Разработка конструкции и технологии микрополосковых плат для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ с высокой воспроизводимостью параметров и надежностью изделий

• Автор: Климачёв, Иван Иванович
• Шифр специальности: 05.27.01, 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: г. Фрязино
• Количество страниц: 169 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список используемых сокращений

Введение

1 Состояние разработки послойной структуры полосковых проводников ГИС СВЧ.

1.1. Надежность ГИС СВЧ и перспективность применения бссфлюсовой сборки для с5 повышения

1.2. Проблемы сборки и перспективы оптимизации структуры металлизации МПП

1.3. Анализ многослойных структур металлизации МПП ГИС СВЧ.

1.4. Диффузионное взаимодействие в металлических слоях МПП.

1.5. Затухание энергии в проводниках МПП.

1.6. Наиболее распространенные технологические маршруты изготовления МПП ГИС СВЧ.

1.7. Основные задачи диссертационной работы

1.8. Выводы
2Исследование коэффициента затухания в многослойных микрополосковых структурах.
2.1. Результаты экспериментальных измерении коэффициента затухания.
2.2. Исследование влияния толщины покрытий на величину коэффициента затухания
2.3. Результаты измерений коэффициента затухания в полосковых линиях с различным микропрофилем.
2.4. Выводы
3.Разработка послойной структуры для бссфлюсовой сборки ГИС СВЧ.
3.1 Исследование диффузионных процессов и элементного состава поверхности в системе СгМ1 Сим
Сишь Аиг4жв
3.2. Исследование температурновременного интервала стабильности системы СгСиСиеЫиАи,, н системы Т1Рс1М1Лигь
3.3. Влияние диффузионных процессов на свойства микрополосковых структур.
3.4. Исследование растворимости покрытий при пайке мнкроплат на основания
3.5. Послойная структура МПП для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ
3.6. Выводы
4 Разработка технологии изготовления МПП с послойной структурой металлизации для
бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ.
4.1. Разработка маршрута и технологических процессов формирования послойной мнкрополосковой структуры для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ.
4.2. Исследование влияния отжигов МПП на локальное расслаивание покрытий.
4.3. Выводы.
5. Перспективные направления повышения надежности и воспроизводимости параметров ГИС СВЧ.
5.1. Формирование топологии многокаскадных СВЧ МПП на единой подложке.
5.2. Технология изготовления высоконадежных металлизированных отверстий.
5.3. Технология изготовления МПП с тонкопленочными конденсаторами.
5.4. Технология изготовления внутрисхемных соединений через воздушный зазор.
5.5. Технология изготовления СВЧ ТИП с планарным монтажом активных элементов.
5.6. Выводы
6Исследование надежности ГИС СВЧ.
6.1. Исследование надежности микрополосковых плат, сформированных по разработанной технологии.
Заключение
Используемая литература
Приложение 1.
1. Расчет коэффициента затухания в многослойной микрополосковой линии
2. Расчет поверхностного сопротивления в многослойной микрополосковой линии
3. Исследование коэффициента затухания микрополосковой линии при различной форме ее поперечного
сечения
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ВИМС вторичная ионная массспектроскопия
ГИИ гибридный интегральный прибор
ГИС, БГИС гибридные интегральные схемы, большие ГИС
ГМИН гибридномонолитный прибор
КТЛР коэффициент теплового линейного расширения
МИЛ микрополосковые линии
МПП микрополосковые платы
РЭМ растровая электронная микроскопия
Сгмк, Смк,, слои металлов, осаждаемых напылением
Сиплы, АиГЖЛьв слои металлов, осаждаемых гальванически
ТКС температурный коэффициент сопротивления
ТИК тонкопленочные конденсаторы ТПС
ТИР тонкопленочные резисторы ТПЯ
ТПЬ тонкопленочная индуктивность
ТТМ твердотельные модули
ВВЕДЕНИЕ
Современный период развития общества ознаменован нарастающими темпами научнотехнического прогресса во всех отраслях промышленности и в особенности в таких наукоемких, как радиоэлектроника. В основном развитие радиоэлектроники базируется на тех достижениях, которые получены в области микроэлектроники, создающей фундамент для разработки более сложных, принципиально новых устройств и получения уникальных свойств радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, развитие радиоэлектроники и микроэлектроники сопровождается повышением требований к надежности работы, уменьшению массы и объема, улучшению электрических характеристик изделий.
Создание высоконадежных микроэлектронных СВЧ систем невозможно без комплексного решения организационных, технологических и конструкторских вопросов.
Опыт проектирования и промышленного производства показывает, что для обеспечения высокой надежности и воспроизводимости твердотельных модулей 1ТМ СВЧ необходимо, чтобы при проведении сборочных операций учитывались особенности структуры полосковых проводников, а послойная структура микрополосковых проводников отвечала требованиям сборки.
В производстве ТТМ СВЧ в гибридном исполнении основными сборочными операциями являются пайка и микросварка. Для пайки применяют золотосодержащие или оловянные припои с добавками свинца, индия, кадмия, висмута и др. Паяемыми поверхностями являются золото, никель, сплав олововисмут и др.
Высокое качество паяных и сварных соединений обеспечивается очисткой поверхности микрополосковых плат МПП, применением флюсов, контролируемыми газовыми средами, а также наложением ультразвуковых или низкочастотных колебаний.
К настоящему времени достигнут высокий уровень технологий, базирующийся на оборудовании и процессах, осуществляющих флюсовую сборку . Однако использование флюсов, особенно на заключительных сборочных операциях, провоцирует коррозионные процессы в загерметизированных микросборках и модулях, что приводит к дшрадации электрических характеристик, к выходу из строя активных и пассивных элементов микрополосковых плат при эксплуатации или длительном хранении СВЧ приборов 8.
Г1о этой причине развиваются и внедряются в промышленность процессы бесфлюсовой сборки .
В наиболее распространенных маршрутах бесфлюсовон сборки операции микросварки и микропайки осуществляют со ступенчатым снижением температуры в диапазоне 0.0С.
Ступенчатая бесфлюсовая сборка предъявляет особые требования к микрополосковым структурам, поскольку при температурах выше 0С протекает интенсивная взаимодиффузия и растворение покрытий в процессе пайки, что непосредственно влияет на надежность паяных и сварных соединений и электрические параметры ГИС СВЧ.
Актуальность


Золото обладает плохой адгезией к алюмоокендным подложкам. Из двухкомпонентных систем наиболее стойкой к атмосферной коррозии является система Ли Сг , однако, диффузия Сг в Ли снижает с эксплуатационные свойства. Введение промежуточного слоя Рс1 или Р1 между Сг и Аи повышает надежность системы, но, при этом повышает е электросопротивление вследствие взаимодиффузии между золотом и палладием или платиной . Таким образом, каждая из систем металлизации, приведенных в таб. З., но мере усложнения, приобретает определенные преимущества, но одновременно и недостатки. Не существует какойлибо одной структуры, отвечающей всем требованиям к ГИС различного назначения, поэтому в диссертационной работе рассмотрено соответствие свойств основных типов адгезионных, барьерных и проводящих слоев микрополосковых проводников требованиям бесфлюсовой сборки с учетом особенностей распространения в них СВЧ энергии. Одно из основных требований хорошая адгезия пленок с подложкой, обусловлено особенностями технологических процессов изготовления ГИС СВЧ. При низкой адгезии проводящей пленки с подложкой может произойти разрушение тонкопленочных элементов при изготовлении или в процессе сборки. Применение золотых, медных тонкопленочных проводников, имеющих слабую адгезию с подложкой из алюмооксидной керамики, вызывает необходимость введения дополнительного адгезионного подслоя согласно результатам работы ,. Можно использовать хромовые, нихромовые, титановые, танталовыс или ванадиевые пленки. В качестве адгезионных слоев могут также применяться пленки молибдена и ниобия табл. С увеличением толщины подслоя прочность сцепления увеличивается. Однако, возрастает коэффициент затухания СВЧ мощности ,. Адгезионные слои хрома, ванадия и титана формируют термическим испарением в вакууме. Пленки тугоплавких и редкоземельных металлов тантала, вольфрама. Наиболее качественные проводящие пленки меди формируют термическим или электроннолучевым напылением в вакууме. Это предопределяет наиболее широкое применение в качестве адгезионных слоев ванадия, хрома и титана, так как адгезионные и проводящие слои наносят в едином вакуумном цикле. Применение в качестве адгезионного слоя титана осложняется тем, что первоначально сформированные резистивные слои сплавов травятся в тех же травителях, что и титан. Кроме того, система титан медь характеризуется значительной взаимодиффузией приведенных слоев. Наиболее широкое применение титан нашел в структурах титан палладий золото и титан платина золото. Адгезионные слои ванадия и хрома, в целом, равноценны. Согласно сведениям работы , по сравнению с другими адгезионными слоями, хром к подложкам из алюмооксидной керамики имеет наибольшую адг езию, что предопределяет его наиболее широкое применение в качестве адгезионного слоя для микрополосковых структур на основе меди. К проводящим покрытиям предъявляется ряд требований высокая электропроводность, хорошая адгезия к материалу подслоя адгезионного, малая величина взаимодиффузин с подслоем при температурах сборки и в процессе эксплуатации, возможность прецизионного формообразования и гальванического нанесения барьерных и защитных покрытий. В качестве проводящих покрытий для формирования полосковых линий в технике СВЧ наибольшее распространение получили медь и золото. Медное покрытие, обладающее более высокой электропроводностью, чем золото, наносится методами термического или электронно лучевого испарения в вакууме, является качественной основой для нанесения химических или гальванических покрытий. Однако, медь характеризуется низкой коррозионной стойкостью, легко окисляется и, при проведении бесфлюсовых сборочных операций, требует специальной защиты. В качестве защитного покрытия для меди наибольшее распространение получило золото. Золотое покрытие облачает малыми потерями СВЧ мощности, удовлетворительной паяемостыо и отличной свариваемостью, хорошей коррозионной стойкостью. Бесфлюсовая сборка требует высокой чистоты поверхности соединяемых материалов. Но система хром медь золото пригодна для бссфлюсовой сборки при температурах до 0С.