CC BY
254
КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ МНОГОУРОВНЕВОЙ ПЛАТЫ С ТОЛСТОПЛЕНОЧНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
В. Г. Спирин
доктор техн. наук, Арзамасский политехнический институт, филиал Нижегородского технического университета им. Р.Е. Алексеева
Рассмотрены три конструктивно-технологических варианта тонкопленочной многоуровневой платы с толстопленочной полимерной изоляцией
В тонкопленочных многоуровневых платах используют пленки диэлектрика толщиной 2-4 мкм. Такая толщина пленок не позволяет создавать межуровневую изоляцию (МИ) без ее проколов, которые вызывают короткие замыкания между проводниками разных уровней. Причинами проколов изоляции являются пористость диэлектрика, загрязнения, неоднородность структуры подложки, механические повреждения и т.д. Чтобы исключить образование сквозных проколов МИ формируют в 2-3 слоя [1]. Однако такое решение увеличивает трудоемкость изготовления МСБ. Увеличение толщины МИ приводит к возрастанию высоты ступенек, на которых происходит обрыв проводников второго уровня [2].
Наиболее часто в многоуровневых платах на жестких подложках в качестве МИ используют органические и неорганические диэлектрики. Предельная толщина неорганического диэлектрика, получаемого методами вакуумного осаждения, обычно не превышает 3-4 мкм, при этом паразитная емкость в местах пересечений составляет 1-2 пФ при ширине проводников 100 мкм. Большинство органических диэлектриков обладают невысокой нагревостойкостью. Например, максимальная рабочая температура негативного фоторезиста ФН-11КС не превышает 200 °С.
Таким образом, основными технологическими проблемами, которые возникают при создании тонкопленочной многоуровневой коммутации, являются пробой изоляции и обрыв проводников на ступеньках МИ. Причем эти два дефекта связаны между собой. Действительно, увеличивая толщину МИ можно исключить ее пробой. Например, в [3] предложено использовать МИ из полиимидного лака толщиной 8-15 мкм. Практические исследования, выполненные авторами [3] показывают, что при толщине диэлектрического слоя более 8 мкм сквозные поры в МИ отсутствуют. Однако при толстых пленках МИ, для известных конструктивно-технологических вариантов (КТВ) многоуровневых плат, использующих неорганические и органические диэлектрики, становится проблематичным предотвращение обрыва проводников на ступеньках МИ.
Еще одной серьезной проблемой создания тонкопленочной многоуровневой коммутации является высокая трудоемкость изготовления, которая обусловлена большим количеством технологических операций по формированию МИ и высших уровней коммутации. Например, формирование МИ из полиимидного лака в два слоя требует 12 операций. Высокая трудоемкость и низкий процент выхода годных плат существенно повышают их себестоимость.
1
В зарубежных изданиях [3] имеются сообщения об уникальном создании тонкопленочной многоуровневой коммутации микросборок (МСБ) на основе органического диэлектрика. Так в компании Rockwell International разработан МСБ, предназначенный для автоматического распознавания целей. Модуль может работать с тактовой частотой 40 МГц и содержит кристаллы интегральных схем (ИС), размещенные на кремниевой подложке с четырьмя слоями алюминиевых межсоединений, изолированных друг от друга диэлектрическими слоями полиимида толщиной 6-10 мкм. На подложке размером 50х63 мм смонтировано в общей сложности 140 компонентов, в том числе резисторы и конденсаторы. Ширина проводящих линий составляет 25 мкм.
Проведенный анализ литературы убеждает в том, что для создания надежной многоуровневой коммутации требуются толстые (более 10 мкм) пленки диэлектрика. Данное исследование посвящено разработке
многоуровневых коммутационных плат, содержащих тонкопленочные
резисторы, проводники и контактные площадки (КП), конденсаторы, в которых в качестве МИ используется толстая пленка органического диэлектрика.
Органические диэлектрики с толщиной более 10 мкм после полимеризации образуют плотную пленку без пустот и трещин. Большинство полимеров имеют объемное удельное сопротивление не менее 10 Ом-см. Вследствие относительной подвижности связей полимеры имеют высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), порядка 10"4...10" 5 1/°С. Поэтому можно предполагать, что они плохо совместимы с материалами, имеющими меньший ТКЛР: металлами и полупроводниками. Однако высокая эластичность полимеров и сравнительно небольшой интервал рабочих температур электронных устройств позволяет широко применять их в виде пленок, нанесенных на поверхность любого материала [5]. Для повышения надежности изоляции толщина пленки органического диэлектрика должна составлять 20.30 мкм.
Рассмотрим основные виды компонентов, которые требуют разных методов монтажа их выводов. При монтаже бескорпусных компонентов в основном используют три метода присоединения их выводов к КП платы: термокомпрессионная сварка, ультразвуковая сварка (УЗС) и пайка. Термокомпрессионная сварка используется для монтажа золотых проволочных выводов ИС модификации (мод.) 1, а УЗС - для монтажа ленточных алюминиевых выводов ИС мод. 2. Пайкой присоединяются жесткие
организованные выводы ИС. Примером таких компонентов являются бескорпусные кристаллы с объемными выводами, монтируемые методом перевернутого кристалла, компоненты в миникорпусах, пассивные
компоненты. В табл. 1 приведены основные технологические режимы [2, 6] соединения выводов компонентов к КП платы МСБ.
Таблица 1. - Технологические режимы соединения выводов компонентов
монтажа Соединяемые металлы Усилие Температура в месте соединения, °С Время
Выводы ИС КП платы сжатия, Н соединения, с
Метод выводов ИС
2
Т ермокомпрессионная сварка Золото, алюминий Cr-Al, Cr-Cu-Ni 0,03- 0,5 400-550 0,2-1,0
Золото Лужение ПОС-61 - 220-250
Ультразвуковая сварка Алюминий Cr-Al, Cr-Cu-Ni 0,2-0,4 150-200 0,3-0,8
Пайка Лужение ПОС-61 Лужение ПОС-61 - 220-250 1-3
Многоуровневая коммутация необходима при разводке ИС, имеющих организованные выводы (ИС мод. 2, ИС в миникорпусах и ИС монтируемых методом перевернутого кристалла). Выводы ИС мод. 1 всегда можно развести в одном уровне коммутации. Учитывая, что выводы ИС мод. 1 соединяются с КП платы термокомпрессионной сваркой, при которой образуется высокая температура в месте соединения, то выводы данных ИС монтируются только к КП первого уровня коммутации.
Для того чтобы осуществить соединение вывода компонента к КП, расположенной на МИ, необходимо обеспечить требуемую температуру в месте соединения. Согласно табл. 4.1. минимальная рабочая температура МИ должна быть не менее 250 °С. Нагревостойкие полимеры выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью. Основные параметры некоторых из них приведены в табл. 2.
Таблица 2. - Параметры органических диэлектриков
Тип диэлектрика Электрическая прочность, В/мкм Диэлектрическая проницаемость Максимальная рабочая температура, °С
Полиимидный лак ПАК-1 150 3,5 (1 кГц) 400
Полибензомидазольный лак ПБИ-1 100 4 (1 кГц) 400
Фотоэкспонируемая паяльная маска Carapace EMP 110HR 85 4 (1 МГц) 270
Фоторезистивный материал SU-8 - 3-4 (10 МГц) 270
В России в качестве МИ используются полиимидный лак ПАК-1 и полибензомидазольный лак ПБИ-1. Эти полимеры имеют высокую радиационную и температурную стойкость. Они обладают хорошим набором технологических свойств: отсутствием газовыделения в вакууме до температур 200-250 °С, устойчивостью к воздействию кислот и способностью к травлению
[7].
Недостатками отечественных полимеров является их высокая стоимость, повышенное влагопоглощение, что создает определенные неудобства при технологическом процессе: хранение и нанесение лаков на подложки только в сухих помещениях, необходимость сушки плат перед герметизацией МСБ. За
3
счет влагопоглощения ухудшаются частотные свойства полимеров. Кроме того, эти лаки не обладают фоточувствительностью, что приводит к увеличению трудоемкости при формировании рисунка МИ, вследствие необходимости применения фоторезиста.
Более перспективным является применение в качестве МИ фотоэкспонируемой паяльной маски [8], которую широко применяют в технологии поверхностного монтажа компонентов, например, Carapace EMP 110HR. Несмотря на то, что данный полимер имеет более низкую нагревостойкость, чем рассмотренные лаки, тем не менее, его применение является более предпочтительным по технологическим свойствам. В состав паяльной маски Carapace EMP 110HR входят эпоксидная и акриловая смолы, а также фоточувствительные добавки.
Достоинства эпоксидов состоят в отсутствии побочных продуктов и очень малой усадке (0,2...0,5%) при отверждении, высокой смачивающей способности и адгезии к различным материалам [5]. Паяльная маска обладает высоким разрешением и позволяет формировать перемычки шириной 25 мкм. Кроме того, маска Carapace EMP 110HR обладает высокой механической прочностью и твердостью (карандаш), высокой скоростью экспонирования и проявления, прекрасной электроизоляцией и влагостойкостью.
Материал SU-8 является негативным фоторезистом, относящимся к типу эпоксидных смол [9]. Это относительно недорогой материал. В микросистемной технике из него изготавливают диэлектрические структуры толщиной (2.1000) мкм. Фоторезист SU-8 обладает превосходными адгезионными качествами, его применяют практически с любыми подложками.
Толстая пленка МИ решает две основные проблемы: исключает ее пробой и снижает паразитную емкость между проводниками разных уровней, что повышает быстродействие электронных устройств. Традиционно считалось, что толстые пленки МИ не позволяют получать надежные межсоединения тонкопленочных проводников разных уровней и это является главной проблемой создания многоуровневой коммутации с высокой плотностью проводников в каждом уровне. Рассмотрим решение данной проблемы.
В печатных и гибких полиимидных платах проводники формируются на двух противоположных поверхностях. Поэтому для соединения проводников разных уровней используются переходные отверстия, которые иногда занимают до 30% площади платы. В тонкопленочных и толстопленочных платах проводящие и изолирующие слои формируются на одной поверхности подложки. В этом случае формирование переходных межуровневых соединений не обязательно, так как возможно через окна в изоляции присоединение выводов компонентов непосредственно к КП конкретного уровня проводников. При этом межсоединения, формируемые в каждом уровне, должны быть независимы друг от друга.
Для практической реализации вышеизложенного подхода рассмотрим три КТВ многоуровневых плат, которые различаются методами присоединения выводов компонентов к КП платы:
1) выводы компонентов присоединяются к КП платы только сваркой;
2) выводы компонентов присоединяются к КП платы сваркой и пайкой;
4
3) выводы компонентов присоединяются к КП платы только пайкой.
Как правило, во всех вариантах в первом уровне, то есть на подложке, располагают резисторы, нижние электроды конденсаторов, сигнальные проводники и КП, к которым присоединяются выводы компонентов и внешние выводы МСБ. Для повышения плотности коммутации в первом уровне располагают проводники с минимальной шириной, так как их получение здесь наиболее просто обеспечить технологически. Кроме того, при этом обеспечивается минимальная себестоимость изготовления плат ввиду того, что если произойдет брак, то он произойдет на ранней стадии изготовления платы. В последующих уровнях коммутации располагают проводники питания, сигнальные проводники, электроды конденсаторов и КП. Последним слоем является защитная изоляция (ЗИ).
Первый КТВ двухуровневой платы, в котором выводы компонентов присоединяются к КП только сваркой показан на рис. 1. Основными компонентами в данном случае являются ИС и полупроводниковые приборы мод. 1, 2, а также пассивные компоненты. Выводы компонентов мод. 1 могут развариваться термокомпрессионной сваркой к КП первого уровня, а выводы компонентов мод. 1, 2 развариваются УЗС к КП любого уровня. Краткая технология изготовления двухуровневой платы, изображенной на рис. 1 приведена в табл. 3.
Рис. 1. Соединения выводов компонентов сваркой в разных уровнях коммутации: 1 - подложка; 2 - КП первого уровня; 3 - МИ; 4 - КП второго уровня; 5 - ЗИ; 6 - окно в изоляции; 7 - выводы ИС
Таблица 3. - Технология двухуровневой платы (соединение выводов компонентов сваркой)__________________________________________________
Наименование операции Толщина слоя, мкм
1. Напыление структуры Cr-Al-Cr 1-1,5
2. Формирование проводников и КП первого уровня. -
3. Формирование резисторов из Cr. -
4. Химическая и ионная очистка плат. -
5. Нанесение и формирование рисунка МИ. 20-30
6. Химическая и ионная очистка плат. -
7. Напыление структуры Cr-Al. 1-1,5
8. Формирование проводников и КП второго уровня. -
9. Формирование защитной изоляции. 20-30
5
10. Разделение подложки на платы.
Адгезионный подслой хрома первого уровня коммутации может быть использован в качестве резистивного материала. Верхний слой хрома в проводниках и КП первого уровня обеспечивает адгезию МИ и проводящей пленки второго уровня. Для повышения адгезии пленок проводят межоперационную очистку плат, при этом используют как химическую, так и ионную очистку.
При формировании защитной изоляции (ЗИ) оставляют открытыми только КП для присоединения компонентов и внешних выводов МСБ. ЗИ формируется из того же диэлектрика и теми же способами, что и МИ. Для качественного разделения подложки на платы в местах реза не должно быть пленочных элементов.
Монтаж выводов ИС к КП платы (рис. 1) легко осуществим, так как выводы ИС мод. 1, 2 обладают хорошей гибкостью. В случае необходимости соединения КП разных уровней, используют проволочные или ленточные перемычки из алюминия или вывод ИС мод.2, разваривая его УЗС на КП разных уровней. Компоненты рекомендуется устанавливать на МИ, при этом увеличивается плотность проводников первого уровня, а теплоотвод ухудшается незначительно, ввиду малой толщины МИ.
Второй КТВ многоуровневой коммутации предназначен для монтажа смешанных компонентов, выводы которых соединяются с КП платы либо сваркой, либо пайкой, а также в случае необходимости формирования большого количества межуровневых соединений. На рис. 2 показана
конструкция КП, которая предназначена для соединения вывода компонента пайкой. Данная конструкция обеспечивает межуровневое соединение с помощью припоя. Таким образом, второй КТВ многоуровневой платы представляет собой комбинацию фрагментов, изображенных на рис. 1, 2. Технологический процесс изготовления второго КТВ многоуровневой платы во многом аналогичен технологическому процессу первого КТВ. Отличия технологического процесса второго КТВ от первого приведены в табл. 4.
Рис. 2. Соединение КП разных уровней коммутации припоем: 1 - подложка; 2 - первый уровень коммутации; 3 - МИ; 4 - второй уровень коммутации;
5 - ЗИ; 6 - припой; 7 - вывод ИС
6
Таблица 4. - Технология двухуровневой платы (соединение выводов компонентов сваркой и пайкой)_________________________________________
Наименование операции Толщина слоя, мкм
7. Напыление структуры Cr-Cu-Ni. 2-2,5
8. Формирование проводников и КП второго уровня. -
9. Формирование защитной изоляции. 20-30
10. Разделение подложки на платы. -
11. Нанесение припойной пасты на КП и ее облуживание.
Во втором КТВ последний уровень коммутации формируют из структуры Cr-Cu-Ni, по которой производят лужение КП и переходных отверстий. На КП, используемые для присоединения выводов компонентов пайкой и (или) соединения разных уровней коммутации, с помощью дозатора наносят припойную пасту. Устанавливают на плату компоненты, выводы которых соединяются с КП платы пайкой. Затем плату помещают в печь и оплавляют припой. После оплавления припой заполняет окна 6 до верхней поверхности ЗИ. С целью минимизации количества межуровневых переходов их выполнение рекомендуется объединять с КП для пайки выводов компонентов (рис. 2). Длина КП в каждом уровне коммутации (рис. 2) равна половине длины КП знакоместа компонента. Такой подход к конструированию платы повышает плотность упаковки и обеспечивает высокую надежность межуровневых соединений вследствие больших размеров КП.
Третий КТВ многоуровневой коммутации предназначен для установки компонентов с жесткими матричными и периферийными выводами методом пайки. На рис. 3 показан монтаж ИС с объемными организованными выводами методом перевернутого кристалла. Третий КТВ многоуровневой платы представляет собой комбинацию фрагментов, изображенных на рис. 2, 3. Отличие технологии изготовления третьего КТВ от второго состоит в том, что все КП и переходные отверстия платы подвергаются лужению. В этом случае нанесение припойной пасты осуществляется известными методами [10].
Рис. 3. Установка компонента пайкой: 1 - подложка; 2 - КП первого уровня; 3 - МИ; 4 - КП второго уровня; 5 - ЗИ; 6 - припой; 7 - выводы ИС;
8 - ИС с объемными выводами
7
Автором в 1989 г. была разработана тестовая схема двухуровневой платы по второму КТВ. В качестве МИ был применен лак ПБИ-1 толщиной 6 мкм. На изготовленной плате размером 34х20 мм было установлено 17 логических микросхем мод. 2 с 16 выводами и один конденсатор. Присоединение выводов ИС мод. 2 осуществлялось УЗС, а выводов конденсатора пайкой.
Небольшое усложнение технологического процесса изготовления многоуровневых плат позволит проверять параметры МИ (сопротивление и стойкость к высокому напряжению) [11]. Суть данного метода заключается в следующем. Каждый уровень проводников соединяют проводящими технологическими перемычками. Над технологическими перемычками в МИ формируют окна, которые необходимы для последующего удаления перемычек. После формирования второго проводящего уровня проверяют параметры МИ, после чего технологические перемычки удаляют методом фотолитографии и травления.
Рассмотренные КТВ позволяют создавать количество уровней коммутации свыше двух. Однако практика проектирования МСБ и экономическая целесообразность показывают, что в большинстве случаев можно обойтись двумя уровнями коммутации [4].
При создании многоуровневой коммутации по описанным КТВ могут использоваться диэлектрические, полупроводниковые или металлические подложки [3]. Широкий спектр подложек, а также то, что на полимерной изоляции возможно формирование тонкопленочных резисторов [3], расширяют возможности проектирования МСБ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексенко, А.Г. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры. /
A. Г Алексенко., С.С. Бадулин, Л.Г. Барулин и др. под. ред. Б.Ф. Высоцкого. -М.: Советское радио, 1978.- 351с.
2. Гимпельсон, В.Д. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и
вычислительной техники. / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - М.:
Машиностроение, 1976.- 328 с.
3. Грушевский, А.М. Коммутационные платы на крупноформатных металлических подложках с полимерной изоляцией / А.М. Грушевский, А.В. Зимрутян, Л.А. Коледов, С.Н. Томащенко. // Электронная промышленность.-1985.- Вып. 2.- С. 27-29.
4. Уэбер, С. Многокристальные модули - перспективное направление в области СБИС / С. Уэбер // Электроника.- 1989.- № 7.- С. 63-71.
5. Материалы микроэлектронной техники: учеб. пособие для вузов. / под ред.
B. М. Андреева. - М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.
6. Гуськов, Г.Я. Монтаж микроэлектронной аппаратуры./ Г.Я. Гуськов, Г. А. Блинов, А. А. Газаров. - М.: Радио и связь, 1986. - 176 с.
7. Коледов, Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. / Л.А. Коледов. - М.: Радио и связь, 1989.- 400 с.
8. Медведев, А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А.М. Медведев.- М.: Техносфера, 2005.- 304 с.
8
9. Варадан, В. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К Джозе.-М.: Техносфера, 2004.- 528 с.
10.Зеленюк, И. Новые технологии нанесения припойных паст / И. Зеленюк // Компоненты и технологии.- 2003. - № 9.- С. 180-181.
11.А.с. 1628836 СССР, МКИ5 H 05 K 3/00. Способ изготовления многослойной платы / В.С. Кораблев, В.Г. Спирин- 15.10.90.
9
