CC BY
34ройства многослойную коммутационную плату, что при использовании плоских магнитных сердечников дает возможность существенно снизить массогабаритные характеристики изделия [1-4].
Проведение технологических разработок по созданию обмоток плоских электромагнитных компонентов на основе фольгированной полиимидной пленки требует дальнейшего уменьшения массогабаритных размеров РЭА [5].Существенным фактором, способствующим развитию технологии плоских ЭМК, является появление на мировом рынке серии материалов марки Pyralux®AP, которые обладают отличными технологическими качествами и электрофизическими параметрами [6]. По сравнению с фольгированным стеклотекстолитом, традиционно применяемым в технологии печатных плат, эти материалы имеют ряд преимуществ (таблица).
Свойства фольгированного полиимида и стеклотекстолита
Параметры Фольгирован шый материал
стеклотекстолит FR - 4 полиимид Pyralux® AP-9212
Поверхностное сопротивление, Ом/ 1010 >1016
Объемное сопротивление, Омсм 1012 1016
Диэлектрическая проницаемость (частота - 1 МГц) 5,4 3,4
Тангенс угла диэлектрических потерь (частота - 1 МГц) 0,035 0,003
Электрическая прочность, кВ/мм 1,18 >10
Стойкость к рентгеновскому и электромагнитному излучению Низкая Высокая
Прочность на отслоение медной фольги, Н/мм 1,45 1,6
Температура стеклования, °С 125 220
Минимальная толщина диэлектрика в составе печатной платы, мкм > 100 25
В настоящей работе предлагается технология процесса изготовления на основе фольгированной полиимидной пленки плоских ЭМК с улучшенными электрофизическими массогабаритными параметрами.
Исходные материалы. В качестве исходного материала использовалась поли-имидная пленка марки Pyralux®AP-9212. Этот материал имеет ультратонкую (по сравнению с классическим стеклотекстолитом) трехслойную структуру медь-полиимид-медь: толщина полиимидного диэлектрика 25 мкм, толщина слоев меди 70 мкм.
Следует выделить еще и такие характеристики материала Pyralux®AP, как: высокие термостойкостъ (З50 °С) и холодостойкость (-196 °С), эластичность и механическая прочность полиимида, начальная жесткость и плоскостность листов в состоянии поставки, селективность при химобработке полиимида и меди.
Одно из технологических достоинств этого материала состоит в том, что трехслойная структура не содержит адгезионных прослоек между медью и полиимидом, однако обладает большой силой сцепления между слоем меди и поверхностью полиимида. Это позволяет использовать технологию группового селективного травления переходных отверстий и элементов топологии очень малых размеров.
В конструкции плоских трансформаторов применялись малогабаритные сердечники типа E+I 22/6/16 фирмы «EPCOS», выполненные из материала N49, который обеспечивает устойчивую работу трансформатора на высоких частотах.
Основные технологические процессы. Полный технологический цикл изготовления обмотки плоского ЭМК условно может быть разбит на четыре этапа:
- формирование всех межслойных переходов и технологических элементов совмещения;
- создание всех проводников и элементов монтажа;
- сборка и формирование многослойной печатной платы;
- формирование термостойкой изоляционной защитной маски и лужение внешних элементов монтажа.
Первый этап является наиболее трудоемким по числу и характеру технологических операций. Этап включает двухстороннюю фотолитографию с локализацией переходов, травление меди в переходных отверстиях с минимальным диаметром 70 мкм, травление сквозных отверстий в полиимиде (толщина 25мкм) и селективное гальваническое наращивание меди в межслойных переходах. Все перечисленные операции выполняются с применением агрессивных кислотных и щелочных сред, поэтому для надежной фотолитографии использован наиболее стойкий (особенно в щелочной среде) негативный фоторезист ФН-11С. Такой прием оказался достаточно эффективным, так как позволил с однократной фотолитографией выполнить подряд три операции, которые формируют весь массив межслойных переходов платы.
Особенностью разработанной технологии изготовления обмоток на основе фольги-рованной полиимидной пленки является использование процесса химического травления полиимида при формировании переходных отверстий. По сравнению с традиционно применяемым сверлением это позволяет существенно уменьшить диаметр отверстий и тем самым общую площадь печатной платы. Обычно химическое травление поли-имида проводят в концентрированных растворах щелочей [7] или в растворе гидразин-гидрата [8]. В предлагаемом цикле травление полиимидной пленки проводилось в слабощелочных менее агрессивных растворах, содержащих моно- и триэтаноламин, что гарантировало устойчивость фоторезистивной маски в течение всего процесса травления.
Сравнительно малая толщина полиимидной пленки дает возможность при изготовлении отдельных слоев печатной платы эффективно использовать гальваническое заращива-ние переходного отверстия металлом. Это заметно (не менее чем в 5 раз) снижает контактное сопротивление в переходных отверстиях по сравнению с металлизацией их по традиционной технологии, что особенно важно при высоких токах в цепи обмоток.
На втором этапе в каждом слое печатной платы формируется один виток первичной или вторичной обмотки, причем витки могут соединяться последовательно, параллельно (при высокой токовой нагрузке) или параллельно-последовательно. В последнем случае при разном количестве витков в обмотках удается реализовать чередование слоев с витками, принадлежащими разным обмоткам.
При изготовлении проводников для достижения высокой прецизионности элементов целесообразно применять позитивный фоторезист ФП-051К, имеющий повышенную фоточувствительность. При этом за счет большей вязкости и, соответственно, толщины маски позитивный фоторезист надежно защищает сформированные межслой-ные переходы при травлении меди проводников.
Формирование многослойной платы на третьем этапе проводилось двумя методами: термопрессованием и вакуумной пайкой. В методе термопрессования между функциональными слоями печатной платы прокладывались два слоя полуотвердевшей смолы: слой препрега ББ 104 МЬ тип 2116 АТ 01 и слой полиимидной пленки (рисунок). Использование промежуточного слоя полиимидной пленки позволяет, с одной стороны, значительно улучшить электрофизические параметры и надежность межслойной изоляции, а с другой, - уменьшить общую ее толщину, так как в этом случае требуется
применение меньшего количества прокладок препрега, связывающих в процессе термопрессовки отдельные слои в единую многослойную печатную плату.
Схема поперечного сечения многослойной печатной платы обмотки трансформатора на фольгированном полиимиде: 1 - полиимидная пленка - диэлектрическая основа функционального слоя печатной платы; 2 - слой препрега; 3 - внутреннее межслойное металлизированное переходное отверстие; 4 - токопроводящие элементы коммутации; 5 - сквозное переходное металлизированное отверстие;
6 - межслойная изоляция в виде полиимидной пленки
Метод вакуумной пайки применялся при использовании односторонне фольгиро-ванной полиимидной пленки. В этом случае в каждом слое печатной платы формировались контактные узлы.
Контактный узел представлял собой совмещенные контактные площадки, которые расположены в соседних слоях. Одна из контактных площадок изготавливалась одновременно с витками обмотки, другая - в окне, протравленном в полиимиде. Контактные площадки формировались путем гальванического осаждения меди и сплава олово-висмут, обеспечивающего соединение контактных площадок в процессе вакуумной пайки.
Для формирования защитной маски на многослойной печатной плате использовался модернизированный негативный высокостойкий фоторезист с высокой вязкостью ФН-11СК, применяемый как электроизоляционный материал. В качестве альтернативы для защитной маски может также быть использован полиимидный лак марки АД-9103, но этот вариант более трудоемкий по операциям. Формирование слоя защиты из фоторезиста ФН-11СК выполнялось путем двух- и трехкратного погружения в объем фоторезиста с промежуточной сушкой при температуре 90 °С между погружениями. Полученный таким образом слой требовал увеличения времени экспонирования и более интенсивного проявления с применением пульверизации толуола.
Завершалось формирование защитной маски высокотемпературной полимеризацией при +200 °С. Результирующая толщина маски составляла 7-8 мкм.
Операция облуживания контактных площадок выполнялась методом окунания поверхности платы в расплав припоя.
После сборки трансформатор герметизировался теплопроводящим компаундом марки КПТД-1/3Т-15,0 производства «Номакон», что позволяло исключить воздействие влаги на электрофизические свойства изделия.
Приведем технические характеристики плоского малогабаритного трансформатора, изготовленного по предложенной технологии и предназначенного для работы в составе
вторичного DC-DC-источника питания с внутренней частотой преобразования сигнала
порядка 500 кГц:
Геометрические размеры, мм.....................................30^22x8
Масса, г.................................................................................14,5
Число витков:
первичной обмотки...........................................................12
вторичной обмотки.............................................................3
Средняя мощность на нагрузке, Вт....................................100
Импульсная мощность на нагрузке, Вт.........................до 300
Рабочая частота, кГц.......................................................до 500
КПД на частоте 500 кГц, %...................................................98
Пробивное напряжение, В...............................................>5000
Сопротивление изоляции между обмотками, Ом.........>2-10б
Следует отметить, что при относительно небольших размерах и массе трансформатор обладает высокими значениями номинальной и импульсной мощности, рабочей частоты и КПД. Использование запатентованной конструкции обмоток [9] позволяет добиться рекордных для таких трансформаторов показателей по пробивному напряжению и сопротивлению изоляции между обмотками.
Предложенная технология позволяет продвинуться по пути микроминиатюризации электромагнитных компонентов при заметном улучшении и всех остальных параметров.
Литература
1. Шихов С. Проектирование планарных силовых трансформаторов // Компоненты и технологии. -2003. - № 7. - С. 107 - 111.
2. Andrey V. Lyubimov, Vasiliy V. Menshikov. Working out of constructions and manufacturing techniques of flat small-sized electromagnetic components and sources of secondary power supplies on their basis for onboard space equipment // Space and Global Security of Humanity, Book of abstracts of the first specialized international symposium (Limassol, Cyprus, November 2 - 7, 2009). - P. 37.
3. Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. - 2003. - № 6. - С. 106 - 112.
4. Многослойная печатная плата / А.В. Любимов, В.С. Серегин, Е.К. Шавырин и др. // Патент на полезную модель № 86833 RU, H05K3/46. - 2009.
5. Блинов ГА. Гибридные интегральные функциональные устройства - М.: Высшая школа, 1987. - 350 с.
6. DuPont™ Pyralux® AP flexible circuit materials. Technical Data Sheet. - URL: http://www2.dupont.com/Pyralux (дата обращения: 15.01.2013).
7. Полиимид. - URL: www.vop.ru>articles/11.html, (дата обращения: 20.09.2012).
8. Полиимиды. - URL: www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3501.html>ПОЛИИМИДЫ (дата обращения: 20.09.2012).
9. Плоский трансформатор / В.К. Любимов, К.В. Егоров, В.Д. Ходжаев и др. // Патент на полезную модель № 94757 RU, H05K3/46. - 2010.
Статья поступила 28 сентября 2012 г.
Блинов Геннадий Андреевич - доктор технических наук, профессор, дважды лауреат Государственной премии СССР, генеральный директор ЗАО «НИИМП-Т» (г. Москва). Область научных интересов: технология компонентов и изделий электронной техники.
Борисов Александр Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры общей и физической химии МИЭТ. Область научных интересов: технология компонентов и изделий электронной техники. E-mail: [email protected] Любимов Андрей Викторович - главный технолог ЗАО «НПП «ОПТЭКС» (г. Москва). Область научных интересов: силовая электроника, планарные электромагнитные компоненты, технологии сборки РЭА.
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.049.77
Моделирование вторичного пробоя латерального ДМОП-транзистора при облучении
Е.В. Кузнецов, Д.В. Рязанцев
НПК «Технологический центр» (г. Москва)
С использованием численного моделирования рассмотрено влияние конструктивно-технолологических параметров латерального ДМОП-транзистора на стойкость к эффекту вторичного пробоя под воздействием тяжелых заряженных частиц. Разработаны подходы к оптимизации ДМОП-транзистора, устойчивого к воздействию тяжелых заряженных частиц. Проведено сравнение результатов моделирования стойкости ДМОП-транзистора с экспериментально полученными данными.
Ключевые слова: математическое моделирование, ДМОП-транзистор, радиа-ционно-индуцированный вторичный пробой, тяжелая заряженная частица.
В последнее время кремниевые латеральные МОП-транзисторы с двойной диффузией ДМОП широко используются в СВЧ-аппаратуре в частотном диапазоне до 3-5 ГГц в схемах усилителей мощности [1], а также в качестве силовых транзисторов, интегрированных с аналого-цифровой КМОП-технологией. При использовании ДМОП-транзисторов в аппаратуре аэрокосмического и военного назначения они должны быть радиационно-стойкими и устойчивыми к воздействию тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космических лучей. Известно [2, 3], что ТЗЧ являются причиной двух эффектов в силовых МОП-транзисторах - пробой подзатворного диэлектрика (эффект Single Event Gate Rupture) [4, 5] и вторичный пробой транзистора (эффект Single Event Burnout) [6, 7]. В работе [8] показано, что конструкция ДМОП-транзистора обеспечивает устойчивость его к эффекту пробоя подзатворного диэлектрика.
В настоящей работе приведены результаты исследования эффекта вторичного пробоя в ДМОП-транзисторе методами математического моделирования.
В результате моделирования выявлен механизм, который характерен для вертикальных ДМОП-транзисторов (рис.1,а) [7]. Тяжелая частица при попадании в структуру прибора порождает в ней электронно-дырочные пары. Из-за наличия градиента концентрации носителей заряда и под воздействием электрических полей образуется соответственно дрейфовый и диффузионный электронный Ip и дырочный In ток. Полученный дырочный ток направлен к контакту подложки и способствует смещению в прямом направлении р-п-перехода исток-подложка и инжекции электронов (рис.1,б). Электроны, двигаясь к стоку, усиливают процесс ударной ионизации и способствуют возникновению лавинного умножения заряда. Дырочный ток Ip, образованный в результате лавинного умножения носителей в области стока, приводит к дальнейшей ин-
© Е.В. Кузнецов, Д.В. Рязанцев, 2013
