20%, и со­ответствие КТЛР металлических и керамических масс. В противном случае в спекаемой композиции появляются трещины, приводящие в дальнейшем к коротким замыканиям, пробоям или обрывам переходов.

Ограничения при создании плат больших размеров, связанные с невоспроизводимостью усадки, усложняют автоматизированный мон­таж кристаллов, особенно при малом шаге выводов, что характерно для МКМ. Кроме того, наиболее часто для металлизации в МКП-2 исполь­зуется молибден, имеющий в три раза большее удельное электросопро­тивление, чем медь, что создает определенные трудности для реализа­ции быстродействия МКМ.

МКП-М по основным техническим параметрам высокоплотного монтажа и конструктивно аналогичны МКП-1, за исключением того, что в качестве жесткого основания в них используются металлические подложки со стекловидным покрытием (эмалированные), обеспечи­вающие высокие значения теплопроводности, термостойкости и меха­нической прочности при увеличенных (до 120x180 мм²) размерах платы.

Стальная подложка может служить не только основанием, но и экраном при рентгеновском излучении.

В настоящее время существуют образцы МКП-1, содержащие до 10, а МКП-2 - до 30 и более проводящих слоев, но в серийном производстве изготавливаются платы соответственно с двумя - шестью и шестью - деся­тью слоями. Плотность межсоединений на керамических платах выше, чем в МПП, и составляет 150 - 250 см/см², что, однако, недостаточно для высокоплотного монтажа МКМ. В связи с этим сейчас активно ве­дутся разработки по сверлению сквозных отверстий лазерным лучом с последующим заполнением сплавом вольфрам - медь, что позволит по­высить плотность коммутации. Следует заметить, что большой вес плат на керамике на сегодня остается сдерживающим фактором широкого применения их для МКМ бортовой аппаратуры.

Тонкопленочная многослойная разводка

Методы создания тонкопленочной коммутации, в отличие от ранее рассмотренных методов, позволяют достичь более высокие разрешаю­щую способность рисунка коммутации в одном слое и механическую прочность сцепления слоев.

Тонкопленочные платы МКМ состоят из чередующихся металличе­ских и диэлектрических (Si0₂, полиимида и других) пленок на подложке.

МКМ по стандартной полупроводниковой технологии на одной подложке с надстроенной многоуровневой разводкой предполагают создание устройств с высокими быстродействием и плотностью межсо­единений (свыше 400 см/см²). Однако в настоящее время такие подлож­ки отличаются весьма высокой стоимостью, обусловленной, во-первых, низким процентом выхода годных при совмещении разнородных струк­тур СБИС, изготавливаемых в одном технологическом цикле; во-вторых, нерешенностью проблемы ремонтопригодности. В дискретном форми­ровании МКМ на одном посадочном месте возможна многократная за­мена кристалла, при этом на монтаж МКМ поступают только кристаллы с гарантированной аттестацией. В однопластинном варианте полная ат­тестация кристаллов проводится только в составе МКМ, когда отбра­ковка хотя бы одной структуры практически ведет к отбраковке всего МКМ. В связи со сложностями проектирования и удорожанием конст­руктивно-технологической отработки однопластинных МКМ усилия разработчиков направлены на реализацию дискретного монтажа кри­сталлов в кремниевой подложке, как правило, по планарной технологии.

Плата изготавливается на кремниевой пластине диаметром 125 мм с четырьмя слоями алюминиевой металлизации, формируемой способом магнетронного распыления, и пленками полиимида в качестве межслойного диэлектрика. В двух нижних слоях металлизации расположе­ны шины питания и заземления, в двух верхних - сигнальные проводни­ки шириной 25 мкм и минимальным шагом 75 мкм. Между шинами питания и заземления сформированы развязывающие конденсаторы. Межслойные электрические соединения получены в виде металлизиро­ванных отверстий в полиимиде диаметром 25 мкм, расположенных в пределах площадок 55x55 мкм.

МКМ в виде кремниевой пластины, в сквозные отверстия которой впаиваются кристаллы ИС, реализуется следующим образом. Сначала на обе стороны подложки напыляется платиновая пленка с образовани­ем маски, через которую проводится вытравливание Si в местах монта­жа кристаллов. Затем платиновая пленка удаляется. Многослойная про­водниковая структура формируется из чередующихся слоев полиимида толщиной 5 мкм и Сг - Си - Сг толщиной 2 мкм. При этом в структуре сохраняются прямоугольные отверстия с вертикальными стенками, раз­меры которых на 50 мкм больше соответствующих размеров монтируе­мых в них кристаллов. Кристаллы впаиваются в отверстия подложки, об­разуя с многослойной структурой одну плоскость, что позволяет формировать диэлектрический слой полиимида и структуру Аи-провод-ников на нем. К обратным сторонам подложки и кристаллов присоединя­ется теплоотвод, например, пластинка из A1N.

Возможен вариант, когда в подложке с помощью лазера формиру­ются отверстия, заполняемые металлом с низкой температурой плавле­ния. Сверху на подложке формируется многослойная структура из Au-проводников, контактных площадок и межслойной изоляции полиимидом или Si0₂. Штырьковые выводы с пояском вблизи верхнего кон­ца, изготовленные из ковара или Си, впаиваются в отверстия подложки.

В следующем варианте изготовления подложки на обратную ее сто­рону наносится слой металлизированной пасты или полужидкого токопро-водящего адгезива. После встраивания выводов под действием избыточно­го давления в рабочей камере паста или адгезив втягиваются в отверстия, фиксируя в них выводы. Кристаллы ИС или мощные полупроводниковые приборы монтируются способом флип-чип на подложке, которая в свою очередь встраивается в керамический корпус. Крышка корпуса припаива­ется к верхней стороне кристаллов и служит теплоотводом.

Широко известны способы, которые состоят в закреплении кристал­лов ИС в кремниевой подложке с использованием легкоплавкого стекла Для обеспечения плоскостности конструкции кристалл - подложка кри­сталлы устанавливают в "глухие" места подложки, после чего со стороны перемычек стравливают поверхность подложки до появления планарной поверхности кристалла и осуществляют разводку проводящим слоем.

Для создания МКМ по традиционной гибридной тонкопленочной технологии в качестве материалов подложек могут служить бесщелочные боросиликатные стекла С41-1 и С48-3, а также ситаллы и поликор. Стеклянные подложки использовать не рекомендуется вследствие их невысокой теплопроводности (менее 1 Вт/мК). Ситаллы имеют также невысокую теплопроводность (1,5 Вт/мК), поэтому их применение в МКМ ограничено. Таким образом, основным материалом, кроме крем­ния, для тонкопленочных плат МКМ на жестких подложках в настоящее время является поликор (теплопроводности 30 Вт/мК).

Для получения проводящих слоев в тонкопленочных МКМ исполь­зуются металлы с минимальным удельным электросопротивлением (медь, золото, алюминий), за исключением серебра, имеющего высокую миграционную способность. Вакуумные методы нанесения таких слоев достаточно хорошо отработаны.

Следует отметить, что получение многослойных тонкопленочных структур в значительной степени ограничено тем, что при малых тол­щинах диэлектрических слоев весьма велико влияние сквозной порис­тости, приводящей к коротким замыканиям между уровнями, а при уве­личении толщин диэлектрических слоев возрастает влияние внутренних напряжений, приводящих к отслаиванию. С другой стороны, с умень­шением толщин диэлектрических слоев растет межслойная паразитная емкость, а с их увеличением возникает проблема надежной металлиза­ции "ступенек" в месте переходов с одного уровня металлизации на другой. Ввиду этого тонкопленочная коммутация обычно выполняется в двух - четырех уровнях.

В настоящее время используются следующие основные конструк­тивно-технологические варианты традиционной тонкопленочной техно­логии: послойное нанесение проводящих и диэлектрических слоев с ис­пользованием воздушного зазора, разводка с использованием обеих сторон подложки, сквозное анодирование.

Послойное нанесение использует в качестве диэлектрика как неор­ганические (моноокись кремния, окись алюминия, стекла), так и орга­нические (лаки, негативные фоторезисты и другие) материалы, а в каче­стве электрокоммутационных дорожек - алюминий, медь с адгезион­ными подслоями ванадия, хрома или титана. При этом в сравнении с неорганическими диэлектриками органические пленки обладают мень­шей температурной устойчивостью и большей пористостью, в связи с чем необходимо использовать слои полимеров толщиной более 3 - 4 мкм. Од­нако важно подчеркнуть, что получение равномерных по толщине слоев полимеров более 5 мкм методом центрифугирования и вытягивания из растворов проблематично.

Коммутация с использованием воздушного зазора реализуется обычно не более чем в двух уровнях, характеризуется межслойной па­разитной емкостью 120 - 160 пФ/см² и для МКМ имеет ограниченное применение.

Разводка с использованием обеих сторон подложки для соедине­ния коммутаций использует металлизированные отверстия в плате (сло­ях). При этом, как правило, исключаются межслойные короткие замы­кания, однако целостность электроцепи определяется качеством металлизации отверстий. Следует отметить, что, если не используется лазерное сверление или фототравление, то, несмотря на высокую раз­решающую способность рисунка металлизации на каждой стороне под­ложки, в целом плотность коммутации очень мало отличается от МПП ввиду того, что она практически определяется технологией создания пе­реходных отверстий, которая в обоих случаях одинакова.

Сквозное анодирование. Поскольку формирование рисунка комму­таций в этом варианте проводится избирательным (сквозным) анодиро­ванием слоев алюминия, то операция металлизации переходных отвер­стий и эффект "ступенек" диэлектрика не являются критическими. К сожалению, существенными ограничениями этого довольно эффек­тивного метода создания тонкопленочной коммутации являются необ­ходимость проверки качества сквозного анодирования и повышенная паразитная емкость между слоями (вследствие того, что предельная толщина окисного слоя, полученного анодированием, невелика; приме­нение же глубокого анодирования не обеспечивает необходимого каче­ства диэлектрического слоя). Предлагаемые способы устранения этих ограничений пока еще достигаются либо существенным увеличением трудоемкости изготовления, либо снижением плотности коммутации. Таким образом, конструктивно-технологические варианты традицион­ной тонкопленочной технологии характеризуются, как правило, количе­ством уровней коммутации не более двух - четырех и плотностью меж­соединений не более 100 см/см² , что является недостаточным для создания МКМ.

Многослойные металлодиэлектрические платы

Металлические платы с диэлектрическим покрытием (МПДП) яв­ляются эволюционным развитием многослойных коммутационных плат для техники монтажа МКМ и обеспечивают:

1. эффективный теплоотвод;

2. возможность использования основания плат в качестве шины питания или заземленной плоскости, реализующей экранирование от внешних электромагнитных полей;

3. высокую механическую прочность и жесткость;

4. возможность создания крупноформатных плат требуемой формы и размеров (100x100 мм² и более).

Можно выделить три основных направления создания металлоди-электрических плат: металлические платы с анодным окислом (АО), стальные эмалированные платы (СЭП), металлические платы с поли­мерной изоляцией (МППИ).

Для первого направления наиболее характерны алюминиевые пла­ты с анодным окислом. Все существующие технологии изготовления АП включают предварительную подготовку и электролитическое ано­дирование поверхности подложки. Алюминиевые пластины, прошед­шие механическую шлифовку и полировку, подвергают химической и электрохимической обработке. Затем проводят глубокое анодирование поверхности пластины с получением толстого (до 50 мкм) окисла с по­следующей его промывкой, сушкой и грунтовкой слоями Si0₂, А1₂Оз, а также органическими материалами (лаками, фоторезистами, смолами).

Достоинство таких плат заключается в возможности обеспечения низкого теплового сопротивления активный элемент - среда, благодаря высоким теплофизическим параметрам оксидного слоя. Для оснований чаще всего используется не чистый и сравнительно мягкий алюминий, а механически прочные алюминиевые сплавы, при этом легирующие до­бавки должны, как и алюминий, легко подвергаться анодному окисле­нию. Сплавами, которые обеспечивают необходимую прочность пла­стины (не менее 200 МПа), являются сплавы алюминия с магнием.

Недостаток АО состоит в разных удельной плотности и КТЛР алюми­ния и его пористого окисла, что может приводить к механическим напря­жениям в диэлектрике, прогибу подложки и образованию микротрещин. И если в процессе создания одноуровневой разводки этот недостаток уст­раняется использованием комбинированного диэлектрического покрытия, чаще всего в сочетании с органическими смолами или стеклами, то при из готовлении многоуровневой коммутации для МКМ такое решение пробле­мы неприемлемо. Повышенная паразитная емкость межуровневых слоев значительно сужает частотный диапазон платы.

Тем не менее простота выращивания толстых окисных пленок (до 200 мкм) с высокими электрическими характеристиками в сочетании с высокой теплопроводностью алюминиевой основы (160 - 200 Вт/мК), а также низкая стоимость и высокая технологичность алюминия обеспечи­вают широкое применение плат на основе анодированного алюминия и его сплавов в технологии МКМ для целей одноуровневых коммутационных оснований с хорошим теплостоком.

Для повышения механических свойств и устойчивости при термиче­ских воздействиях используют многослойные плакированные металличе­ские подложки, причем внутренним слоем-основой чаще всего служат титан, железо, медь и их сплавы, а внешними - алюминий и его сплавы с последующим полным или частичным окислением. Привлекательным с точки зрения согласования КТЛР А1₂0₃ и металлической основы (что по­зволяет избежать внутренних напряжений) является использование тита­новой подложки, покрытой слоем алюминия толщиной 30-50 мкм, кото­рый в дальнейшем полностью окисляется. В этом случае можно получить наиболее плотный окисел, не требующий последующей грунтовки. Дос­тигаются высокая механическая прочность и высокие допустимые темпе­ратуры (500 °С). Однако недостатками титана в качестве материала-основы является низкая теплопроводность (14 Вт/мК - меньше чем у по­ликора), к тому же он почти в два раза тяжелее алюминия.

Представителями второго направления создания металлических плат с неорганическим диэлектриком являются стальные эмалиро­ванные платы. Технология изготовления СЭП начинается с формирования стального основания из малоуглеродистой стали. На поверхность основания методом электрофореза или оплавления про­изводится осаждение стекла. Сушку и отжиг осуществляют в кисло-родосодержащей атмосфере при температуре 973 - 1173 К. Проводя­щие и резистивные слои на основании чаще всего формируют методом трафаретной печати.

Достоинства СЭП заключаются в высокой механической прочно­сти, устойчивости к воздействиям внешних факторов (электромагнит­ные излучения, влажность, атмосферная коррозия), высокой адгезии проводников к диэлектрическому покрытию. Отмечены определенные преимущества стальных эмалированных подложек перед керамически­ми - более равномерное распределение температуры по поверхности подложки и возможность установки активных элементов непосредст­венно на металл в окна в слое эмали, обеспечение больших размеров плат (до 200x200 мм²) и высоких рабочих температур (до 800 °С).

К недостаткам СЭП относят: большой вес, ограниченность частот­ного диапазона вследствие высокой диэлектрической проницаемости эмали и сильного поглощения сталью ВЧ-колебаний, возможность об­разования микро- и макротрещин в эмалированном слое, ухудшение изоляционных свойств под влиянием нагрева и электрического поля, возможность миграции ионов из окислов, необходимость дорогостоя­щего оборудования и оснастки, низкую теплопроводность слоя эмали (менее 1 Вт/мК) и стальной основы (менее 45 - 70 Вт/мК), трудности создания равномерного эмалевого покрытия толщиной менее 30 мкм. Теплопроводность таких подложек из-за большой толщины слоя эмали эквивалентна теплопроводности подложек из алюмооксидной керамики, поэтому эмалированные подложки допускают изготовление плат с ма­лой мощностью рассеивания (до 5 Вт/см²).

Третье направление создания металлодиэлектрических плат пред­ставляют металлические платы с полимерной изоляцией. Известен кон­структивно-технологический вариант металлической платы с полимер­ным диэлектриком, предложенный фирмой Bell Laboratories и названный Lampac. Плата Lampac - это алюминиевое или стальное ос­нование с напрессованной коммутационной схемой, которая выполня­ется на гибкой полимерной пленке. При относительно невысокой стои­мости изготовления плата обеспечивает высокую плотность компоновки. При этом особенностью Lampac является четкое разграни­чение функций электрической коммутации и несущей конструкции. Однако низкий коэффициент теплопроводности полимера и невозмож­ность монтажа на обе стороны ограничивают тепловые характеристики и плотность монтажа многокристальной микросборки.

Анализ состояния рынка сбыта КП показывает, что наиболее интенсивно в последние годы развивается направление многослойных КП, особенно на гетероструктурах, т.е. при сочетании разных материалов диэлектрического основания плат. Большая часть из них выполнена с шириной проводящих дорожек 100 - 150 мкм и пригодна для ТПМ. Очевидно, что производство КП для ТПМ развивается активнее, чем производство соответствующих им корпусов элементной базы. Это, вероятно, связано не только с большей номенклатурой навесных компонентов чем КП, но главным образом с тем комплексом вопросов, которые приходится решать при создании корпуса на уровне одного компонента, особенно такого, как СБГИС или СБМСБ. Результаты анализа имеющихся данных позволяют судить о том, что в развитии КП для ТПМ наметились тенденции к стиранию границ между процессами создания пленочных ИС и КП.

Многоуровневые коммутационные системы МКМ

Разработка технологий многоуровневых коммутационных плат - не­отъемлемый этап в развитии высоко плотного монтажа МКМ (Многокристальный модуль). Наиболее распространенными в настоящее время направлениями создания много­уровневой коммутации можно считать: многослойные печатные платы (МПП), толстопленочную многослойную разводку на керамике, тонкопленочную многослойную разводку на гибких (полиимидных) и жестких платах (кремниевые пластины, металлодиэлектрические основания, алмазные подложки и подложки гибридной технологии), платы полимерной техно­логии (профильно-рельефные и планарные конструкции).

Техника поверхностного монтажа революционирует методы конструирования и изготовления коммутационных плат. Попытки обеспечить интенсивный теплоотвод, являющийся главной проблемой при создании коммутационных плат, связанной с уменьшением массогабаритных показателей выводов компонентов, объясняют появление большого количества новых пластмасс, керамических и композиционных материалов для плат. Становятся обычными коммутационные дорожки, имеющие ширину и шаг, равные 200- 50 мкм. Большинство печатных плат, предназна­ченных для монтажа в отверстия, изготавливают по традиционной технологии с шириной и шагом коммутационных дорожек порядка 200 мкм. Вместе с тем техника поверхностного монтажа предъявляет повы­шенные требования к электрофизическим характеристикам коммутационных плат; так, для традиционной платы допуск на полное сопротивление (электри­ческий импеданс), равный ±25%, становится неприемлемым для коммутационных плат, поскольку в последнем случае нужно стремиться получить величину допуска не более ±5%- Это требует включения резистивных нагрузок в конструкцию самой платы.

Материалы коммутационных плат

Развитие техники поверхностного монтажа способствовало появлению новых технических пластмасс, керамических и раз­личных композиционных материалов, необходимых для опреде­ленных типов микросборок. Появление новых материалов также связанно с необходимостью уменьшения задержки сигнала в межэлементных соединениях в условиях повышающейся коммутационной плотности требует сокращения средней длины межэлементной связи на плате, применения для проводников материалов с высокой электропроводно­стью, а для изоляционных слоев с минимальной диэлектрической проницаемостью.

Вот некоторые из материалов используемые при производстве печатных плат:

XPC — это материал с основой из бумаги с фенольным наполнителем. Этот материал имеет класс горючести UL94-HB

FR2 -- Материал с основой из бумаги с фенольным наполнителем. Этот материал имеет класс горючести UL94-V0.

FR3 — это, в основном, европейский продукт. В основном, это FR2, но в качестве наполнителя вместо фенольной смолы используется эпоксидная смола. Основной слой — это бумага.

FR4 — это стеклотекстолит. Это наиболее распространенный материал для печатных плат. FR4 толщиной 1.6мм состоит из 8 слоев стеклоткани #7628. Логотип производителя / обозначение класса горючести красного цвета расположен в середине (4 слой). Температура использования этого материала — 120 - 130°C.

FR5 — это стеклотекстолит подобный FR4, но температура использования этого материала 140 - 170°C.

CEM-1 — это ламинат на бумажной основе с одним слоем стеклоткани #7628. Этот материал не годится для металлизации сквозных отверстий.

CEM-3 наиболее похож на FR4. Конструктив: стекловолокнистый мат между двумя наружными слоями стеклоткани #7628. CEM-3 молочно белый очень гладкий. Цена этого материала на 10 - 15% ниже, чем у FR4. Материал легко сверлится и штампуется. Это полная замена FR4 и у этого материала очень большой рынок в Японии.

G10 немодный ныне материал для стандартных печатных плат. Это стеклоткань, но с другим, чем у FR4 наполнителем. G10 бывает только класса горючести UL94-HB. На сегодняшний день основной областью применения являются платы для наручных часов, так как этот материал легко штампуется.

«Препрег» — это стеклоткань, покрытая эпоксидной смолой. Применения следующие: как диэлектрик в многослойных печатных платах и как исходный материал для FR4. 8 слоев препрега #7628 используются в одном листе FR4 толщиной 1.6 мм. Центральный слой (№ 4) обычно содержит красный логотип компании.

При изготовлении простых и отно­сительно дешевых сборок полностью пригодны традиционные материалы, такие как слоистые бумажнофенольные и стеклоэпо-ксидные материалы. Часто изготовление подобных сборок ста­новится дешевле как бы само по себе, поскольку исключается сверление сквозных отверстий для монтажа компонентов; по оценкам экспертов, только исключение операций сверления отвер­стий может снизить стоимость платы на 10%.

Факторы присущие коммутационным системам

Далее рассмотрим факторы, обусловленные особенностями техники поверхностного монтажа применительно к изготовлению коммутационных плат.

Фактор	Комментарий
Размеры коммутационных плат	С увеличением габаритов коммутационных плат повышается их функциональная сложность и исключаются промежуточные соединители, поскольку установка модулей осуществляется на одной плате. Однако монтаж сверхбольших плат весьма затруднителен и дорог, если еще учитывать групповую обработку плат разных размеров. Выход годных плат после их изготовления в основном определяет практический предел размерам коммутационных плат.
Эффективное использование площади коммутационных плат	По соображениям эффективного использования площади коммутационных плат оптимальным является равномерное размещение на плате компонентов после монтажа. Одни и те же компоненты существуют в разных вариантах корпусного исполнения, отличающихся стоимо­стью, шагом выводов, рассеиваемой мощностью и. т. д. Очень высокая плотность монтажа может затруднить получение надежных контактов ком­понента с платой.
Варианты поверхностного монтажа	Монтаж может быть чисто поверхно­стным, с одной или двух сторон платы, или сме­шанным, когда установка навесных компонентов осуществляется и на поверхность платы, и в сквозные отверстия. У двухсторонних плат по­верхность монтажа автоматически удваивается. Плотность монтажа может быть увеличена вер­тикальной установкой нескольких коммутацион­ных плат на общую несущую плату
Число коммутационных слоев плат	Многослойные платы автоматически уменьшают трудности разводки, правда, при этом усложня­ется процесс их изготовления из-за увеличения числа слоев коммутации и дополнительного свер­ления. Необходимы межслойные переходы для доступа извне к внутренним слоям коммутации. Во время термоциклирования может иметь место деформация платы по оси Z.
Ширина и шаг коммутационной дорожки	При малом шаге координатной сетки возможна более плотная коммутация и, следовательно, более высокая плотность монтажа. Однако реализация узких коммутационных дорожек обходится дорого. Предпочтительна средняя ширина дорожек , позволяющая осуществлять смешанный монтаж компонентов на поверхность платы и в отверстия и обладающая запасом совершенствования. Большие значения шага координатной сетки для технологии производства коммутационных плат не приемлемы.
Применение межслойных переходов	Использование межслойных переходов позволяет уменьшить, необходимое число слоев коммута­ции и осуществлять трассировку дорожек на поверхности платы, но за счет увеличения стои­мости даже в сравнении с традиционной техни­кой монтажа в отверстия. Реализация межслойных переходов предъявляет повышенные требова­ния к технологии изготовления коммутационных плат, особенно в части сверления переходов и их металлизации. Для межслойных переходов обыч­но требуются контактные площадки, и хотя ла­зерное сверление позволяет уменьшить их размер, все же трассировка может быть затруднена ими.
Электрические характеристики	Использование корпусов для ТПМК может быть особенно выгодным, когда требуются проводники малой длины; в других случаях следует учиты­вать, что при малых расстояниях между провод­никами возможно проявление нежелательных эффектов вследствие взаимоиндукции
Отвод тепла	Высокая плотность поверхностного монтажа ком­понентов может вызвать необходимость принятия специальных мер, реализуемых в конструкции коммутационных плат для отвода тепловых по­токов (например, платы с термокомпенсацион­ным слоем или теплоотводом, формируемым между платой и компонентом). В наихудших случаях локальные перегревы могут вызвать усталостные напряжения внутри платы

Все эти факторы тесно связаны с компромиссом между плотностью монтажа и эффективным использованием коммутационной платы, а имен­но: более высокая степень использования плат может служить как целям уменьшения размеров платы с тем же самым количеством коммутационных слоев, так и целям повышения функ­циональной сложности изделий при сохранении размеров плат с одновременным увеличением числа слоев. В обоих случаях в технологию изготовления плат должны вноситься изменения: миниатюризация отверстий и коммутационных дорожек, а также увеличение количества слоев коммутации требуют повышения точности технологических процессов.

Как известно точность проведения технологических процессов напрямую влияет на ширину межсоединений и как следствие на емкостные характеристики проводящих линий коммутационных систем. Емкостные же характеристики определяют быстродействие всей схемы.

Далее рассмотрим технологию создания рисунка проводников потому, что именно от этой технологии будет зависеть ширина коммутационных дорожек, а следовательно и быстродействие.

Технология создания рисунка проводников на слоях коммутационных печатных плат

Наиболее общими показателями уровня печатных плат являются ширина проводников и диаметр межслойных переходов. Тенденция развития печатных плат характеризуется уменьшением ширины проводников (рис.1) и увеличением количества межслойных переходов за счет уменьшения их размеров и использования поверхностных контактных площадок для присоединения выводов компонентов (рис. 2).

.

Используют два вида технологии получения проводящего рисунка слоев печатных плат: на основе субтрактивных методов; на основе аддитивного формирования.

По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или по металлорезисту, осажденному на поверхность гальванически сформированных проводников в рельефе фоторезиста на фольгированных диэлектриках. На рисунках 3, 4, 5 приведены варианты технологических схем получения проводящего рисунка печатных плат по субтрактивной технологии с применением фоторезиста. Первый вариант (рис.3) - получение проводящего рисунка травлением медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в фоторезисте при изготовлении односторонних и двухсторонних слоев многослойных плат (МПП). Второй вариант (рис.4) - получение проводящего рисунка двухсторонних слоев с межслойными переходами, путем травления медной фольги с гальванически осажденным сплошным слоем меди по защитному изображению рисунка схемы и с защитными завесками над металлизированными отверстиями в пленочном фоторезисте. В этом, так называемом процессе "тентинг" , или методе образования завесок над отверстиями, в заготовках фольгированного диэлектрика сверлятся отверстия и, после химической металлизации стенок отверстий , производят электролитическое доращивание меди до требуемой толщины (35-40 мкм) в отверстиях и на поверхности фольги на всей заготовке фольгированного диэлектрика. После этого наслаивается фоторезист для получения защитного изображения схемы и защитных завесок над металлизированными отверстиями. По полученному защитному изображению в пленочном фоторезисте производят травление меди с пробельным мест схемы. Образованные фоторезистом завески защищают металлизированные отверстия от воздействия травящего раствора в процессе травления . В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленные подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями.

Третий вариант (рис.5) применяется, при получении слоев печатных плат путем вытравливания проводящего рисунка по металлорезисту, осажденному на поверхность медных проводников,сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, и на стенки металлизированных отверстий. Как и во втором варианте, пленочный фоторезист наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие операции сверления отверстий и предварительной (5-7 мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии резиста защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением.

Проводящий рисунок формируется последовательным осаждением меди и металлорезиста по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста и на поверхность стенок отверстий. После удаления рельефа пленочного фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются. Профиль поперечного сечения проводников, сформированный травлением по защитному изображению в фоторезисте, имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика.

Анализ замеров ширины линий после травления медной фольги по защитному изображению в пленочном фоторезисте показывает, что интервал разброса значений замеров увеличивается с увеличением толщины фольги. Например, при травлении фольги толщиной 5 мкм интервал разброса ширины порядка 7 мкм, при травлении фольги толщиной 20 мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм разброс составляет около 50 мкм. Искажения ширины медных проводников по отношению к размерам ширины изображений последних в фоторезисте и на фотошаблоне - негативе смещаются в сторону заужения.

Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов гальванической меди производится механической зачисткой абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста.

Для получения изображений используется пленочный фоторезист толщиной 15-50 мкм. Толщина фоторезиста в случае метода "тентинг" диктуется требованиями целостности защитных завесок над отверстиями на операциях проявления и травления, проводимых разбрызгиванием растворов под давлением 1,6- 2 атм и более. Фоторезисты толщиной менее 45 - 50 мкм на этих операциях над отверстиями разрушаются. Для обеспечения надежного "тентинга", диаметр контактной площадки должен быть в 1,4 раза больше диаметра отверстия.

Минимальный поясок изображения контактной площадки (ширина между краем контактной площадки и отверстием) должен быть не менее 0,1 мм.

Травление по защитному рисунку проводится в струйной конвейерной установке в меднохлоридном кислом растворе. Время травления определяется максимальной суммарной толщиной фольги с гальванически осажденным на поверхности медным слоем. Точность изготовления проводников закладывается в конструкторскую документацию на платы. Следовательно, при субтрактивной технологии получения печатных элементов в готовых слоях с заданной шириной, необходимо в размеры изображений на фотошаблоне вводить величину заужения, т.е. к номинальному значению ширины проводника, прибавлять величину заужения.

Из вышеизложенного следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, т.е. минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров порядка 50 мкм при толщине проводников 5-9 мкм , 100-125 мкм при толщине проводников 20 -35 мкм или 150 - 200 мкм при толщине проводников 50 мкм. Для получения логических слоев с металлизированными переходами с более плотным печатным рисунком, с шириной проводников 125 мкм и менее, например, 100 мкм, при их толщине 50 мкм, используется технологический процесс по субтрактивной технологии травлением по металлорезисту (3-й вариант субтрактивной технологии) с использованием диэлектрика с тонкомерной фольгой, толщиной 5 - 9 мкм. В этом случае предварительная металлизация стенок отверстий и поверхности фольги заготовок диэлектрика производится на минимально возможную толщину 8 - 10 мкм. Условия получения изображения в пленочном фоторезисте отличны от условий процесса "тентинга". А именно, для получения изображений используются тонкие пленочные фоторезисты с более высоким разрешением и гальваностойкостью. Подготовка поверхности подложки под наслаивание пленочного фоторезиста из-за небольшой толщины фольги и металлизированного слоя и во избежание их повреждения, проводится химическим способом.

Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, при температуре нагрева валков 115 °С +-5 °С, на подогретые до температуры 60 - 80 °С заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником света, обеспечивющие высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность копировальной рамы с автоматическим дозированием и контролем световой энергии.

Фотошаблоны - позитивы должны иметь резкость края изображения 3 - 4 мкм вместо 7 - 8 мкм у фотошаблонов, применяемых при получении изображений с разрешением 200 - 250 мкм. Проявление изображений проводится в установках проявления - процессорах в стабилизированном трихлорэтане.

Для удаления следов органики с медной поверхности подложки в каналах освобождений в рельефе пленочного фоторезиста проводится обработка в окислителе - в 20% растворе серной кислоты в течение 2-х минут с последующей промывкой в воде и калориферной сушкой в конвейерной струйной установке , после чего для повышения гальваностойкости защитного изображения проводится световое дубление в светокопировальных рамах по режимам экспонирования. Проводящий рисунок формируется в рельефе пленочного фоторезиста последовательным гальваническим осаждением меди на толщину 20-40 мкм и олово/свинца (ПОС-61 ) на толщину 9 -12 мкм или никеля на толщину 3-5 мкм.

После удаления фоторезиста производится травление медной фольги с металлизированным слоем суммарной толщиной 10-15 мкм с пробельных мест схемы. Для этого применяется травильная установка с медноаммиачным травильным раствором. В варианте использования металлорезиста ПОС-61 последний удаляется в травильном растворе в струйной конвейерной установке. При применении в качестве металлорезиста никеля сложность процесса в том, что слой никеля остается на поверхности проводника и несколько шире его медной части. Поэтому применение металлорезиста сплава олово/свинец с последующим его удалением является более технологичным процессом.

Из изложенного выше можно сделать вывод: изготовление слоев по субтрактивной технологии с применением диэлектриков с тонкой медной фольгой толщиной 5 - 9 мкм обеспечивается получение проводящего рисунка с минимальной шириной проводников и зазоров между ними порядка 50 мкм при толщине проводников 5-9 мкм и 100 - 125 мкм при толщине проводников 40-50 мкм. Такие ширины коммутационных дорожек обеспечивают неплохое быстродействие. Также уменьшение ширин и толщин проводящих слоёв минимизирует паразитные связи.

Технология формирования слоев методом ПАФОС.

Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30-50 мкм рекомендуется использовать метод ПАФОС. Это полностью аддитивный электрохимический метод, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются аддитивно, т.е. селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод ПАФОС, как аддитивный метод, принципиально отличается от субтрактивного тем,что металл проводников наносится, а не вытравливается.

Проводящий рисунок формируется гальваническим осаждением тонкого слоя никеля толщиной 2-3 мкм и меди толщиной 30 - 50 мкм по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, полученного на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали, поверхность которых предварительно покрывается гальванически осажденной медной шиной толщиной 2-20 мкм. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев . После этого пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в препрег или другой диэлектрик. Прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности носителей.

В случае слоев без межслойных переходов медная шина стравливается (схема процесса приведена на рис.6.а). При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины проводятся операции получения межслойных переходов металлизацией отверстий с контактными площадками, после чего медные шины стравливаются (рис.6.б). Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию травильного раствора.Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, т.е. процессами фотохимии.

Лучшее качество подготовки поверхности медной шины на "носителях" обеспечивается зачисткой водной суспензией пемзы. Однако, механическая зачистка не всегда применима, т.к. иногда вызывает разрушение медной шины, особенно на "носителях" больших размеров.

Поэтому лучше применять химическую подготовку обработкой в растворе персульфата аммония на струйных конвейерных установках. Эта подготовка обеспечивает адгезию и химическую стойкость защитных изображений на операциях гальванического формирования проводящего рисунка и щелочного оксидирования. Условия проведения операции экспонирования для получения изображений в пленочном фоторезисте с разрешением 50 - 100 мкм.

Фотошаблоны должны иметь высокие оптические характеристики - оптическая плотность прозрачных полей менее 0,1 ед.оптической плотности, непрозрачных полей более 3,5 ед. оптической плотности, резкость края изображения не хуже 2 - 3 мкм.

Экспонирование изображений должно проводиться на установках с точечным источником света с высококоллимированным интенсивным световым потоком, с автоматическим дозированием и контролем световой энергии. Температура нагрева копировальной поверхности в процессе экспонирования не должна превышать температуру помещения более, чем на 3 - 5 °С (температура помещения 21 +-1 °С).

Проявление изображений должно проводиться в струйных установках с форсунками среднего и высокого давления. После проявления изображений с целью удаления следов органики с поверхности медной шины в узких каналах рисунка освобождений в рельефе пленочного фоторезиста следует проводить обработку в 20% растворе серной кислоты в течение 2-х минут.

Последовательность проведения операций обработки в окислителе та же, как в случае получения изображений высокоплотных схем по субтрактивной технологии с применением диэлектрика с тонкомерной фольгой.

При обеспечении правильных условий проведения процессов получения изображений в пленочных фоторезистах достигается следующее:

1) ширина гальванически сформированных проводников в фоторельефе пленочных фоторезистов на высоте между уровнями от 0,2 до 0,7 толщины фоторезиста равна ширине изображения проводника на фотошаблоне, интервал разброса замеров не превышает 5 - 10 мкм;

2) искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм до 20 мкм;

3) суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте фоторельефа не превышает 15 - 20 мкм.

Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие нагрева рабочей копировальной поверхности, например, на моделях HMW-201 и OPTI-BEAM 7100, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки.

Печатные платы с глухими межслойными переходами.

Наиболее распространенными в настоящее время направлениями создания много­уровневой коммутации можно считать: многослойные печатные платы (МПП)

По мере увеличения плотности связей и выполнения специальных условий распределения тока питания, экранирования и уменьшения уровня перекрестных помех наблюдается увеличение объема использования в радиоэлектронных изделиях четырехслойных (рис.10) и шестислойных (рис.11) печатных плат.

Основным структурным элементом четырехслойных и шестислойных печатных плат с глухими переходами являются двухслойные заготовки с сигнальными проводниками и межслойными переходами.

Имеется три разновидности технологии изготовления таких двухслойных сигнальных заготовок:

- последовательное формирование вначале внутренних сигнальных слоев и переходов в отдельных заготовках, затем, после прессования пакета, формирование наружных сигнальных слоев и сквозных переходов;

- одновременное формирование проводников на обеих сторонах двухслойных заготовок, затем, после прессования, формирование локальных и сквозных межслойных переходов;

- одновременное формирование сигнальных проводников и межслойных переходов в двухсторонних заготовках, затем, после прессования, формирование только сквозных переходов.

Высокая плотность проводников и переходов при высокой их надежности достигается в межслойных переходах через глухие отверстия, формируемые с помощью лазерного луча. Выбираемая произвольная форма перехода, большая площадь планарного контактирования, эпитаксиальный слой и короткая длина, способствуют реализации простых конструкций переходов. В этих платах для получения достаточной устойчивости монтажных контактных площадок при операциях пайки во время монтажа и ремонта можно использовать закрепление этих площадок снизу дополнительными проводниками межслойных переходов. Одновременное использование межслойных переходов для замоноличивания контактных площадок позволяет существенно увеличить плотность проводников на наружных слоях и создать оптимальные условия поверхностного монтажа микросхем с очень малым шагом выводов.

В изготавливаемых по описанной технологии шестислойных печатных платах реализуется ширина сигнальных проводников от 50 мкм, зазоров от 100 мкм, при толщине проводников 35 - 40 мкм, диаметре внутренних переходных отверстий от 100 - 125 мкм, диаметре сквозных отверстий от 300 мкм.

Можно использовать изоляционный материал - стеклоэпоксид или стеклополиимид. Размер групповых заготовок плат от 200 х 260 мм.

От системы базирования во многом зависит выбор величины элементов рисунка, зазоров между ними, типа и габаритов платы и, в конечном счете, надежности и стоимости изделия.

Коммутационные печатные платы с теплопроводными слоями

Как известно усредненная задержка обработки информации, определяющая бы­стродействие электронных средств, зависит как от задержки переключения в логическом элементе, так и от задержки в линиях связи между кристаллами.

Задержка переключения в логическом элементе зависит от темпе­ратуры кристалла. Поэтому высокая плотность поверхностного монтажа ком­понентов может вызвать необходимость принятия специальных мер, реализуемых в конструкции коммутационных плат для отвода тепловых по­токов. В наихудших случаях локальные перегревы могут вызвать усталостные напряжения внутри платы.

Для получения хорошей конструкции устройства на печатной плате в соответствии с условиями их применения и другими характеристиками (термоудар, вибрация и т.д.) необходимо учитывать рассеиваемую компонентами мощность и механические условия работы. Размещение ИС на жесткой печатной плате должно быть таким, чтобы обеспечивалась эффективная теплопередача от кристаллов к теплообменным элементам конструкции устройства, а возможности разводки электрических связей не ущемлялись.

При использовании метода ПАФОС для изготовления печатных плат имеется большой запас плотности размещения проводников и межслойных переходов. В этом случае проводники и переходы на плате можно специфицировать на два вида: первый - проводники и переходы для передачи электрических сигналов, второй - проводники и межслойные переходы для теплопередачи от микросхем до теплообменников.

Конструкция представляет собой печатную плату со специальными проводниками и отверстиями в комплексе с металлической пластиной - слоем для увеличения отвода тепла от кристаллов. Для изготовления этого типа плат можно использовать производственную линию со стандартными установками . Установки для поверхностного монтажа компонентов также стандартные. Сочетанием указанных здесь принципов можно без каких-либо ограничений получать оригинальные конструкции, включая и трехмерные.

Основные требования к многоуровневой коммутации

В окончании данного реферата считаю важным указать основные требования предъявляемые к многоуровневым коммутационным системам.

Основными требованиями к многоуровневой коммутации являются:

• высокая плотность рисунка коммутации при достаточно боль­ших размерах платы.

• минимальная масса и высокая механическая прочность;

• снижение числа электроконтактных соединений при формиро­вании переходов с одного уровня коммутации на другой;

• обеспечение высоких электрофизических параметров и быстро­действия за счет применения материалов для межслойной изоляции, об­ладающих минимальными диэлектрической постоянной и тангенсом угла диэлектрических потерь, а для проводящих слоев - отличающихся высокой электропроводностью;

• преимущественное применение автоматизированных и группо­вых способов присоединения выводов; обеспечение универсальности монтажа кристаллов с любыми выводами;

• возможность применения комплексного машинного проектиро­вания и легкость перестройки на другую топологию;

• высокая ремонтопригодность;

• обеспечение эффективного теплоотвода.

Лекция 12-13. Многокристальные модули. Конструкция и технология производства МКМ без сварных и паяных соединений. Профильно-рельефные конструкции.

Развитие ТПМ как эффективнейшего средства миниатюризации ЭВС от ЭУ на ГТМ компонентах (ПМК) в микрокорпу­сах до ЭУ на БК так же естественно, как и повышение плотности ком­мутации плат-носителей выводов, оснований корпусов и.т.д., на которых БК монтируются. С этой точки зрения минимальную длину и макси­мальную плотность сигнальных трактов (а следовательно, и наибольшее быстродействие ЭУ) можно получить при многоуровневой разводке коммутации на самом кристалле. Поэтому весьма заманчивой казалась идея создания свсрхплотноупакованной аппаратуры в одном большом кристалле (суперчипе) на основе интеграции различных структур БИС и СБИС (субчипов), объединяемых в систему с помощью многоуровневой коммутации на поверхности суперчипа. Однако реализация суперчипа оказалась нецелесообразной не только из-за сложностей сопряжения таких устройств с органами управления, индикации и т.д., но главным об­разом по следующим причинам:

• весьма низкого выхода годных изделий из-за неудовлетворительной технологической совместимости разнородных структур БИС (СБИС), изготавливаемых в одном технологическом цикле, по технологическим ограничениям и функциональным критериям (например, од­новременное изготовление устройств сопряжения со специальной логи­кой работы (не требующих сверхвысокого быстродействия) с универ­сальными устройствами высокого быстродействия (с БИС (СБИС) памя­ти, со СБИС обработки изображений и др.);

• ограниченности в технических и программных средствах, а также в технологических нормах проектирования оригинальных СБИС с про­извольной логикой;

• существенного удорожания процессов проектирования, изготов­ления и отработки конструкции и технологии (включая контроль и испытания) интегрированных СБИС.

В конечном счете технико-экономически целесообразной оказалась интеграция однотипных структур БИС (СБИС) в виде суперчипа с ис­пользованием разнотипных СБИС в виде навесных БК, монтируемых на поверхности суперчипа по СОВ- или ТАВ-технологиям. Это, в сущности, возврат к гибридным тонкопленочным микросборкам, но уже в новом качестве, т.е. это сверхбольшие МСБ (СБМСБ), отличающиеся от ранее освоенных МСБ не только высокоплотной компоновкой БИС (СБИС, УБИС), но и многоиерархическим применением (т.е. СБМСБ может использоваться как в качестве навесного компонента, так и ячей­ки, узла, блока ЭУ либо готового устройства).

Со второй половины 80-х годов появилось большое разнообразие конструкторско-технологических вариантов СБМСБ (например, см. рис.2.6), названных суперкомпонентами, что положило начало развитию нового направления ТПМ, известного как многокристальные модули (МКМ).

Современные способы реализации МКМ

Современное состояние перспективных разрабо­ток МКМ можно охарактеризовать следующими осо­бенностями:

• преимущественное использование бескорпусных либо полукорпусированных БИС (СБИС, УБИС), а в отдельных случаях и совместно с пассивными чип-компонентами;

• широкое использование толсто- и тонкопленочной технологий;

• использование коммутационных плат (подложек) с многоуровне­вой разводкой коммутации; с рельефной поверхностью (для заглублении компонентов во время сборки) при создании объемных МКМ (ОМКМ); со встроенными пассивными пленочными элементами, со встроенными теплоотводами в структуру подложки для мощных ОМКМ;

• применение (кроме кремния) разнообразных органических и не­ органических материалов (а также их сочетаний) в качестве оснований плат (подложек).

• применение новых перспективных способов монтажа, исклю­чающих традиционные методы микроконтактирования. т.е. пайку и микросварку. Это прежде всего способы сращивания металлизации БК и контактных площадок платы, а также различные способы реализации полимерной технологии.

Интенсивному развитию технологий для создания МКМ и ОМКМ (или объемных интегральных модулей, т.е. ОИМ) способ­ствовали не только имевшиеся конструкторско-технологические нара­ботки по изготовлению ГИС (БГИС) и МСБ. но и расширение сферы применения сверхминиатюрных устройств. для которых во многих слу­чаях тонкопленочная технология просто не имеет альтернативы. Речь идет в первую очередь об аппаратуре микроволнового диапазона, каче­ство и надежность функционирования, которой в основном зависит от точности воспроизведения малых топологических размеров элементов схемы.

Проблематичными для МКМ и ОИМ все еще остаются сложности их проектирования и изготовления, невозможность быстрого внесения коррективов при отработке конкретных конструкторско-технологических вариантов, а также защита от влияния дестабилизи­рующих факторов внешней среды и пока еще высокая стоимость разра­боток. Что касается низкой ремонтопригодности, то потребителям она меньше всего нужна, гораздо больше их интересует безотказность в ра­боте и с этой точки зрения перспективность МКМ, включая ОИМ, не вызывает сомнений.

Планарные конструкции

К очевидным достоинствам планарных конструкций с использова­нием полимерной технологии относятся: совмещение процессов созда­ния многослойной коммутации с процессами монтажа кристаллов, вы­сокая плотность упаковки кристаллов, эффективный теплоотвод от кристаллов (если подложка выполняется из металла). Вместе с тем здесь требуются безвыводные кристаллы с гарантированной аттестацией, что весьма затруднительно. К недостаткам таких конструкций относятся: высокая стоимость изготовления МКМ (так как в случае некачественно­го выполнения операции в брак уходит вся подложка с годными кри­сталлами), низкая ремонтопригодность, ограниченность типов кристал­лов, устанавливаемых на подложках, ввиду значительного влияния условий монтажа на качество некоторых типов СБИС.

Для этой технологии необходимо решить следующие проблемы:

• создать единую пленарную поверхность соединения плоскость кристалла - плоскость подложки, подготовленную к металлизации, как правило, тонкопленочной;

• выставить прецизионно (с точностью ±5 мкм) кристаллы СБИС друг относительно друга согласно электрической схеме; немаловажно и жестко зафиксировать кристаллы в процессе формирования платы, обеспечив чистоту рабочей поверхности кристалла;

• создать надежный пленочный переход в месте стыка кристалл-подложка. Обычно высота ступеньки не должна превышать толщину тонкопленочной металлизации. Поверхность перехода должна быть беспористой и без раковин (наличие которых объясняется выделением летучих продуктов в процессе отверждения полимера);

• обеспечить термо- и химическую стойкость, а также минимальную напряженность конструкции, согласовав КТЛР соединяемых материалов.

Методам создания многослойных структур по пленарной техноло­гии в зарубежной и отечественной практике уделено достаточное вни­мание. Технологические особенности изготовления того или иного конструктива во многом определяются одним из трех вариантов разме­щения кристаллов на основании платы: в сквозных отверстиях, в углуб­лениях или на поверхности.

Характерными операциями варианта размещения кристаллов в сквозных отверстиях платы являются следующие. В подложке, выпол­ненной из кремния, изготавливают совпадающие по форме и размерам с монтируемыми приборами сквозные отверстия, в которые устанавлива­ют кристаллы; на непланарной стороне подложки наносят последова­тельно слой диэлектрика и слой поликремния, после чего на планарной стороне подложки наносят диэлектрические и проводящие слои, элек­трически соединяя кристаллы с разводкой подложки.

Типичный пример размещения кристаллов в углублениях платы представлен на рис.1. На плату с кристаллами, установленными в вы­емки, наносится термопластик, создавая планарную структуру. Далее путем фотолитографии и послойного формирования коммутационных слоев создается МКМ.

Рис.1. Пример размещения кристаллов в углублениях

платы по планарной технологии: 1 - плата; 2 - углубления;

3 - кристалл; 4 - термопластик; 5 - первый уровень

коммутации; б - второй уровень коммутации

При размещении на поверхности платы разновысотных кристал­лов с целью выравнивания стыка последние прецизионно устанавлива­ются через липкую ленту на алюминиевую подложку и под давлением с нагревом запрессовываются в подложку; далее на поверхность кри­сталлов наносится полиимид, полимеризуется, и затем традиционными методами создаются межсоединения.

Иной принцип формированя планарной конструкции при исполь­зовании разновысотных компонентов состоит в следующем. Кристаллы ИС, резисторы и конденсаторы в форме ЧИПов устанавливают контакт­ными площадками вниз на технологическую подложку с пленкой полиимида, например, впрессовывают в верхний слой адгезива на основе полиэфиримида. После отверждения адгезива кристаллы герметизируют термореактивным или термопластичным полимером, наполненным час­тицами стекла или SiC, Аl₂О₃, AlN. Технологическую подложку удаля­ют, а на пленке полиимида формируют одно- или многослойную струк­туру тонкопленочных проводников, соединяемую с контактными площадками кристаллов и защищаемую полимером.

С целью повышения точности совмещения применяют технологию фотопечатного монтажа с использованием светочувствительной смолы. Кристаллы ИС совмещают с соответствующими реперными знаками фотошаблона, что обеспечивает их точную ориентацию. Вместе с тем такая технология имеет ряд недостатков. Относительно большая сум­марная толщина пластмассового покрытия исключает возможность ис­пользования кристаллов с малыми контактными площадками. Примене­ние светочувствительной пластмассы, как правило, имеющей высокие КТЛР и усадку, приводит к увеличению механических напряжений кон­струкции и появлению ступеньки в местах стыка кристалла и подложки, как следствие, к разрыву электрического контакта. Ввиду использования для создания коммутации технологии послойного наращивания количество слоев не превышает трех - четырех, а плотность межсоединений определяется величиной не более 200 см/см².

Профильно-рельефные конструкции

Создание профильно-рельефных плат полимерной технологии заключается в том, что в заготовке из термопласта (например, полиэфиримида) создают рельеф (с применением штампов, лазерного фрезерова­ния, прессования и других способов), соответствующий топологическому рисунку коммутации (в виде канавок, углублений, сквозных отверстий), затем осуществляют металлизацию (обычно с двух сторон заготовки). Для металлизации используют аддитивную либо полуаддитивную техно­логию, включая вакуумное напыление проводящих слоев, а также переносную или трафаретную печать полимерных проводящих паст. Затем на выступающих частях платы металлизацию удаляют (преимущест­венно шлифовкой) до тех пор, пока она останется только в углублениях основания платы. Плотность коммутации таких плат зависит чаще всего от способа получения рельефа.

Основные преимущества рельефных плат - повышенная надеж­ность коммутации, возможность реализации монтажа без пайки или сварки, возможность совмещения во времени процесса изготовления та­ких плат со сборкой и монтажом на них компонентов.

Самостоятельное направление полимерной технологии представляет монтаж: с применением фотополимеров, а также анизотропных лент и контактолов. В данном конструктивном варианте фотополимерные ком­позиции используются в качестве диэлектрических и проводящих слоев, отверждающихся при воздействии ультрафиолетового излучения, что не требует нагрева выше комнатной температуры и сокращает время прове­дения операций формирования межсоединений до нескольких секунд (длительность отверждения полимера) (рис.2). В настоящее время по такой технологии изготовлены МКМ с четырехслойной разводкой ком­мутации и заглублением кристаллов в объеме плат. Максимальное число слоев коммутации может быть большим, так как данная технология по­зволяет сглаживать их рельефность. Однако в этом конструктивном вари­анте не решена проблема обеспечения теплорассеивания.

Рис.2. Плата МКМ, изготовленная по полимерной технологии: 1 - поли­мерное защитное покрытие: 2 - контактол; 3 - полимерное основание; 4 - коммутационный переход; 5 - кристалл; 6 - межслойный полимерный диэлектрик

Известна конструкция, когда подложка не имеет отверстий для установки и монтажа кристаллов. На нее наносят слой диэлектрика, на котором формируют проводящий слой с рисунком коммутирую­щих элементов. Эти операции повторяют нужное число раз. Углуб­ления для установки и монтажа кристаллов выполняют только в верхнем слое диэлектрика, что позволяет осуществлять замену ком­понентов в случае необходимости и упрощает контроль и ремонт смонтированных МКМ. Однако в этом случае существенно снижает­ся плотность монтажа.

Многоуровневая разводка на гибких полимерных основаниях

Распространен вариант изготовления многоуровневой платы для МКМ на полиимидной основе - на ленте-носителе, фольгированной ме­дью с двух сторон. В фольге формируют структуру проводников и от­верстия для посадки кристаллов. На стороне ленты, предназначенной для монтажа кристаллов, наносят полимерный адгезив. В него запрессо­вывают контактными площадками вниз кристаллы ИС, которые затем сверху герметизируют полимером, например эпоксидной смолой с силоксанполиимидом. На обратной стороне ленты проводят вскрытие окон и нанесение разводки тонкопленочных проводников, соединяю­щих между собой кристаллы. Однако по этому варианту количество уровней разводки ограничено и составляет не более четырех.

Гибкие платы, несомненно, являются одним из самых перспектив­ных направлений в технике монтажа МКМ. Возможность создания мно­гослойных структур, способность неоднократно изгибаться и сверты­ваться в трех плоскостях, принимать форму корпуса сложной конфигурации, малые толщины и, соответственно, масса, высокая ударопрочность - вот далеко не полный перечень достоинств гибких плат.

Применение гибких плат сокращает монтаж в несколько раз, удешевляет производство на 40 - 45%, уменьшает вес приборов на 30 - 50%.

Для монтажа бескорпусной элементной базы в составе МКМ в на­стоящее время наиболее часто используется приварка проволочных вы­водов. Однако увеличение числа монтажных выводов у кристаллов ве­дет к тому, что преобладающими методами сборки кристаллов в МКМ становятся методы монтажа с организованными выводами: метод перевернутого кристалла и метод на гибких полиимидных носителях.

Трех- и двумерные конструктивные исполнения монтажа

Технология сборки МКМ, направленная на формирование единой электрической цепи многослойной платы и СБИС при обеспечении техни­ческих требований по быстродействию, тепловым и массогабаритным по­казателям, во многом определяется технологиями создания многослойных несущих оснований и кристаллов СБИС с гарантированной аттестацией.

Весьма перспективной технологией монтажа МКМ следует при­знать технологию трехмерного монтажа (3D), предполагающую улуч­шение технических характеристик в сравнении с технологией двумер­ного монтажа (2D) (рис.3).

Рис.3. Расположение элементов при монтаже МКМ трехмерной конструк­ции (3D): 1 - область подложки и 2D-технологии; 2 - места под кристаллы в 2D-технологии:

3 - места под кристаллы и 3D-технологии: 4 - область подложки в 3D-технологии

Определяющими здесь становятся монтажные вертикальные меж­соединения, обеспечивающие передачу питания, земли и сигналов в различные слои трехмерного модуля. При этом необходимо решать тех­нологические проблемы соединения как кристаллов, так и двумерных микросборок - модулей.

В технической литературе приводится множество конструктивов вертикального соединения кристаллов (рис.4) и многокристальных сборок между собой (рис.5-6). Отмечается перспективность исполь­зования гибких пленочных носителей, универсальных для вертикального соединения как на уровне кристаллов, так и МКМ.

Однако все конструктивно-технологические варианты трехмерной упаковки носят сложный незавершенный характер и требуют дополнитель­ных дорогостоящих исследований. Актуальны проблемы повышенного от­вода тепла, помехозащищенности и ремонтопригодности. Сложность про­ектирования, отсутствие инфраструктуры для производства приводят к еще большему удорожанию технологии монтажа трехмерной упаковки.

В случае ЗD-технологии требуется в 3 - 4 раза больше времени для организации производства, чем в случае 2D-технологии. Именно поэто­му 2D-технология монтажа МКМ на ближайшие десять лет прогнозиру­ется как доминирующая.

Технология монтажа методом перевернутого кристалла с шариковыми выводами

При использовании соответствующего оборудования сборка мето­дом перевернутого кристалла позволяет легко осуществлять как мон­таж, так и замену кристаллов. Тем не менее для достижения требуемого качества монтажа кристаллов с ПМВ на плату, а также эксплуатацион­ной надежности необходимо обеспечить:

• хорошую смачиваемость припоем ПМВ;

• отсутствие зазоров и пор в ПМВ;

• низкое переходное сопротивление контактных соединений в системе БК - знакоместо КП;

• высокую адгезию ПМВ с кристаллом в требуемых температурном и временном диапазонах с повышенным временем безотказной работы;

• полужесткость ПМВ, т.е. способность к деформации при монтаже, что упрощает решение проблем разновысотности ПМВ при оплавлении припоя и минимизации в них остаточных напряжений после монтажа;

• минимум технологических операций, выполняемых в жидких технологических средах.

Рис.4. Варианты вертикального соединения кристаллов в технологии монтажа трехмерного МКМ: а - использование проволочных выводов; б - использование гибкого носителя (прокладки и адгезив между СВИС условно не показаны); в - использование шариковых выводом (1 - монтажная плата; 2 - СКИС; 3 - выводы СБИС; 4 - контактная площадка платы; 5 - адгезив; 6 - прокладка;

7- металлизированный переход)

Рис.5. Варианты вертикального соединения двумерных МКМ с использованием их боковых поверхностей: а - изометрия МКМ; б - поперечный разрез МКМ (1- микромодуль; 2 - прокладка с межсоединениями; 3 - адгезив)

Рис.6. Варианты конструкторско-технологической реализации трехмерных МКМ: а - с использованием корпусированных компонентов (TCP и CSP); б - бескорпусных кристаллов БИС (СБИС) на полиимидной коммутационной плате-носителе; 1 - стеклотекстолитовая плата; 2 - компонент в корпусе типа CSP; 3 - компонент в корпусе типа TCP; 4 - ленточный вывод; 5 - контактные площадки знакомест платы; 6 - полиимидная коммутационная плата-носитель; 7 - бескорпусные кристаллы; 8 - пунктиром показаны знакоместа для бескорпусных кристаллов БИС (СБИС); 9 - гибкий шлейф с внешними выводными

площадками; 10 - внешние шариковые выводы

Отмечая такие достоинства метода монтажа перевернутым кри­сталлом, как весьма высокая производительность, низкая стоимость, от­сутствие потерь места при посадке кристаллов, следует указать на ряд недостатков, в значительной степени ограничивающих применение ме­тода. Это прежде всего наличие остаточных термомеханических напря­жений, влияние разновысотности ПМВ на качество монтажа (особенно на жестких платах), трудность контроля качества монтажа, а также функ­ционального контроля БК, дополнительный отход кристаллов в брак (до 17%) на операциях изготовления объемных шариковых выводов.

Выводы

Использование МКМ несомненно выполняют задачу по увеличению возможностей обработки данных одной схемой. Также огромным плюсом данной технологии является что используемые кристаллы являются бескорпусными и длина межсоединений в многокристальных модулях во много раз меньше, чем на печатной плате, то скорости, при которых работают модули, достигают гигагерцовых частот. Многокристальные модули вначале использовались в крупных компьютерах на подобие того который был рассмотрен в примере. Теперь же они применяются в Персональных Компьютерах (ПК) и рабочих станциях сейчас например ярким представителем массового производства является двуядерный процессор Intel Core 2 Duo. Во многих СМИ уже давно сообщается о разработках 8-, 16-ти ядерных процессорах. Можно говорить, что мировые производители МЭА по достоинству оценили превосходство технологии МКМ т.к. она позволяет не увеличивая степень интеграции структур на кристалле наращивать производительность МЭА путем увеличения числа компонентов при малой длине межсоединений между ними, тем самым обеспечивая максимальную производительность. Но как для всего на свете – нет ничего идеального, принципиально остро стоит решение проблемы отвода тепла от схем такого типа, такая плотная концентрация кристаллов выделяет такой же плотный поток тепловой энергии, который существенно влияет на работу всей схемы. Если удастся создать качественный отвод тепла от кристаллов то даже при нынешнем развитии микроэлектроники мы сможем получить современные ПК с таким размером и весом что их с легкостью можно будет разместить в кармане. Так же есть проблема с качественной сборкой и плохой ремонтно-пригодностью таких схем (по большей степени касается объемных структур), но все это вопросы отработки технологии т.е. необходимо отработать технологию так чтобы иметь 100% выход годных и повысить надежность системы, тогда вопрос о ремонтно-пригодности будет неактуален (т.к. схема в принципе не может сломаться находясь в своей эксплуатационной среде), а количество брака будет минимальным. Все вышеперечисленное приведет к заметному снижению цены на МКМ а в следствии чего увлечения спроса на них.

Лекция 14. Конструктивно-технологические методы обеспечения эффективного теплоотвода у перспективных электронных компонентов бортовой аппаратуры КА.

Актуальность и современное состояние проблемы

Основными тенденциями электронных средств в микроэлектронном исполнении являются увеличение их сложности и снижение габаритов, с одной стороны, и увеличение требований к стабильности параметров – с другой. Эти тенденции противоречивы, так как увеличение сложности и уменьшение габаритов приводят к увеличению напряженности теплового режима, а требование обеспечения стабильности параметров системы связано с необходимостью его облегчения. В данных условиях основная проблема в технологии МКМ – обеспечение требуемого уровня качества и надежности ИМС. А одним из основных показателей монтажа МКМ является обеспечение тепловых характеристик и в первую очередь интенсивного отвода тепла, выделяемого кристаллами. Актуальность проблемы связана с тем, что элементы конструкции электронных средств могут нормально функционировать в ограниченном температурном диапазоне и обладают ограниченной термостойкостью. Так при нарушении теплового режима возможны следующие воздействия на работоспособность МКМ: нестабильность и деградация электрических параметров, обрывы и короткие замыкания соединений и выводов, потеря герметичности корпуса, изменение механических характеристик и т.д. Поэтому эффективность и качество конструкции электронных средств в значительной степени зависят от их способности отводить теплоту.

Обеспечение нормативных тепловых режимов всех элементов, входящих в электронные устройства, является необходимым, хотя и не единственным условием их надежной работы. Современные тенденции повышения быстродействия и микроминиатюризации электронных средств увеличивают удельную тепловую нагрузку и усложняют проблему теплового конструирования.

В рабочих условиях в результате внутреннего тепловыделения температура внутри устройства становится выше температуры окружающей среды. Вследствие неравномерного распределения источников тепла по объему устройства появляется неравномерность распределения температуры внутри устройства (рис.1.1). Изменения температуры вызывают соответственно изменения электрических и механических свойств материалов и характеристик электронных устройств. При этом возникают обратимые и необратимые эффекты, приводящие к снижению надежности и появлению нестабильности работы устройства.

а) б)

Рис.1.1. Изменения температуры в модуле МКМ в результате

переноса тепла от кристаллов: а) до включения; б) после включения

Обеспечение нормативных тепловых режимов электронных средств, т. е. обеспечение такого температурного поля в устройстве, при котором все используемые элементы работают в условиях, соответствующих требованиям ТУ, является одной из основных задач, решаемых при конструировании. Основной способ обеспечения требуемого теплового режима заключается в создании теплового динамического равновесия, т. е. создание условий, при которых количество рассеиваемого в окружающей среде тепла равняется количеству тепла, выделяемого в устройстве. Основные потери в силовых транзисторах и модулях создаются непосредственно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом, отводится через корпус элемента на теплоотвод и далее в окружающую среду. Передача тепла от аппаратуры, модулей и блоков в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией, излучением. В процессе охлаждения в зависимости от способа отвода тепла любой из этих процессов может доминировать. Например, если охлаждаемое устройство установлено на теплосток с жидкостным охлаждением, большая часть тепла отводится за счет теплопроводности. При использовании вентиляторов в режиме принудительного охлаждения основное тепло отводится за счет конвекции.

При выборе способа охлаждения учитываются режим работы аппаратуры, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, плотность теплового потока, объект установки, условия окружающей среды.

При кондуктивном охлаждении передача теплоты осуществляется через непосредственный контакт с помощью тепловых разъемов, теплопроводящих шин, печатных плат на металлической основе, радиаторов. Количество теплоты Q_K, передаваемой в статическом режиме кондукцией, определяется выражением:

,

где λ_m – коэффициент теплопроводности; S – площадь теплостока; l – длина пути передачи тепла; ΔT – разность температуры конструкции и окружающей среды.

При конвективном теплоотводе, как правило, используются следующие 3 способа охлаждения:

1) Воздушное естественное. Применяется в бытовой аппаратуре и в блоках, где плотность тепловых потоков не превышает 0,05 Вт/см². При компоновке необходимо стремиться к равномерному распределению выделяемого тепла по всему объему блоков.

2) Принудительное воздушное охлаждение. С помощью автономных вентиляторов обеспечивается теплоотвод от модулей и блоков с мощностью излучения не более 0,5 Вт/см². Применяется вытяжная или приточно-вытяжная схема охлаждения.

3) Водовоздушная система охлаждения. Используется в герметичной аппаратуре, а также при обеспечении теплоотвода от модулей и блоков с мощностью излучения свыше 0,5 Вт/см². Отвод теплоты от блоков осуществляется от центрального кондиционера или с помощью автономных вентиляторов воздухом, или жидким хладогеном.

Тепло от кристалла отводится прежде всего через материалы, находящиеся в непосредственном контакте с ним, т. е. корпус элемента и теплоотвод. Поскольку теплоотвод имеет конечные размеры, его температура всегда выше температуры окружающей среды. Эта разница зависит от размера, формы, материала радиатора и способа охлаждения (естественная или принудительная вентиляция, жидкостное охлаждение). Целью всегда является ограничение температуры кристалла на допустимом уровне.

Для моделирования с помощью ЭВМ тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭА, таких как стоечные конструкции, блоки, печатные узлы, функциональные ячeйки, микросборки, могут быть использованы тепловые модели. Целью моделирования является получение тепловых полей конструкций РЭА, функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов. Тепловые модели позволяют решать следующие задачи:

– определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных особенностей РЭА различного назначения (авиационной, космической, автомобильной и др.) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимых с точки зрения электрических характеристик или показателей надежности тепловых режимов работы РЭА;

– выбор лучшего варианта конструкции РЭА из нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых характеристик;

– обоснование в необходимости дополнительной защиты РЭА от температурных воздействий;

– создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия.

Перспективы развития конструктивно-технологических решений эффективного теплоотвода

Известно, что одна из самых важных и сложных задач, возникающих при разработке электронной аппаратуры,– отвод выделяемого ею тепла. При современной устойчивой тенденции к уменьшению габаритов электронных устройств эта проблема не исчезает, а напротив, становится все более острой, и тем сильнее, чем выше мощность устройства и меньше его физический объем.

К настоящему времени в мировой технической практике МКМ имеется определенный опыт обеспечения теплоотвода, основанный на применении как различных теплопроводных материалов плат, так и специальных конструктивно-технологических вариантов для монтажа кристаллов в МКМ.

Теплопроводящие материалы для электронных устройств и приборов

Быстрое развитие электроники было бы невозможно без столь же быстрого развития промышленности специальных материалов. Как правило, цель их разработки и внедрения в производство электронных устройств – уменьшение габаритов и снижение энергопотребления. А это, в свою очередь, приводит к появлению новых потребительских свойств и даже принципиально новых технических направлений.

Компания Bergquist (США), один из лидеров среди производителей специальных материалов для электронной аппаратуры, уже более 30 лет выпускает различные теплопроводящие материалы, значительно улучшающие тепловые режимы работы электронных устройств и приборов. И в первую очередь – это композит Thermal Clad*, предназначенный, подобно фольгированным текстолитам типа FR4, для изготовления теплонапряженных систем на печатных плат (рис.1.2).

Рис.1.2. Печатные платы, изготовленные из материала Thermal Clad: а) алюминиевая основа толщиной 1 мм, двухслойный диэлектрик FR4/LTI, медная фольга толщиной 35 мкм с покрытием из олова; б) медная основа толщиной 2 мм, диэлектрик HT, медная фольга толщиной 356 мкм с покрытием никель-золото

Такая структура, отличающаяся высокими прочностью и жесткостью, позволяет эффективно отводить тепло от всей площади печатной платы. Первый слой материала Thermal Clad представляет собой медную фольгу толщиной от 35 до 350 мкм и служит для изготовления токоведущих дорожек печатной платы. Как и в случае применения обычных фольгированных текстолитов, рисунок печатной платы на слое Thermal Clad можно выполнять травлением или фрезерованием. Второй, или средний, слой с высокой теплопроводностью и толщиной 75–200 мкм изготовлен из особого диэлектрика – смеси полимера со специальной керамикой. Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности материала, благодаря чему средний слой имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление. Объемное удельное сопротивление материала этого слоя не менее 1014 Ом·см. При толщине диэлектрика 75 мкм допустимое рабочее напряжение между первым и третьим слоями составляет 5,5 кВ переменного тока и более, что вполне достаточно для большинства приложений. В композите Thermal Clad средний слой – ключевой, поскольку соединяет первый слой с третьим, металлическим (алюминиевым или медным) базовым слоем (толщиной 1–3,5 мм), который служит радиатором для всей печатной платы и выполняет функцию проводника тепла к этому третьему слою или к подложке.

Поставляется достаточно широкая номенклатура композитов Thermal Clad с различными диэлектриками: HT/LTI (High Temperature/Low Thermal Impedance – высокотемпературный диэлектрик с низким полным тепловым сопротивлением); MP (Multi_Purpose – диэлектрик широкого применения); CML (Circuit Material Laminate – слоистый диэлектрический материал типа гетинакса) и другие. Тангенс угла диэлектрических потерь всех типов диэлектриков довольно низкий, что обеспечивает использование на частотах до 150 МГц.

Композиты, помимо эффективного отвода тепла от печатной платы, позволяют решать и другие проблемы, возникающие при разработке и производстве электронных устройств. На такой печатной плате с теплоотводом можно без специальной изоляции размещать активные элементы (мощные транзисторы и микросхемы) с различной полярностью на теплоотводящем выводе. Это способствует увеличению плотности монтажа, упрощает сборку изделия, снижает стоимость производства при значительном повышении его надежности.

Однако необходимо учитывать, что при нагреве печатных плат из фольгированных текстолитов происходит отслаивание токопроводящих дорожек, что часто приводит к их окислению и обрыву. Температура нагрева, при которой может произойти такое отслаивание, колеблется от 100 до 160°С, время нагрева – от нескольких минут до нескольких месяцев.

Для высокотемпературных приложений, где подобные нежелательные явления наиболее вероятны, выпускаются материалы с подложкой, изготовленной из низкоуглеродистой стали толщиной 1–2 мм.

Для электронных устройств, работающих в неблагоприятных условиях при высокой температуре, выпускаются специальные композиты Thermal Clad HTV. Они имеют более высокие технические характеристики: теплопроводность до 2,2 Вт/м·К и напряжение пробоя не ниже 9 кВ переменного тока при толщине диэлектрического слоя 150 мкм. Толщина медной фольги в материалах этой группы несколько больше – 140–350 мкм, что не только снижает сопротивление токоведущих дорожек (при заданной их ширине), но и увеличивает теплоотдачу от нагревающихся элементов.

От конструкций теплоотводящих элементов зависит не только эффективность отвода тепла, но также габариты и, конечно, надежность электронных устройств. Современные теплоотводы представляют собой сложные конструкции, состоящие из радиаторов, воздуховодов, вентиляторов и различных прокладок из специальных материалов, улучшающих теплоотдачу. В большинстве современных электронных систем в основном используется воздушное охлаждение, но в последнее время все чаще можно встретить жидкостное охлаждение, а также модули Пельтье. В любом случае, независимо от способа охлаждения, для отвода тепла от электронного компонента необходим радиатор, имеющий непосредственный тепловой контакт с охлаждаемым электронным компонентом или контакт через прокладки из специальных материалов. Поскольку площадь поверхности радиатора во много раз больше, чем у охлаждаемого компонента, теплообмен с окружающей средой усиливается. Главное при использовании радиаторов – обеспечить хороший тепловой контакт с охлаждаемыми поверхностями. В противном случае тепловое сопротивление охлаждающей системы резко увеличивается и эффективность теплоотвода падает. Поверхности охлаждаемых электронных компонентов (микросхем, транзисторов, тиристоров, диодов и др.), как правило, не очень ровные и не гладкие. Поэтому между ними и радиаторами для получения надежного теплового контакта располагаются специальные материалы, заполняющие неровности и обеспечивающие хороший тепловой контакт и максимальную теплопроводность системы. В качестве таких материалов наибольшее распространение получили специальные пластичные смеси – теплопроводные пасты или, как их еще называют, термопасты. Изготавливаются они на жидкой силиконовой основе с наполнителем из теплопроводного материала – окисла металла (цинка), металлической пудры и т.п. Их главные достоинства – простота использования и низкая стоимость, а основной недостаток – старение, высыхание и ухудшение теплового контакта. Вдобавок термопасты не обеспечивают электрической изоляции между охлаждаемым компонентом и радиатором, что часто бывает необходимо, например, при установке нескольких мощных разнополярных транзисторов на один, а не на несколько радиаторов. Кроме термопаст для улучшения теплового контакта применяются твердые материалы, такие как слюда, графит, керамика, фторопласт и др. Слюда обладает хорошими электроизолирующими свойствами, но хрупка и очень нетехнологична. Из-за высокой вероятности возникновения паразитных емкостей между корпусом компонента и радиатором при использовании слюды, характеризуемой высокой диэлектрической проницаемостью, ее применение на высоких частотах ограничено. Вдобавок, работа со слюдой требует специальных защитных средств для персонала. Графит используется в виде тонких пластин. Графитовые прокладки выпускаются в различных конфигурациях, они часто поставляются вместе с радиаторами для процессоров, используемых в микрокомпьютерах. Такие радиаторы, как правило, поставляются в комплекте со специальным вентилятором – кулером. Теплопроводность графита высокая, и он обеспечивает достаточно хороший тепловой контакт радиатора и компонента. Но этот материал очень хрупок и не обладает электроизоляционными свойствами. Керамические прокладки также имеют высокую теплопроводность и, кроме того, отличные электроизоляционные свойства, но они хрупки и очень дороги. Кроме того, производятся они в основном только для конкретных компонентов, их нельзя вырезать под нестандартные размеры. Электроизоляционные свойства фторопластовых пленок отличные. Они гибкие и легко режутся. Однако из-за высокой твердости эти пленки не обеспечивают хорошего теплового контакта, особенно если одна или обе поверхности охлаждаемого компонента не ровные, имеют шероховатости и микродефекты. Фторопласт плохо клеится, и к тому же его пленки довольно дороги.

С учетом приведенного краткого перечня достоинств и недостатков применяемых сегодня теплопроводных материалов можно определить основные предъявляемые к ним требования. Так, современные материалы, предназначенные для отвода тепла электронных компонентов, должны: иметь хорошую теплопроводность; иметь высокое пробивное напряжение; быть эластичными; легко обрабатываться и резаться; иметь клеевой слой с одной или двух сторон по желанию заказчика; быть экологически чистыми и не выделять вредные вещества при нагреве; иметь доступную цену.

Теплопроводящие подложки и пасты

Керамико-полимерные материалы на стеклотканевой или полиимидной основах применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже.

Отличительные особенности:

– не требуют нанесения промежуточных слоев теплопроводящей пасты, что обеспечивает сокращение времени и чистоту сборки;

– интенсивный теплоотвод через изоляционную подложку гарантируется применением керамического наполнителя с высокой теплопроводностью;

– высокая эластичность обеспечивает надежный контакт поверхностей в соединении полупроводник-изолятор-радиатор;

– экологически чист;

– снижает стоимость монтажа за счет уменьшения трудоемкости и замены композиции слюда-паста.

Эластичные теплопроводящие изоляторы. Такие изоляторы предназначены для электрической изоляции и отвода тепла от тепловыделяющих элементов электронных устройств, а также нагревающихся при работе конструкций и узлов. Изготавливаются из теплопроводящей керамики на кремний-органической связке. Поставляются в виде листов и двухкомпонентного компаунда.

Применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже. Используются вместо слюды и теплопроводящей пасты КПТ-8."Номакон GS" - эластичный керамико-полимерный материал, армированный стеклотканью. Благодаря армирующему слою материал имеет отличные прочностные характеристики на разрыв и раздир. Наполнитель из высокотеплопроводящего керамического порошка обеспечивает теплопроводность на уровне лучших зарубежных аналогов. Термостойкая силиконовая связка придает материалу эластичность мягкой резины, что способствует заполнению шероховатостей микрорельефа сопрягаемых поверхностей, снижая тепловое сопротивление между ними. Диапазон толщины материала "Номакон GS", в отличие от других аналогов, варьируется по требованию заказчика в пределах от 0,15 до 2 мм и более. Стандартная толщина 0,22±0,05 мм. Существуют различные теплопроводящие интерфейсные материалы, обладающие разным термосопротивлением и свойствами.

Термопасты (thermal greases). Синтетические смолы (силикон, например) смешиваются с определенным количеством теплопроводящего порошка (обычно соотношение 40% и 60% соответственно). Образуется вязкая паста беловатого или серого цвета. Беловатый цвет свидетельствует о применении оксида цинка в качестве теплопроводящего вещества, серый - оксида алюминия. В экзотических случаях может быть и оксид серебра. Термопасты не затвердевают и могут быть легко убраны с поверхности радиатора или процессора. Хотя они не и являются электрическими изоляторами, протекание в них сколько-нибудь существенных токов маловероятно. Минусы термопаст - слабые клейкие свойства (в некоторых случаях может потребоваться дополнительное закрепление радиатора - эпоксидной смолой, например), возможно смешивание с нежелательными компонентами (может привести к частичной или даже существенной потере теплопроводящих свойств).

Термические смеси (thermal compounds). В общем случае представляют собой смесь эпоксидной смолы, теплопроводящей присадки и загустителя. При применении смесь переходит в резиноподобное состояние, крепко закрепляя радиатор. Однако, процесс удаления этого материала тоже достаточно прост. Тепловые характеристики термической смеси являются наилучшими. Но работать с ними достаточно сложно, так как часто приходится самостоятельно приготавливать смесь, поскольку производители поставляют именно компоненты, а не готовую смесь. Кроме этого невозможно вторичное применение бывшей в употреблении смеси.

Теплопроводящие прокладки (thermally conductive elastomers). Резинопо- добные пластины, содержащие теплопроводящие присадки. Может быть добавлено стекловолокно для увеличения прочности. Являются электрическими изоляторами, поэтому смело могут быть использованы для соединения поверхностей разных потенциалов. Обладая наибольшим коэффициентом теплопроводности, эти эластомеры, однако, не являются эффективным тепловым интерфейсом, так как не полностью заполняют нерегулярности поверхностей. Только при обеспечении сильного сжатия поверхностей они могут составить конкуренцию термопастам.

Теплопроводящие клейкие пленки (thermally conductive adhesive tapes). Двусторонние клейкие пленки, содержащие теплопроводящий наполнитель. Алюминиевая фольга может служить укрепляющим каркасом. Быстрота и удобство работы с этим материалом не могут компенсировать слабую эффективность теплопередачи. Многие пользователи рекомендуют воздерживаться от применения таких пленок, поскольку в исключительных случаях даже просто отсутствие теплового интерфейса может оказаться более эффективным. Все это касается существующих пленок. Однако, разработчики не топчутся на месте, и вполне возможно появление эффективных вариантов этого теплового интерфейса.

Материалы, меняющие агрегатные состояния (phase change materials).

Такие материалы при комнатной температуре представляют собой твердые микрочастицы. При достижении определенной температуры (обычно 45-60 °C) микрочастицы плавятся - происходит фазовый переход. При этом материал становится близок к термопастам по своим теплопроводящим свойствам. Более того, такие материалы могут обладать существенно меньшим термосопротивлением, меньшей текучестью и лучшими эксплуатационными свойствами. Благодаря этому данные материалы все чаще и чаще применяются в качестве тепловых интерфейсов.