Типовые конструкции САУ ЛА и технология их изготовления

· Гибридные интегральные схемы и микросборки

o Получение тонкопленочных резисторов

o Толстопленочная технология

o Многоуровневая коммутация ГИС и МСБ

o Получение тонкопленочных резисторов (Лекция 12(13))

Для получения тонкопленочных резисторов необходимо на диэлектрической подложке (чаще всего из ситалла) получить и соответствующим образом сконфигурировать пленки из резистивных и проводящих материалов. Основные требования к материалам резистивных пленок: стабильность во времени; минимальное значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС); хорошая адгезия к подложке; коррозионная стойкость; стойкость к воздействию высоких температур; технологические свойства (легкость испарения, конфигурирования и т.п.). Для получения тонкопленочных резисторов используются различные материалы: металлы, металлические сплавы, оксиды металлов, металлокерамические соединения. В качестве чистых металлов для резистивных пленок наибольшее применение нашли тугоплавкие металлы, такие как Ta и W, благодаря высокой стабильности и низким значениям ТКС (£ 10-4 1/°С), а также Cr. Пленки из Cr удовлетворяют большинству из перечисленных требований (особенно по адгезии). Cr входит в состав многих резистивных сплавов, таких как: нихром (80%Ni+20%Cr), металлосилицидные сплавы МЛТ и РС. Резистивные сплавы типа РС (табл. 4.) разработаны на основе системы Cr-Si с легирующими добавками Fe, Ni и др. Сплавы типа РС поставляются в виде порошков (для термического и взрывного испарения) или в виде дисков-мишеней (для распыления ионной бомбардировкой). Толщина резистивных пленок обычно составляет от нескольких десятков до сотен нм. С уменьшением толщины резистивных пленок значения ТКС, как правило, также снижаются и в некоторых случаях могут быть даже отрицательными. Но очень тонкие пленки крайне нестабильны. Выводы пленочных резисторов являются частью рисунка коммутации, который в общем случае может включать в себя также: обкладки конденсаторов, индуктивности, коммутационные дорожки и контактные площадки, предназначенные для соединения с выводами навесных компонентов, выводами корпуса, проволочными перемычками. Требования к материалам коммутационных пленок: низкое оммическое сопротивление; образование с соединяемыми пленками невыпрямляющих контактов; бесфлюсовая свариваемость и паяемость с проволокой и выводами навесных компонентов (флюсы коррозионо опасны и после их применения требуется тщательная отмывка); хорошая адгезия к подложке (в т.ч. при воздействии высоких температур в процессе сварки или пайки); коррозионая стойкость и т.д. Ни один металл полностью этим требованиям не удовлетворяет. Поэтому коммутацию обычно делают многослойной (в 2 или 3 слоя из различных металлов с общим рисунком). Нижний слой (подслой) толщиной 10…30 нм выполняют из материала с высокой адгезией к подложке: Cr (и его сплавы), Ti, V и др. Основной слой толщиной 0,5…1,5 мкм выполняют из металла с высокой проводимостью Al, Cu, Au и др. Пленки из Al плохо поддаются сварке и пайке, а из Cu – не стойки к коррозии. 3 Поэтому они обычно покрываются защитной пленкой, например, из Ni толщиной 30…50 нм. Конфигурирование резистивных и коммутационных пленок может осуществляться как с использованием свободных масок (трафаретов, поочередно прикладываемых к подложке при осаждении), так и фотолитографией. Свободные маски применяют только при термовакуумном осаждении. В методах распыления ионной бомбардировкой свободные маски не применяют из-за быстрого их разрушения, а также получения размытого рисунка (вследствие рассеянного падения атомов на подложку). Резисторы, соответствующие рис. 4.32, а получают по следующей схеме: термовакуумное осаждение резистивной пленки (через свободную маску) или любым методом в виде сплошного слоя с последующим его конфигурированием фотолитографией); далее все повторяется для коммутации. Если все пленки по приведенной схеме конфигурируют фотолитографией, то такой способ называют последовательной фотолитографией. Альтернативным вариантом является селективная фотолитография (рис. 4.38), осуществляемая в следующей последовательности: осаждение один на другой сплошных слоев резистивного и коммутационных материалов; последовательное конфигурирование слоев фотолитографией (при этом травитель одного слоя не должен разрушать нижележащий слой, т.е. обладать селективным действием). В этом случае осаждение всех слоев может быть выполнено за один цикл откачки (при смене испарителей), но выбор материалов слоев ограничен их стойкостью к травителям.

o Толстопленочная технология (Лекция 12(13))

Пленки, получаемые по этой технологии, представляют собой слои стеклоэмали толщиной 10…100 мкм с мелкодисперсным наполнителем, называемом функциональной фазой. Функциональной фазой проводниковых пленок являются порошки (с размерами частиц порядка единиц мкм) высокопроводящих металлов, не имеющих на поверхности окисных пленок (Ag, Pd, Au), а резистивных – смеси порошков металлов и окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное сопротивление в широких пределах (рис. 4.40). Чтобы проводниковые пленки имели минимальное поверхностное сопротивление (r S £ 0,05 ом/□, при толщине 10…25 мкм), а также имели способность к облуживанию, соотношение содержания металлического порошка и стекла в них должно быть порядка 9:1. Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков (например, титаната бария BaTiO3), которые, обладая большим значением относительной диэлектрической проницаемости e, обеспечивают большие значения удельных емкостей С0 [Ф/см2 ]. Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стёкол с малыми e и С0. Толстопленочные элементы получают путем неоднократного повторения цикла «нанесение пасты трафаретной печатью – сушка – вжигание» (рис. 4.41.) Пасты – суспензии порошкообразных неорганических материалов в органическом связующем. В качестве неорганических материалов используют порошки стекла, керамики, металлов, окислов металлов, солей. Органическая связка с растворителем служат средой для равномерного распределения в ней компонентов пасты и придания ей свойств, необходимых для трафаретной печати. Органические составляющие паст играют вспомогательную роль, но от них зависит разрешающая способность печати и будущая структура пленок. В качестве органических компонентов обычно используют: ланолин (воск животного происхождения), растительные масла (льняное, касторовое и др.), канифоль, растворители. Пасты наносят через сетчатые трафареты. Для трафаретов используют сетки из нержавеющей стали с размерами ячеек 40…100 мкм и диаметром нитей 25…55 мкм. В процессе сушки (температура 120…200 0C) происходит удаление летучих органических растворителей. Лучшее качество сушки обеспечивают ИК-лучи. Вжигание паст производят при температуре 500…1000 0C в конвейерных электропечах (рис. 4.42). На этапе I (с температурой до 300…400 0C) происходит разложение и удаление органических компонентов. Их состав, а также скорость нагрева должны быть подобраны таким образом, чтобы с ростом температуры компоненты удалялись не 7 одновременно (иначе пленка получится пористой). На этом этапе нельзя допускать попадания выдяляющихся активных газов (O2, H2) во внутрь печи, где они могут взаимодействовать с металлическими составляющими паст. С этой целью в печах предусматривается регулируемый наклон канала (входное отверстие несколько приподнимают), либо встречная подача воздуха под давлением. На этапе II происходит расплавление стеклянного порошка и смачивание функциональных компонентов и подложки, Этап III – выдержка при относительно постоянной температуре в течении 7…15 мин. На этом этапе происходят сложные фазовые превращения, поэтому допускаемые отклонения от рекомендуемых режимов вжигания составляют, например, для резисторов ± 1…2 0C. Далее (на этапе IV) подложки медленно охлаждают, чтобы избежать внутренних напряжений и растрескиваний. Время вжигания одного слоя составляет 0,5…2 часа. Каждый последующий слой вжигается, как правило, при более низкой температуре. Кроме проводниковых, резистивных и диэлектрических паст в толстопленочной технологии применяются лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения через сетчатый трафарет на толстоплёночные монтажные площадки и сушки, покрытие подвергается оплавлению (~230°С). После формирования всех слоёв резисторы и конденсаторы проходят подгонку (обычно лазерную) до заданной точности. Толстопленочная технология, по сравнению с тонкопленочной, более проста в реализации (меньше единовременные затраты на освоение производства, не требуется вакуум, короче технологический цикл, простота автоматизации, легкость перехода на новый тип схем). Толстопленочные элементы могут быть рассчитаны на относительно большие мощности рассеивания. К недостаткам следует отнести: необходимость высокотемпературной обработки, относительно высокую стоимость некоторых паст, хуже разрешающая способность (хотя, применяя фотолитографию ее можно улучшить), толстопленочные резисторы уступают тонкопленочным по ТКС.

o Многоуровневая коммутация ГИС и МСБ (Лекция 12(13))

Рост степени интеграции ГИС и МСБ сопровождается заменой большей части пленочных элементов на навесные компоненты, занимающие меньше места на подложке. Кроме того, вместо бескорпусных диодов, транзисторов и матриц применяются бескорпусные полупроводниковые ИС. Все это предъявляет повышенные 8 требования к коммутации (необходимо коммутировать большее количество точек на единице площади подложки). В таких случаях коммутацию делают многоуровневой с межслойной изоляцией, которая должна обеспечивать минимум помех в соседних слоях. Материалы изолирующих слоев должны обладать низкой диэлектрической проницаемостью, высокой электрической прочностью и высоким сопротивлением изоляции. Проводящие и изолирующие слои получают методами, достаточно отработанными при изготовлении различных типов ПС. В тонкопленочных ГИС и МСБ проводящие слои (Au, Cu, Al) получают термовакуумным осаждением. Толщина слоя обычно не превышает 10 мкм вследствие сравнительно высоких растягивающих внутренних напряжений. Применение гальванических методов наращивания на тонкие вакуумные конденсаты позволяет получать металлические пленки толщиной до 50 мкм с меньшими внутренними напряжениями. Для изоляционных слоев применяют неорганические и органические диэлектрики. Неорганические диэлектрики (например, SiO) осаждают обычно термовакуумным методом через маску (так как травители ухудшают диэлектрические свойства). Малая толщина (£ 10 мкм) и пористость таких пленок, а также наличие «ступенек» приводят к значительной паразитной емкости и снижают надежность изоляции. В качестве органических диэлектриков используют слои полимеров толщиной более 3…4 мкм (например, некоторые типы ФР), которые наносят центрифугированием или пульверизацией. Метод прост в реализации, позволяет получать слои с хорошими 9 диэлектрическими свойствами, но адгезия наносимых на диэлектрик металлических слоев часто недостаточна. Вышеназванные причины приводят к тому, что тонкопленочные ГИС и МСБ на жестких подложках (ситалле, поликоре) выполняют обычно не более чем с двухуровневой металлизацией. Более высокую коммутирующую способность обеспечивают многоуровневые коммутационные платы, состоящие из проводящих и изоляционных слоев и представляющие собой аналоги МПП. Их получают преимущественно методами толстопленочной печати и с применением гибких полиимидных подложек. В этих случаях толщина изоляционных слоев составляет 25…100 мкм, что обеспечивает высокий уровень изоляции и минимальные паразитные наводки. Толстопленочная многоуровневая разводка реализуется в двух вариантах: в виде нескольких чередующихся проводящих и изолирующих слоев, расположенных на одной или двух сторонах монолитной керамической подложки, и в виде многослойной керамики. В первом случае межслойной изоляцией является слой вожженой диэлектрической пасты. Поскольку толщина межслойной изоляции в 2-3 раза превышает толщину проводящего слоя, для получения качественных контактных переходов производят предварительно одно- или двукратное нанесение проводящей пасты в окна изолирующего слоя по циклу "нанесение пасты через трафарет - сушка" с последующим вжиганием совместно с проводящим слоем. При вжигании каждого последующего слоя необходимо обеспечить стабильность состава и свойств нижележащих (вожженых) слоев. Это налагает ряд требований к выбору паст, особенно для изоляционных слоев. Для них используются пасты на основе 10 кристаллизирующихся стекол и композиционных материалов (стекло - керамика). После вжигания температура повторного размягчения этих материалов будут уже существенно выше. На заключительном этапе формируются монтажные площадки, которые покрываются лудящей пастой. По данной технологии получают платы, которые содержат до 15 проводящих слоев, но в серийном производстве оптимальным считается 2…6 проводящих слоя, так как с их увеличением снижается выход годных изделий, а также надежность соединений. Исходные заготовки – листы необожженной алюмооксидной керамики толщиной 0,1 мм получают методом экструзии (выдавливанием пластичной керамической массы через щелевидный фильер). В углах каждого листа пробивают отверстия, при базировании на которые в слоях получают переходные отверстия диаметром 0,1…0,4 мм. Далее на поверхность и в отверстия трафаретной печатью наносят проводящую пасту. После сушки и проверки листы собираются в определенной последовательности в пакеты и спрессовываются под высоким давлением и небольшом нагреве. После обработки контура подложки подвергаются спеканию при температуре 1400…1700 0C в атмосфере водорода с постепенным (для удаления органики из пасты) нагревом. При отжиге протекают два параллельных процесса: вжигание проводящего рисунка в керамику и спекание (взаимодиффузия) частиц окислов, из которых состоит керамическая масса. Из-за высоких температур отжига вместо высокоэлектропроводных серебряно-палладиевых паст используют пасты на основе частиц тугоплавких (но менее электропроводных) 11 металлов (W или Mo). Выходящие на поверхность платы монтажные площадки из пасты на основе вольфрама или молибдена не допускают сварки и не смачиваются припоем. Поэтому их покрывают слоем Ni или Au, после чего облуживают. Известен пример изготовления многослойной керамической платы, содержащей 33 проводящих слоя, но для серийного производства обычно рекомендуется не более 6…8. Многослойные платы на полиимидной пленке формируются на базе двусторонних гибких коммутационных плат толщиной 25…50 мкм, из которых изготавливают многослойные пакеты, устанавливаемые на жесткое основание. Последовательность изготовления двусторонних плат:

· получение отверстий фотолитографией (диаметр отверстий примерно равен толщине подложки);

· вакуумная металлизация полиимида слоем Cr – Cu – Cr толщиной 1…2 мкм;

· получение КМ из ФР;

· травление Cr с открытых участков; гальваническое осаждение Cu – Ni – SnBi;

· удаление ФР;

· последовательное травление слоев Cr, Cu, Cr.

Многослойные платы получают путем установки двухслойных плат (обычно не более 10) на жесткое основание с контактными площадками для соединения через фигурные изоляционные прокладки из полиимида. Соединение с контактными площадками производится с помощью пайки через переходные металлизированные отверстия. В качестве жесткого основания используют металлические пластины с диэлектрической изоляцией, что обеспечивает хороший теплоотвод. Чаще всего применяют анодированный алюминий, на поверхности которого тонкопленочной технологией нанесен коммутационный рисунок (иногда с резисторами).