CC BY
99
Спирин В.Г. МЕТОДОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ УПАКОВКИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСБОРОК
Рассмотрены конструктивно технологические основы создания микросборок высокой плотности упаковки.
Проведенный анализ основных отечественных и зарубежных достижений в области проектирования и технологии тонкопленочных микросборок (МСБ) [1, 2] позволяет сделать следующие выводы:
Разработка МСБ является одним из перспективных направлений мировой электроники.
Наряду с увеличением плотности упаковки больших интегральных схем основными путями ее повышения являются:
Уменьшение размеров тонкопленочных элементов МСБ.
Применение прогрессивных методов компоновки.
Создание надежной многоуровневой коммутации.
Основной проблемой, которая препятствует росту плотности упаковки МСБ в РФ, являются устаревшие модели, методы и алгоритмы проектирования и технологии тонкопленочных резисторов (ТПР) и МСБ. Конструкция ТПР (рис. 1) в самом простом случае содержит: резистивный элемент, два электрода, два контакта между проводящей и резистивной пленкой, четыре контактных площадки перекрытия (КПП) резистивного и проводящего слоев.
проводящей и резистивной пленкой, 4 - КПП, 5 - проводник.
Рис. 2. Модель конструкции контакта ТПР при клине травления 0 < а < 45°: 1 - резистивный слой; 2 - участок резистивного слоя контакта; 3 - участок адгезионного слоя контакта; 4 - участок проводящего слоя контакта; 5 - электрод ТПР
В технической литературе [3] сопротивление ТПР К в первом приближении определяется выражением: ]Я=]Ярэ □+Р.К_=_1/Ь + ]ЯК = П Кф + Р_к,
где Крэ Г- сопротивление резистивного элемента; Г - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки; 1, Ь - длина и ширина резистора; Кф = 1/Ь - коэффициент формы резистора; Кк - сопротивление двух контактов ТПР.
Модель конструкции контакта ТПР при клине травления 0 < а < 45° показана на рис. 2. Формулы для расчета каждого из участков модели приведены в табл. 1.
Таблица 1.- Формулы для расчета участков контактного сопротивления
Наименование параметра 4 5 о < Й Л 9 О О < а Л 4 5 о
Сопротивление Кр резистивного участка Яр = 0,5 р tp / Ь Яр = 0, 564 р ^ /(Ь tg а)
Сопротивление Ка участка адгезионного слоя Ка = Ра tа2 /(Ь tp) Яа = 2 Ра tа2 /(Ь tp Біп 2а)
Сопротивление Кп участка проводящего слоя К = 2 Рп ^ / Ь К = 2 рп ^ / (Ь tg а)
где Ьр - толщина резистивного слоя; ра, - удельное поверхностное сопротивление и толщина ад-
гезионного слоя; рп, Ьп - удельное поверхностное сопротивление и толщина проводящего слоя.
Общее контактное сопротивление ТПР рассчитывается по формуле:
Як = 2 (Яр + Яа + Яд )
С целью уменьшения сопротивления электродов разработана конструкция гребенчатого резистора, которая приведена рис. 4,а. Сопротивление электродов гребенчатого резистора можно найти по следующим формулам:
при п - нечетном Яэг = 4 р п [1/(пКф)+1] / [к (п + 1)];
при п - четном Яэг = 12 р п [1/(пКф)+1] / [к (3 п + 2)],
где п - число резистивных элементов; к - коэффициент.
Как известно, при формировании ТПР, в их конструкции предусматривают четыре КПП резистивного и проводящих элементов, которые исключают влияние несовмещения фотошаблона (ФШ) с рисунком платы на погрешность сопротивления резистора. В этом случае повышение точности сопротивления ТПР приводит к тому, что снижается плотность межсоединений на тонкопленочной плате за счет увеличения промежутка между тонкопленочными элементами.
Для проектирования тонкопленочной платы представляет интерес рассмотрение погрешности сопротивления конструкции резистора без КПП. Конструкция такого резистора, полученного при смещении ФШ резистивного слоя относительно проводящего слоя платы, показана на рис. 3а.
Рис. 3. Формирование погрешности сопротивления ТПР за счет исключения КПП.
Абсолютная
формулам:
АКф и относительная SK§ погрешность коэффициента формы резистора R™ находится по
AKф - Чем - Kф -
K
ф
SK* -■
AK
1 - [2m • SB21K + 2m • SB)] І
K
где Кф, Кфс
--------1 ,
1 - [2m • SB21K + 2m • SB)]
- коэффициенты формы несмещенного (AB
Хф, Кфсм - коэффициенты формы несмещенного (^п = 0) смещения резистивного слоя относительно проводящего слоя; участка резистивного элемента резистора К1.
Разработана физико-математическая модель сопротивления
I+ М
— + Я + Я + Я + Я , (1)
резистора и резистора Кем/ ЛВ - величина дБ = ЛЕ/Ь; m - число квадратов углового
(1) ТПР и его погрешности (2) [2].
R-р
b-Ab
где Л 1с, Л Ьс - систематические погрешности длины и ширины ТПР, Кк,- контактное сопротивление, Кэ - сопротивления электродов, Кп - сопротивление проводников, соединяющих электроды резистора с КП, обкладками конденсаторов или электродами других ТПР, К - погрешность за счет исключения КПП.
Формирование случайных погрешностей сопротивления ТПР происходит на следующих операциях: напыления резистивного слоя (др); напыления проводящего слоя (дКэ); проведения первой фотолитографии и травления проводящей пленки (д1); проведения второй фотолитографии и травления резистивной пленки (дЬ) .
В расчет половины поля допуска введем также систематическую градиентную погрешность дрс = дру так /2, где дру max - максимальное значение градиентной погрешности по оси Y подложки. Это вполне допустимо, если уменьшить величину р при напылении до значения р (1 - дрс). Математическая модель половины поля допуска дК производственной относительной погрешности имеет вид:
SR -Spc +
Sp2 +Sb2 +
2mt
1 + -
l
R + R э п
R
Sl2
R
Sp2
Г rt
(2)
Анализируются существующие способы изготовления ТПР методом фотолитографии, и разрабатывается новый третий способ, а также способ изготовления гребенчатого резистора. Эти способы защищены патентами РФ [4, 5]. Они основаны на применении дешевых проводящих структур, таких как У-А1, У-Си-и обеспечивает точность формирования ширины ТПР, присущую первому способу. Отличие третьего способа от известных состоит в том, что при второй фотолитографии фоторезистом защищают все проводники, резистивные элементы и КП, за исключением небольших участков КПП резистивного и проводящего слоя.
Разработаны способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов [2]. Рис. 4 демонстрирует необходимость компенсации систематических погрешностей коэффициента формы ТПР и невозможность их компенсации путем изменения удельного поверхностного сопротивления.
Номер группы А резистороб
S * sr3C
SU + Sbc t
Sc
-і -з
Sc
-1-2
Н - 7
-10 0 Ю 20 ЗО Попуск, %
а)
1 Номер платы 1 1 -5 1 -4
1 1 I - J
1 1 - / 1 1
1 I /
-10 0 10 20 30 Попуск, %
б)
Рис. 4. Диаграмма интервалов: а) групп резисторов; б) годных резисторов.
Рассмотрены инструментальные погрешности сопротивления ТПР, которые интегрируются в элементы ФШ. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы, который основан на результатах измерения сопротивления резисторов и вычисления инструментальных погрешностей ТПР [6].
Исследуются погрешности формирования тонкопленочных элементов [7]. Разработаны конструкции тестовой схемы, тестовой платы (рис. 5) и алгоритмы расчета систематических и случайных погрешностей параметров ТПР: удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины, а также погрешностей, вносимых сопротивлением электродов. Разработанные алгоритмы имеют более высокую точность оценки погрешностей формирования структуры ТПР по сравнению с известными методами. Результаты измерений погрешностей параметров ТПР приведены в табл. 2.
Рис. 5. Конструкции: а) тестовой схемы, б) тест-платы. Таблица 2. - Погрешности физической структуры ТПР
Систематические погрешности Случайные погрешности
бра, % А1 а, мкм АЬа, мкм ^эп^ Ом Яэг, Ом б р, % А1, мкм АЬ, мкм АЯэп, Ом АЯэг, Ом
3,35 8,59 3,05 1,54 0,42 9,74 7,14 2,57 1,71 0,33
Разработано три КТВ многоуровневой платы с полимерной межуровневой (МИ) и защитной (ЗИ) [8]. В первом КТВ выводы компонентов присоединяются к КП платы только сваркой (рис. 6) , а в третьем только пайкой. Второй КТВ (рис. 6, 7) позволяет установку на плату смешанную комплектацию компонентов с различными способами соединения их выводов. Отличие предлагаемых конструкций от известных технических решений является то, что в качестве МИ и ЗИ применяется термостойкая, толстая (10-30 мкм) пленка органического диэлектрика, что позволяет осуществлять соединение выводов компонентов к КП, расположенным на МИ методами ультразвуковой сварки и пайки, а также исключает проколы изоляции, свойственные тонким пленкам. Новизна предлагаемых решений заключается еще и том, что межуровневые соединения могут осуществляться проволочными перемычками, приваренными ультразвуковой сваркой к КП разных уровней коммутации или путем заполнения припоем отверстий в изоляции, в которых находятся КП разных уровней коммутации.
Рис. 6. 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.
Рис. 7. Соединение КП разных уровней коммутации припоем:
мутации; 3
МИ; 4
зторой уровень коммутации; 5
ЗИ; б
1 - подложка; 2 - первый уровень ком-припой; 7 - вывод ИС.
в.
Рис
3, 5 - хром;- 4 - медь;
температурный припой; 10
Конструкция кремниевой платы с ТПР: 1
6- высокотемпературный припой КП.
кремниевая подложка;
7 - резистор;
2 -В -
оксид кремния; ЗИ; 9 - низко-
]_
п г в 3
1 г и и
L 1 J г-1
1 1 /
Рис. 9. Кремниевая плата с тремя уровнями коммутации: 1 - подложка; 2 - диоксид кремния; 3 -
хром; 4 - алюминий; 5, 6, 7 - проводники общей шины на кремнии; 8 - проводник общей шины на диоксиде кремния; 9 - проволочная перемычка
Разработаны два КТВ кремниевых плат с двумя и тремя уровнями коммутации: двусторонняя плата с металлизацией переходных отверстий и монтажных поверхностей методом HAL (рис. 8) [9] и плата с
тремя уровнями коммутации (рис. 9) [10]. Отличие этих плат от известных решений состоит в форми-
ровании слоя диэлектрика из диоксида кремния толщиной 4-5 мкм за счет термического окисления кремния и ионно-плазменного напыления диоксида кремния на пластину. Кроме того, на одной или обеих поверхностях плат формируют ТПР. В двусторонней плате при металлизации отверстий методом HAL используется защитный слой из пленки хрома. Отличительными особенностями платы с тремя уровнями коммутации является: формирование общей шины, как на диэлектрики, так и на кремнии; использование общей шины в качестве экрана, а самой платы в качестве несущей конструкции.
Достоинством кремниевых коммутационных плат является то, что на них возможна установка как всех основных видов бескорпусных кристаллов и компонентов, так и компонентов в миникорпусах. Количество уровней этих плат может быть доведено до 4-5, путем применения органического диэлектрика в качестве МИ.
Применение кремниевых плат обеспечивает более высокую плотность упаковки МСБ по сравнению с печатными платами при сравнительно низкой их себестоимости. Сравнительный анализ показал, что установка миникорпусов с большим количеством выводов на кремниевую плату более выгодна, чем на печатную, так как при этом существенно уменьшается площадь платы, требуемая для трассировки этих компонентов.
Впервые разработаны методы монтажа кремниевой многоуровневой платы: с низкой мощностью рассеяния (Руд < 2 Вт/см2), со средней мощностью рассеяния (2 < Руд < 10 Вт/см2), с большой мощностью рассеяния (10 < Руд < 20 Вт/см2) к основанию МСБ. Разработанные методы обеспечивают: согласование
ТКЛР платы и основания, требуемый теплоотвод, вибропрочность, а также минимизацию массогабаритных характеристик МСБ [1].
S, мм2
Б, мм
б)
Рис. 10. Зависимость занимаемой площади ТПР, изготовленного на: а) ситалловой; б) поликоровой подложке, от рассеиваемой в нем мощности.
Разработан метод выбора номинального сопротивления ТПР при схемотехническом проектировании плат. Для того чтобы оценить площадь, занимаемую ТПР, от величины рассеиваемой в нем мощности экспериментально получены зависимости 3 = £ (Р) для ситалловых (рис. 10,а) и поликоровых (рис.
10,б) подложек. Величина перегрева резистора при значениях приведенных на рис. 10 составляет около 60оС.
Разработан интегрально-группой метод компоновки МСБ (рис. 19) . В качестве основных критериев компоновки МСБ этим методом выбраны минимальная себестоимость изготовления плат и их максимальная плотность упаковки [1].
Разработан метод расчета стационарного теплового режима тонкопленочной платы. Предложены тепловая модель (рис. 11), тепловая схема (рис. 12) и получены основные расчетные формулы для расчета температуры нагрева, а также собственного и наведенного перегревов компонентов и ТПР расположенных на плате. Получены формулы (3) для расчета теплового сопротивления кондуктивного тракта, а также формулы для расчета размеров зоны теплового влияния (ЗТВ) плоского источника тепла (ИТ) . Отличие от известных методов расчета состоит в замене параметра «допустимая удельная мощность рассеяния» на параметр «тепловое сопротивление кондуктивного тракта» и переход от плоской тепловой модели к объемной. Это связано с тем, что удельная мощность рассеяния является функцией площади ТПР (рис. 13) или компонента.
Рис. 11. Тепловая модель платы для расчета собственного перегрева компонентов и ТПР: 1 - основание корпуса плат; 2 - соединительный слой 1; 3 - плата; 4 - резистор; 5 - соединительный слой
2; 6 - компонент; 7 - плоский источник тепла; 8 - зона теплового влияния.
Рис. 12. Тепловая схема для расчета собственного перегрева компонентов и ТПР: RB, Rh, Ri - тепловые сопротивления кондуктивного тракта: верхней и нижней части платы, СС1; RKa - тепловое сопротивление корпус - среда; Ти, Тн, То, Тс - температуры ИТ; нижней поверхности платы; основания и окружающей среды.
d
- +
h - d + r Я n 1 п
R — R + R + R — — . і
пс в H 1 я Л(#+id) я {4s + id )i
(З)
где Кв, Ян, Р1 - тепловые сопротивления кондуктивного тракта: верхней и нижней части платы,
СС1; d - глубина теплового потока, распространяющегося под углом в 45°; Б - площадь компонента или ТПР; Хп , Х-1 - коэффициенты теплопроводности платы и СС1 Ъп , Лх - толщина платы и СС1 г = Ь /Ах - удельные тепловые сопротивление платы и СС1;
RB
d
я 4s(4s + id)
Rh
h - d n
я (4s + id )i
Rl
(Js+id )i
Ро, Вт/мм2
а)
Ро, Вт/мм2
б)
Рис. 13. ленных на:
Зависимость удельной мощности рассеяния резистивной пленки от площади ТПР, изготов-а) ситалле; б) поликоре.
Разработан метод проектирования топологии тонкопленочной платы. Отличие от известных методов состоит в алгоритме расчета размеров ТПР (рис. 14-15) и платы, а также в алгоритме проверочного расчета тепловых режимов компонентов и ТПР. Выбор размеров тонкопленочной платы должен производиться таким образом, чтобы разработанная схема мультипликации фотошаблонов занимала не менее 7585% площади подложки и не выходила за пределы ее технологических полей.
51
Рис. 14. Высокоомные ТПР: а)-прямоугольный; б)-Е-образный; в) -меандр.
Рис. 15. Низкоомные резисторы:
а) - прямоугольный; б) - гребенчатый
Сформулированы новые нормы конструирования (табл. 3) и даны рекомендации по проектированию тонкопленочных МСБ, которые могут быть использованы как в отраслевых стандартах, так и стандартах предприятий.
Таблица 3. Существующие и рекомендуемые стандарты размеров тонкопленочных элементов.
Требование или ограничение Существующие стандарты Рекомендуемые стандарты для подложек
Ситалл Поликор Сапфир Кремний
1. Минимальная ширина пленочного проводника, мкм 50 20 20 10 10
2. Минимальное расстояние между пленочными элементами, расположенными в одном слое, мкм 50 20 20 10 10
3. Минимальные размеры КП, мкм 0,3 0,3 0,2 0,15 0,15
4. Минимальные размеры ТПР, обеспечивающие допуск ± 10%, мкм: - толщина - ширина (жидкое травление) - ширина (сухое травление) - длина 200 300 0,04 50 20 100 0,08 50 20 100 0,04 25 10 50 0,04 25 10 50
5. Диапазон коэффициента формы ТПР 0,1-200 0,005-1000
6. Толщина межуровневой полимерной изоляции, мкм 3-5 10-30
7. Толщина диоксида кремния, мкм 1-1,5 1 1 14-5
ВЫВОДЫ
На основе проведенного анализа современного состояния теории и практики проектирования, а также технологии тонкопленочных МСБ установлено, что ныне действующие стандарты РФ по МСБ отражают технический уровень 1980 гг. и сдерживают дальнейшие увеличение плотности упаковки.
Разработана теория ТПР с размерами менее 50 мкм. Полученные результаты позволяют повысить точность и стабильность сопротивления ТПР; расширить пределы коэффициента формы ТПР, проектируемых на одной плате, на два порядка; на порядок уменьшить размеры ТПР, существенно не изменяя при этом технологический процесс.
Разработаны методы повышения качества тонкопленочной МСБ, суть которых состоит в следующем. Разработан новый способ изготовления ТПР методом фотолитографии. Разработано три способа компенсации систематических погрешностей сопротивления ТПР. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы, который основан на результатах измерения сопротивления резисторов и вычисления инструментальных погрешностей ТПР. Разработаны методы и алгоритмы расчета систематических и случайных погрешностей параметров физической структуры ТПР.
Разработаны три КТВ многоуровневой платы с полимерной изоляцией: плата, на которую выводы компонентов монтируются только сваркой, плата со смешанным соединением выводов компонентов, плата, на которую выводы компонентов присоединяются только пайкой. Разработано два КТВ многоуровневой платы с подложкой из кремния. В качестве межуровневой изоляции во всех КТВ используется диоксид кремния толщиной 4-5 мкм.
Показано, что при уменьшении площади ТПР менее 2-3 мм2 удельная мощность рассеяния резистивной пленки не является информативным параметром для проектирования размеров ТПР. Взамен этого параметра предложено использовать тепловое сопротивление кондуктивного тракта источника тепла, расположенного на плате.
Литература
1. Спирин, В.Г. Проектирование и технология тонкопленочных микросборок с топологическими размерами 10-50 мкм: Монография / В.Г. Спирин.- Арзамас: АГПИ, 2005.- 146 с.
2. Спирин, В.Г. Тонкопленочные резисторы многокристальных модулей: Учебное пособие / В.Г. Спирин.- АПИ (филиал) НГТУ им. Р.Е. Алексеева; Арзамас: Издательство ОО «Ассоциация ученых» г. Арза-
маса, 2007, 112 с.
3. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов.- М.: Высш. шк.,
1987.- 416 с.
4. Пат. 2213383 РФ, МПК7 Н 01 С 17/00. Способ изготовления тонкопленочных резисторов / В.Г.
Спирин.- 27.09.2003.
5. Пат. 2231150 РФ, МПК7 Н 01 С 7/00, 17/00. Тонкопленочный резистор и способ его изготовления
/ В.Г. Спирин.- 20.06.2004.
6. Спирин, В.Г. Методы оценки качества тонкопленочной платы / В.Г. Спирин // Труды международного симпозиума «Надежность и качество - 2008», Т. 2.- Пенза, ПГУ, 2008г.- С. 5-8.
7. Спирин, В.Г. Исследование погрешностей определения параметров тонкопленочного резистора / В.Г. Спирин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.- 2008.- № 2.- С. 33-36.
8. Спирин, В.Г. Тонкопленочные многоуровневые коммутационные платы с толстопленочной полимерной изоляцией / В.Г. Спирин // Вестник Московского авиационного института.-2008, т.15.- № 3.- С 114-119.
9. Спирин, В.Г. Технология двухуровневой кремниевой платы микросенсоров / В.Г. Спирин // Труды
Восьмого международного симпозиума «Интеллектуальные системы (ШТЕЬБ'2008)», Россия, Нижний Нов-
город, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2008г.- С. 664-668.
10. Спирин, В.Г. Технология тонкопленочной микросборки акселерометра / В.Г. Спирин // 7-ая
международная конференция «Авиация и космонавтика - 2008», Москва, МАИ, 2008.- С. 167.
