CC BY
318
Иванов С.В., Котляренко Н.И.
Воронеж
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯГИБРИДНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
В настоящее время происходит освоение сверхвысокочастотных диапазонов и создание аппаратуры для работы на этих частотах. Уже существуют системы, использующие частоты выше 40 ГГц, т.е. работающие на КВЧ (крайне высоких частотах). В ряде случаев при проектировании СВЧ устройств достаточно применение давно известных материалов, таких как стеклотекстолит марки FR-4 или фольгиро-ванного фторопласта марки ФАФ. Но из-за усложнения устройств и повышения требованиям к электрическим, эксплуатационным и технологическим параметрам необходимо переходить к материалам на совершенно новой основе. При проектировании и разработке микроэлектронных СВЧ-устройств необходимо учитывать очень многие факторы, обусловленные малыми размерами узлов, концентрацией сильных полей в малых объемах, наличием цепей паразитной связи, взаимодействием близко расположенных элементов, трудностью отвода тепла, требованиями к точности изготовления и однородности материалов [1].
Печатные платы, применяемые в СВЧ диапазоне, изготавливают при высоких температурах. Структура тонких пленок зависит от температуры подложки. При ее повышении образуются пленки из более крупных кристаллов, вследствие чего толщина пленки, соответствующая резкому увеличению сопротивления, уменьшается. Также подложка, на которую осаждается проводящая пленка, должна иметь гладкую поверхность, обладать высокой механической и электрической прочностью [2]. Материалы, используемые для изготовления подложек в толстопленочной технологии должны обладать высокой механической прочностью, хорошими тепловыми характеристиками, стабильностью в широком диапазоне температур, удовлетворительной шероховатостью поверхности и постоянством геометрических размеров [3] . Вышеперечисленным требованиям отвечают высокочастотные диэлектрики. Их максимальная рабочая температура 280 °С. Значение диэлектрической проницаемости современных диэлектриков для печатных плат лежит в пределах от 2,2 до 10,2. От нее зависит скорость передачи сигналов в проводниках. Задержка сигнала в линии при таких значениях может превышать 6 нс/м. Данные материалы обладают малым тангенсом угла диэлектрических потерь, так как его величина обратно пропорциональна качеству радиоэлемента, а также малым значением модуля упругости по осям X и Y, что позволяет значительно уменьшить давление на паяные соединения и ограничивает расширение диэлектриков минимальным значением коэффициента температурного расширения металла (6 х 10-6°С-1) при дальнейшем увеличении надежности поверхностного монтажа. Современные материалы, представляющие интерес, созданы фирмами Arlon, Taconic, Neltec, Saflon, Polyflon, Isola иRogers.
Электрофизические свойства некоторых материалов указанных фирм представлены в таблице 1 [4]. Таблица 1 - Свойства СВЧ материалов
Материал Структура Диэлектриче-ская проницаемость при 10ГГц, s Тангенс угла потерь при 10ГГц, tgd Коэффициент температурного расширения, а х106 0C-1
X Y Z
1 2 3 4 5 6 7
ROGERS
RT/duroid 5870 PTFE, стелоткань 2,33 0,0012 22 28 173
RT/duroid 5880 PTFE, стелоткань 2,20 0,0009 31 48 237
RT/duroid 6002 PTFE, керамика 2,94 0,0012 16 16 24
TACONIC
TLC-27 PTFE, стело-ткань 2,75 0,0030 9 12 70
TLE-95 PTFE, стелоткань 2,95 0,0026 9 12 70
ARLON
CLTE-XT PTFE, керамика, стекло-ткань 2,94 0,0012 8 8 20
CLTE PTFE, керамика, стеклоткань 2,98 0,0025 10 12 35
AD2 5 0 PTFE, стеклоткань 2,50 0,0018 12 15 95
DiClad 522 PTFE, стеклоткань 2,40-2,60 0,0018 14 21 173
CuClad 2 5 0GT PTFE, перекрест. Стеклоткань 2,50 0,0018 18 19 177
IsoClad 917 PTFE, стекловолокно 2,17 0,0013 46 47 236
SAFLON
SCL-G-217- 05 PTFE, стекловолокно 2,17 0,0010 - - -
SCL-G-250- 08 PTFE, стеклоткань 2,50 0,0018 - - -
POLYFLON
CuFlon PTFE, стеклоткань 2,05 0,00045 129 129 129
NorCLAD PPO (оксид полифенилена ) 2,55 0,0011 53 53 53
PolyGuide облученный полиолефин 2,32 0,0005 108 108 108
Диэлектрики, применяемые в СВЧ технологиях также должны обладать малым тангенсом угла диэлектрических потерь и высокойтермостабильностью (ТКг = 10-5 - 10-6 °С-1) . При этом далеко не из всех материалов с высокой диэлектрической проницаемостью можно получить термостабильный СВЧ диэлектрик. Например, из простых ионных кристаллов единственными перспективными являются соли таллия. Они имеют отрицательныйТКг и гСВЧ = 20 - 30. Поликор и сапфир нашли широкое применение в изготовлении диэлектрических подложек, хотя их s порядка 10, они имеют высокуютермостабильность. СВЧ диэлектрики также можно изготовить из сегнетоэлектриков. Их диэлектрические потери tgp относительно невелики от 10до 3. Монокристаллы ниобата и тантала лития имеют sСВЧ от 40 до 50, TKs = (2 - 3) х 10-4 °С-1. Антисегнетоэлектрики типа смещения имеют высокую диэлектрическую проницаемость ^СВЧ от 30 до 150) и низкие диэлектрические потери. Их можно использовать не только при изготовлении СВЧ диэлектриков, но и применять как термокомпенсаторы параэлектриков. Параэлектрики типа
смещения, виртуальные сегнетоэлектрики типа тантала стронция и тантала калия, потенциальные параэлектрики типа титаната кальция и рутила обладают высокой диэлектрической проницаемостью и большей частью достаточно малыми диэлектрическими потерями в СВЧ диапазоне, но они принципиально не стабильны. В таблице 2 приведенные основные параметры различных СВЧ-диэлектриков [5].
Таблица 2 - Основные параметры различных СВЧ диэлектриков_________________________
Материал 1 МГц 10 ГГц
£ tg^x10-4 £ tg^x10-4 ТК£х106К-1
BATiO9 40 10 38 2 -20
ТБНС 100 5 95 8 + 20
T - 80 85 7 83 4 -500
NaNbO3 (монокристалл) 220 50 200 20 + 1000
NaNbO3 (керамика) 150 60 140 100 + 1200
CaTiO3 160 6 160 10 + 1600
ZnTiO3 30 96 27 4 -60
Bi4GeO20 43 8 43 8 + 110
Bi4SiO20 41 10 40 6 + 40
Тонкопленочные конденсаторы, которые предназначены для гибридных интегральных схем (ГИС), так же как и соответствующие дискретные элементы, состоят из двух проводящих слоев, разделенных слоем диэлектрика. Способность тонких пленок образовывать составную часть общей схемы зависит от совместимости той технологии, которая используется для формирования тонкопленочного диэлектрика. Поэтому все конденсаторы, используемые для ГИС, делятся на типы в зависимости от материала диэлектрика. Наиболее широкое применение в качестве диэлектрика этих конденсаторов получила двуокись кремния. Емкость конденсаторов, сделанных из данного материала, постоянна при изменении напряжения и их добротность выше, чем у конденсаторов, образуемых за счет p - n перехода, так как они имеют малое паразитное сопротивление. Обычно пленки двуокиси кремния позволяют получать емкость от 400 до 480 пФ/мм2 при толщине диэлектрика 500 - 1000 А. Применение более тонкого диэлектрика исключается, так как с уменьшением толщины появляются трудности получения однородной по толщине пленки на всей поверхности подложки. Совместимые тонкопленочные конденсаторы возможно изготовить также на пленках из окиси алюминия. Изоляция нижнего электрода от кремниевой платы осуществляется слоем SiO2, что приводит к образованию небольшой паразитной емкости между нижней обкладкой и платой. Но так как толщину двуокиси кремния под нижней обкладкой конденсатора можно сделать сравнительно большой толщины, то паразитную емкость относительно подложки можно сделать весьма малой. Аналогичную конструкцию имеют конденсаторы с диэлектриком из окиси тантала (Ta2O5) . Характеристики тонкопленочных конденсаторов приведены в таблицеЭ.
Таблица Э - Характеристики тонкопленочных конденсаторов
Параметр Диэлектрик
SiO2 AI2O3 Ta2O5
Максимальная емкость на единицу площади, пФ/мм2 400 - 600 480 - 800 4000
Максимальная емкость в заданных габаритах для ГИС, пФ 500 1000 5000
Максимальное напряжение, В 50 20 - 50 20
Добротность (частота 10 МГц) 10 - 100 10 - 100 -
Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц 0,7 0,5 5
Допуск на номинальную емкость, % ± 20 ± 20 ± 20
Металлические материалы обладают рядом положительных свойств: повышенной термостойкостью, малым коэффициентом напряжения и уровнем собственных шумов, хорошими частотными характеристиками. Вследствие этого значительно развиваются исследования и производство металлопленочных резисторов. В качестве проводящих элементов - резисторов используют тонкие пленки специальных сплавов или металлов, осажденные на изоляционные основания [2] . Для изготовления резисторов одним из лучших сплавов считается нихром, состоящий из 80 % никеля и 20 % хрома, либо имеющий добавки из других металлов. Но большинство нихромовых пленок имеют более высокое удельное сопротивление по сравнению с другими сплавами. Тонкопленочные резисторы применяются в монолитных интегральных схемах в тех случаях, когда необходимо высокое сопротивление слоя или нужно обеспечить радиационную стойкость. Силицидные резистивные пленки (MoSi2, CrSi2, Si-Cr), осаждаемые реактивным распылением, совместимы с технологией изготовления монолитных схем, причем они не нуждаются в защитном покрытии. Пленки стабильны при кратковременном воздействии высоких температур, которые имеют место при герметизации монолитных или гибридных схем в керамических корпусах. Для осаждения тонких резистивных пленок используют стандартные резистивные сплавы в виде порошков или дисков мишеней. Данные сплавы представляют собой силициды хрома, никеля, железа и двойные или тройные системы на их основе. Характеристика силицидных резисторов приведена в таблице 4.
Таблица 4 - Характеристика силицидных резисторов
Параметры Материалы
MoSi CrSi2 Si-Cr
Удельное сопротивление пленки, Ом/ 200 1300 20000
Температурный коэффициент сопротивления, (1/град)х10-6 +125±25 +200±50 +1400±200
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт/см2 0,5 0,5 0,5
Допустимое отклонение сопротивления в процессе старения, % 2 4 2
Толщина пленки, мкм 0,065 0,03 0,02
Изготовить тонкопленочные резисторы можно не только из металлов и сплавов, но также и из их смесей, называемых керметами.Керметы - это композиционные материалы, содержащие металлы (или сплавы) и один или несколько видов керамики. В качестве керамической составляющей обычно используют оксиды Al, Be, Mg, Zr, Th, U, карбиды W, Ti, Та, Nb, Cr, бориды Zr, Ti, в качестве металлической - тугоплавкие металлы W, Mo и др., металлы группы Fe, легкоплавкие металлы Си, Al, Mg. К керметам относят также твердые сплавы на основе Ni, Со и карбидов W, Ti, Та, Мо, характеризующиеся высокой твердостью, прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью [б].
ЛИТЕРАТУРА
1. Материалы сайта http://www.kit-e.ru/
2. Мартюшов К.И. Технология производства резисторов: учеб.пособ. для специальности «Полупроводники и диэлектрики» / К.И. Мартюшов, Ю.В. Зайцев. - М.: «Высш. школа», 1972. - Э12 с.
3. Топфер М. Микроэлектроника толстых пленок. Технология, конструирование, применение / пер. с анг. под. ред. д-ра физ.-мат. Наук., проф. Т. Д. Нирмергора. - М.: «Мир», 197Э. - 260 с.
4. Материалы сайта http://www.kompleckt.ru/
5. Рез И.С. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. / И.С. Рез, Ю.М. По-
плавко. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.
6. Материалы сайта http://www.chemport.ru/
