Процессы микро- и нанотехнологий: Лабораторный практикум. Часть 1

УДК 621.382 Шутов Д.А., Ситанов Д.В. Процессы микро- и нанотехнологий : Лабораторный практикум. Том 1 / Иван. гос. хим. – технол. ун-т. – Иваново, 2006, - 141 с. ISBN . Первый том данного лабораторного практикума содержит описание и порядок выполнения шести базовых лабораторных работ по курсу «Процессы микро- и нанотехнологий», входит в комплект базовых учебных пособий по данному курсу, читаемому студентам специальности 210100 «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника» и посвящен изучению технологий изготовления печатных плат, фотошаблонов, конструкций и технологий узлов поверхностного монтажа компонентов, а также методов контроля толщин тонких пленок. Каждое описание лабораторной работы содержит подробное теоретическое введение, описание лабораторного оборудования, порядок выполнения работы, лабораторное задание и перечень вопросов для самоподготовки. При подготовке лабораторного практикума были использованы методические рекомендации и лабораторные образцы ЭЗ «Протон» г. Зеленоград. Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета Рецензенты: кафедра математики, экономической информатики и вычислительной техники Ивановского филиала Российского государственного торгового университета; доктор технических наук Н.А. Коробов (Ивановская государственная текстильная академия)

© Ивановский государственный химико-технологический университет, 2006

ISBN

2

Оглавление Лабораторная работа 1 Технологические процессы изготовления однослойных и двухсторонних печатных плат ...................................................................................6 Цель работы .................................................................................................................... 6 Теоретические сведения ................................................................................................ 6 Описание лабораторного макета ................................................................................ 12 Требования к отчету .................................................................................................... 12 Лабораторное задание ................................................................................................. 12 Порядок выполнения работы...................................................................................... 13 Контрольные вопросы ................................................................................................. 14 Лабораторная работа 2 Технологические процессы изготовления многослойных печатных плат.....................................................................................15 Цель работы .................................................................................................................. 15 Теоретические сведения .............................................................................................. 15 Описание лабораторного макета ................................................................................ 28 Требования к отчету .................................................................................................... 28 Лабораторное задание ................................................................................................. 28 Порядок выполнения работы...................................................................................... 30 Контрольные вопросы ................................................................................................. 30 Лабораторная работа 3 Изучение элементной базы, топологии и конструкции гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем..............................32 Цель работы .................................................................................................................. 32 Теоретические сведения .............................................................................................. 32 Описание лабораторного макета ................................................................................ 52 Требования к отчету .................................................................................................... 52 Лабораторное задание ................................................................................................. 53 Порядок выполнения работы...................................................................................... 54 Контрольные вопросы ................................................................................................. 56 Лабораторная работа 4 Методы и технология изготовления фотошаблонов ...58 Цель работы .................................................................................................................. 58 Теоретические сведения .............................................................................................. 58 Описание лабораторного макета ................................................................................ 71 Требования к отчету .................................................................................................... 73 Лабораторное задание ................................................................................................. 73 Порядок выполнения работы...................................................................................... 75 Контрольные вопросы ................................................................................................. 77 Лабораторная работа 5 Конструкция и технология поверхностного монтажа компонентов....................................................................................................................79 Цель работы .................................................................................................................. 79 Теоретические сведения .............................................................................................. 79 Описание лабораторного макета ................................................................................ 95 Требования к отчету .................................................................................................... 95 Лабораторное задание ................................................................................................. 95 Порядок выполнения работы...................................................................................... 96 Контрольные вопросы ................................................................................................. 96 Лабораторная работа 6 Методы контроля толщины пленочных структур ......98 Цель работы .................................................................................................................. 98 3

Теоретические сведения .............................................................................................. 98 Описание лабораторного макета .............................................................................. 102 Требования к отчету .................................................................................................. 103 Лабораторное задание ............................................................................................... 103 Порядок выполнения работы.................................................................................... 103 Контрольные вопросы ............................................................................................... 104 Приложение 1. Основные материалы и операции, используемые при изготовлении печатных плат.....................................................................................105 Фольгированные диэлектрики.................................................................................. 105 Препреги ..................................................................................................................... 105 Пленочные фоторезисты ........................................................................................... 107 Паяльные маски.......................................................................................................... 107 Система базирования ................................................................................................. 109 Прессование МПП. .................................................................................................... 110 Сверление отверстий. ................................................................................................ 115 Подготовка поверхности стенок отверстий. ........................................................... 118 Гальваническая металлизация. ................................................................................. 122 Химическая металлизация. ....................................................................................... 123 Горячее лужение (оплавление). ................................................................................ 125 Маркировка................................................................................................................. 125 Электрический контроль ПП. ................................................................................... 125 Испытания ПП............................................................................................................ 126 Приложение 2. Технологические маршруты изготовления печатных плат....130 Технологический маршрут изготовления ОПП субтрактивным негативным методом с использованием пленочного фоторезиста (Процесс 1) ....................... 130 Технологический маршрут изготовления ОПП субтрактивным позитивным методом с использованием металлорезиста олово-свинец (Процесс 2)............... 131 Технологический маршрут изготовления ОПП субтрактивным негативным методом с трафаретной печатью рисунка (Процесс 3) .......................................... 131 Технологический маршрут изготовления ДПП позитивным методом с металлорезистом олово-свинец (Процесс 1) ........................................................... 132 Технологический маршрут изготовления ДПП методом “Тентинг” (Процесс 2)133 Технологический маршрут изготовления ДПП без металлизируемых переходов субтрактивным негативным методом (Процесс 3) ................................................. 134 Технологический маршрут изготовления слоев МПП субтрактивным негативным методом (Процесс 1) .................................................................................................. 134 Технологический маршрут изготовления МПП субтрактивным позитивным методом с металлорезистом олово-свинец (Процесс 2)......................................... 135 Технологический маршрут изготовления слоев МПП полностью аддитивным методом (“ПАФОС”) (Процесс 3) ............................................................................ 136 Приложение 3. Технологический маршрут изготовления фотошаблонов для производства печатных плат (ПП). Типы фотошаблонов, применяемые для изготовления ПП..........................................................................................................136 Маршрут технологического процесса изготовления фотошаблонов для производства МПП современными методами ........................................................ 136 Типы фотошаблонов, изготавливаемые на фотоэмульсионной пленке, для производства слоев ПП негативным методом. ....................................................... 138 Типы фотошаблонов, изготавливаемые для производства слоев ПП негативным 4

методом, с применением рабочих фотошаблонов на диазопленке. ..................... 138 Типы фотошаблонов, изготавливаемые для производства слоев ПП позитивным способом. .................................................................................................................... 138 Типы фотошаблонов, изготавливаемые для производства внутренних слоев ПП методом ПАФОС........................................................................................................ 139 Приложение 4. Изучаемые ИМС. Описание, электрические схемы .................139 Описание изучаемых ИМС ....................................................................................... 139 Варианты элементов ПИМС для изучения топологии........................................... 140 Принципиальные электрические схемы ИМС ........................................................ 141 Список рекомендуемой литературы ........................................................................142

5

Лабораторная работа 1

Технологические процессы изготовления однослойных и двухсторонних печатных плат Цель работы 1. Изучить характеристики печатных плат. 2. Изучить методы формирования рисунка проводников однослойных печатных плат (ОПП) и двухсторонних печатных плат (ДПП). 3. Изучить технологические операции и процессы изготовления ОПП и ДПП. 4. Изучить методы формирования межслойных проводников в ДПП. 5. Ознакомиться с методами контроля качества ОПП и ДПП. Теоретические сведения Однослойные и двухсторонние печатные платы - наиболее употребляемые конструктивные элементы бытовой и промышленной техники, с помощью которых обеспечивается: • система печатных проводников для объединения электронных компонентов в конкретную электрическую схему; • размещение электронных компонентов; • монтаж электронных компонентов путем соединения их со схемой связей; • монтаж разъемных соединительных компонентов; • монтаж дискретных связей (проволочных, кабельных, шлейфовых); • распределение тока между электронными компонентами. Эти функции осуществляются реализацией системы взаимозависимых монтажных, трассировочных, конструкционных, электрических, конструктивнотехнологических, эксплуатационных, надежностных и экономических характеристик. Основные монтажные характеристики ОПП и ДПП: • количество монтируемых микросхем, разъемных соединителей, резисторов, конденсаторов и т.д.; • количество объединяемых выводов электронных и электрических компонентов; • площадь посадочного места микросхем; • шаг контактных площадок для присоединения выводов микросхем; • вид монтажа выводов компонентов (поверхностный монтаж, монтаж в отверстия); • размещение контактных площадок для монтажа ремонтных проводников; • размещение и форма специальных реперных знаков для автоматизированного совмещения выводов микросхем и контактных площадок; • размещение компонентов на одной или обеих сторонах. Основные трассировочные характеристики однослойных и двухсторонних печатных плат: • количество каналов для размещения сигнальных проводников; • количество сигнальных проводников; • плотность проводников; • топология посадочных мест микросхем; • длина сигнальных проводников в плате; 6

• размер рабочего поля платы; • толщина платы; • размеры проводников и зазоров; • толщина проводников; • топология контактных площадок; • материал проводников; • материал изоляции; • форма контактных площадок для поверхностного монтажа компонентов; • топология проводников и межслойных переходов (последнее только для ДПП); • количество сквозных отверстий в плате (для ДПП); • плотность сквозных переходов в плате (для ДПП); • величина взаимного рассовмещения слоев (для ДПП); • шаг сквозных переходных отверстий (для ДПП); • отношение толщины платы к диаметру сквозного отверстия (для ДПП); • уровень сложности (для ДПП). Основные конструкционные характеристики ОПП (рис. 1а) и ДПП(рис. 1б): b

t

Q

D

s t

h

hф

d

Hп

Hм I

а) b

Hпс

t s t

D d

h

Q

Hм

Hп

I

hп

hф

б) Рис. 1. HПС – суммарная толщина печатной платы; HП – толщина печатной платы; HМ – толщина материала ПП; b – гарантийный поясок; D – диаметр контактной площадки; d – диаметр отверстия; t – ширина печатного проводника; s – расстояние между краями соседних проводников; l – расстояние между центрами отверстий; hФ – толщина фольги; hП – толщина химико-гальванического покрытия; h – толщина проводящего рисунка.

• •

Основные электрические характеристики ОПП и ДПП: погонное сопротивление проводников на постоянном токе; погонная индуктивность проводников; 7

• величина постоянного тока питания, распределяемого шинами питания и земли; • равномерность распределения напряжения питания по полю платы; • погонная емкость проводников (для ДПП); • сопротивление цилиндрического проводника металлизированного сквозного отверстия (для ДПП); • величина диэлектрической постоянной изоляции (для ДПП); • индуктивность соединительных проводников между сквозными металлизированными переходами и контактными площадками для пайки выводов микросхем (для ДПП). Движущими мотивами увеличения сложности печатных плат, используемых для производства электронной техники, можно считать: • увеличение функциональной сложности и функциональной завершенности узлов на печатной плате; • увеличение сложности и разнообразия форм электрических компонентов, монтируемых на плате. При этом наблюдается стремление к минимизации габаритов печатных плат за счет повышения плотности монтажа компонентов и размещения компонентов на обеих сторонах печатной платы. Создание рисунка проводников ПП. Рассмотрим технологии получения проводящего рисунка однослойных печатных плат: 1) Субтрактивный негативный метод с применением трафаретных красок (только для ОПП); 2) Субтрактивный негативный метод с применением сухого пленочного фоторезиста; 3) Субтрактивный позитивный метод с применением металлорезиста оловосвинец; 4) Субтрактивный «тентинг» метод (только для ДПП). По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получают травлением по защитному изображению в пленочном фоторезисте, трафаретной краске или по металлорезисту, осажденному в окнах, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста на поверхности фольгированных диэлектриков. Название технологии произошло от англ. subtract – удалять, травить. Первый вариант (рис.2) - получение проводящего рисунка травлением медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению печатной краски, нанесенной сеткографической печатью. Второй вариант (рис.3) - получение проводящего рисунка травлением медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в пленочном фоторезисте. По полученному защитному изображению в пленочном фоторезисте производят травление меди с пробельных мест схемы. Применяется при изготовлении ДПП без переходов. Третий вариант (рис.4) - вытравливание проводящего рисунка по металлорезисту, осажденному на поверхность медных проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, и, в случае ДПП, на стенки металлизированных отверстий. Четвертый вариант (рис.5) - получение проводящего рисунка двухсторонних 8

плат с межслойными переходами, т.е. с металлизированными отверстиями, путем травления медной фольги с гальванически осажденным слоем меди по защитному изображению рисунка схемы и с защитными завесками над металлизированными отверстиями в пленочном фоторезисте. Заготовка фольгированного диэлектрика Получение защитного рисунка кpаcки сеткографической печатью Травление медной фольги в окнах рисунка из краски Удаление защитного рисунка краски Лужение медных проводников Рис.2. Изготовление ПП субтрактивным негативным методом с применением трафаретных красок Заготовка фольгированного диэлектрика Получение защитного рисунка в СПФ (наслаивание, экспонирование, проявление)

Травление медной фольги в окнах рисунка из СПФ

Удаление защитного рисунка из СПФ

Лужение медных проводников

Рис.3. Изготовление ПП субтрактивным негативным методом с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ) 9

Заготовки фольгированного диэлектрика с просверленными отверстиями Химическая и предварительная электрохимическая металлизация всей поверхности и стенок отверстий Получение защитного рисунка в СПФ (наслаивание, экспонирование, проявление

Электрохимическое осаждение сплава олово-свинец в oкна СПФ

Удаление защитного рисунках СПФ Травление медной фольги в окнах рисунка из металлорезиста Рис.4. Изготовление ПП субтрактивным позитивным методом с использованием металлорезиста В данном процессе пленочный фоторезист наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие предварительно операции сверления отверстий, металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В этом процессе защитный рельеф из пленочного фоторезиста получают на местах поверхности фольги, подлежащей последующему удалению травлением. Проводящий рисунок формируется последовательным осаждением меди и металлорезиста по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста и на поверхность стенок отверстий. После удаления рельефа пленочного фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые заготовки без попадания в отверстия, а также образовывать изображения с глубоким рельефом. Это позволяет производить гальваническое наращивание проводников на значительную толщину без разрастания их в ширину. Поэтому обеспечивается высокое разрешение. Профиль поперечного сечения проводников, сформированный травлением по защитному изображению в фоторезисте, имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Время травления определяется максимальной суммарной толщиной фольги с 10

гальванически осажденным на поверхности фольги медным слоем. При травлении медных слоев толщиной 70 мкм заужение проводника за счет бокового подтравливания по отношению к размерам на фотошаблоне составляет 50 мкм. Разброс значений ширины проводников составляет примерно ±15-50 мкм. Минимальная устойчиво воспроизводимая ширина зазора в СПФ-2 толщиной 60 мкм - 180 - 200 мкм. Из сказанного следует, что рассматриваемая технология имеет ограничения по разрешению, т.е. минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров порядка 200 - 250 мкм (при толщине проводников 50 мкм). Для получения логических слоев с металлизированными переходами с более плотным печатным монтажом с шириной проводников 150 мкм и 125 мкм рекомендуется технологический процесс по субтрактивной технологии травлением по металлорезисту (3-й вариант субтрактивной технологии) с использованием диэлектрика типа СПТА-5 с тонкомерной фольгой толщиной 5-9 мкм. В этом случае предварительная металлизация стенок отверстий и поверхности фольги заготовок диэлектрика производится на минимально возможную толщину 8-10 мкм. При применении в качестве металлорезиста никеля сложность процесса в том, что слой никеля остается на поверхности проводника и несколько шире его медной части. Поэтому применение в качестве металлорезиста сплава оловосвинец с последующим его удалением (или оплавлением) является более технологичным процессом. Заготовки фольгированного диэлектрика с просверленными отверстиями Химическая и предварительная электрохимическая металлизация всей поверхности и стенок отверстий Наслаивание пленочного фоторезиста

Получение защитного рисунка в СПФ (экспонирование, проявление)

Травление медной фольги в окнах СПФ

Удаление защитного рисунках СПФ Рис.5. Изготовление ПП методом “Тентинг” с использованием СПФ. 11

В этом, так называемом «тентинговом» процессе, или процессе образования завесок, в заготовке фольгированного диэлектрика, сверлятся отверстия и, после химической металлизации стенок отверстий, производят электролитическое доращивание меди в отверстиях и на поверхности фольги фольгированного диэлектрика до требуемой толщины. После этого наслаивается фоторезист для получения защитного изображения схемы и защитных завесок над металлизированными отверстиями. По полученному защитному изображению в пленочном фоторезисте производят травление меди с пробельных мест схемы. Образованные фоторезистом завески защищают металлизированные отверстия от воздействия травящего раствора в процессе травления. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные завески над металлизированными отверстиями. С основными материалами и операциями изготовления однослойных и двухсторонних печатных плат можно ознакомится в приложении 1 данного практикума. Описание лабораторного макета Лабораторный макет состоит из набора кассет с образцами и лупы. В кассетах содержится набор образцов после различных операций техпроцессов изготовления однослойных и двухсторонних печатных плат. Образцы имеют коды, соответствующие кодам операций. Требования к отчету Отчет должен содержать: 1. Титульный лист. 2. Цель работы. 3. Краткие сведения по применяемым основным материалам. 4. Краткие сведения по технологии изготовления ОПП и ДПП. 5. Результаты выполнения заданий, сведенные в таблицы. 6. Выводы по работе. Лабораторное задание Домашняя работа: 1. Ознакомится с описанием лабораторной работы. 2. Подготовить пять экземпляров формы таблицы 1 и один экземпляр формы таблицы 2 для записи результатов. Форма таблицы 1. Процесс (наименование) Номер образца

Номер операции в техмаршруте

12

Наименование операции

Характерные признаки операции

Форма таблицы 2. Образец

Процесс

(код) Измеряемый Ед. изм. Мин/макс. Обнаруженный размер величина брак Ширина проводника мкм Ширина зазора мкм между проводниками Толщина слоя металла: на поверхности мкм на входе отверстия мкм в середине мкм отверстия на выходе отверстия мкм 3. Выполнить пункты 1-4 требований к отчету. 4. Изучить теоретические сведения. 5. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы. Работа в лаборатории: 1. Изучить последовательность операций изготовления печатных плат. 2. Ознакомиться с перечнем основных материалов и оборудования в производстве однослойных и двухсторонних печатных плат. 3. Составить последовательность образцов в соответствии с маршрутной картой процесса изготовления ОПП субтрактивным негативным методом с использованием пленочного фоторезиста. 4. Составить последовательность образцов в соответствии с маршрутной картой процесса изготовления ОПП субтрактивным негативным методом с использованием трафаретной печати. 5. Составить последовательность образцов в соответствии с маршрутной картой процесса изготовления ДПП без металлизированных переходов субтрактивным негативным методом. 6. Составить последовательность образцов в соответствии с маршрутной картой процесса изготовления ДПП с металлизированными переходами методом «тентинг». 7. Составить последовательность образцов в соответствии с маршрутной картой процесса изготовления ДПП субтрактивным позитивным методом. 8. Визуально оценить качество проводников и зазоров ОПП и ДПП. При выполнении п.п. 3-7 см. Приложение 2. Порядок выполнения работы 1. Ознакомьтесь с описанием техпроцесса и маршрутной картой изготовления ОПП - процесс 1, процесс 2 и процесс 3. Ознакомьтесь с описанием техпроцесса и маршрутной картой изготовления ДПП процесс 1, процесс 2 и процесс 3 (см. приложение 2). 2. Определить наименование операций, выполненных для ОПП и ДПП. 3. Укажите характерные признаки каждой операции. Укажите 13

обнаруженные и возможные дефекты, основные виды и причины брака каждой операции. Результаты выполнения работы занести в форму Таблицы 1 (Приложение), в которой наименования операций и их номера запишите в соответствии и в последовательности их расположения в маршрутной карте. 4. В соответствии с заданием преподавателя нужно визуально оценить качество проводников и зазоров ОПП (ДПП). Результаты наблюдений занести в форму Таблицы 2 (Приложение). Контрольные вопросы 1. Какие методы изготовления ОПП и ДПП Вы знаете? 2. Какова последовательность формирования проводников на ОПП при изготовлении субтрактивным негативным методом с использованием пленочного фоторезиста. 3. Какова последовательность формирования проводников на ОПП при изготовлении субтрактивным негативным методом с использованием трафаретной печати? 4. Какова последовательность формирования проводников на слоях ДПП при изготовлении субтрактивным негативным методом? 5. Какова последовательность формирования проводников на слоях ДПП при изготовлении субтрактивным методом «тентинг»? 6. Какова последовательность формирования проводников на слоях ДПП при изготовлении субтрактивным позитивным методом? 7. Как производится совмещение рисунка проводников и межслойных переходов в ДПП? 8. Что Вы знаете о сверлении отверстий в печатных платах? 9. Какие способы очистки и подготовки стенок отверстий под металлизацию Вы знаете? 10. Как производится химическая и гальваническая металлизация стенок отверстий в ДПП? 11. Как производится нанесение защитной паяльной маски на поверхность ДПП: • жидкой, • пленочной? 12. Какие методы нанесения паяемого покрытия на контактные площадки ОПП и ДПП Вы знаете? 13. Какие материалы применяются для изготовления ОПП и ДПП субтрактивным методом? 14. Как наносится маркировка на поверхность ОПП и ДПП? 15. Что Вы знаете об автоматизации визуального контроля печатных плат? 16. Назовите автоматизированные методы контроля качества металлизированных переходов. 17. Назовите и поясните основные характеристики ОПП и ДПП. 18. Назовите основные факторы ограничения увеличения габаритов ДПП: • связанные со свойствами материалов, • связанные с производственными возможностями. 19. С какой технологической операции снят данный образец. 20. Назовите характерные признаки данной операции. 14

Лабораторная работа 2

Технологические процессы изготовления многослойных печатных плат Цель работы 1. Изучить характеристики многослойных печатных плат (МПП). 2. Изучить методы формирования рисунка проводников на слоях многослойных печатных плат. 3. Изучить методы формирования межслойных проводников в МПП. 4. Изучить технологические операции и процессы изготовления МПП. 5. Ознакомиться с методами контроля качества МПП. Теоретические сведения С расширением функциональных возможностей и увеличением сложности электронных устройств, создаваемых на основе микросхем высокого уровня интеграции электронных схем, происходит специализация и интеграция характеристик многослойных печатных плат этих устройств. Многослойные печатные платы стали многофункциональными интегральными схемами связей, с помощью которых обеспечивается: • система печатных связей для объединения электронных компонентов в конкретную электрическую схему; • размещение электронных компонентов; • монтаж электронных компонентов путем соединения их со схемой связей; • монтаж разъемных соединительных компонентов; • монтаж дискретных связей (проволочных, кабельных, шлейфовых); • передача по связям сигналов с сохранением их формы; • подавление перекрестных наводок между линиями связи; • согласование связей печатными согласующими резисторами; • распределение тока питания между электронными компонентами; • подавление помех в цепях земли и питания (фильтрация); • теплопередача для охлаждения микросхем. Эти функции осуществляются реализацией системы взаимозависимых монтажных, трассировочных, структурных, конструкционных, электрических, конструктивно-технологических, эксплуатационных, надежностных и экономических характеристик. Основные монтажные характеристики печатных плат: • количество монтируемых микросхем, разъемных соединителей, согласующих резисторов, конденсаторов и т.д.; • количество объединяемых выводов электронных и электрических компонентов; • площадь посадочного места микросхем; • шаг контактных площадок для присоединения выводов микросхем; • вид монтажа выводов компонентов (поверхностный монтаж, монтаж в отверстия); • размещение контактных площадок для монтажа ремонтных проводников; • размещение и форма специальных реперных знаков для автоматизированного совмещения выводов микросхем и контактных площадок; • устойчивость контактных площадок к многократным пайкам; • размещение компонентов на одной или обеих сторонах. 15

Основные трассировочные характеристики МПП: количество линий связи; количество каналов для размещения сигнальных проводников в слое; количество каналов в центральном сечении платы; плотность проводников в сигнальном слое; количество слоев сигнальных проводников; количество внутренних межслойных переходов в пределах пары сигнальных

• • • • • • слоев; • топология размещения внутренних переходов и проводников в сигнальном слое; • количество внутренних переходных отверстий в плате; • плотность внутренних межслойных переходов; • топология посадочных мест микросхем, соединителей на монтажном слое; • максимально возможная длина сигнальных проводников в плате; • длина сигнальных проводников в плате; • плотность сигнальных связей в плате; • количество сквозных отверстий в плате; • плотность сквозных переходов в плате. Основные конструкционные характеристики МПП: • размер рабочего поля платы; • толщина платы; • количество слоев проводников; • количество слоев сигнальных проводников; • количество экранных слоев; • количество слоев земли и питания; • величина взаимного рассовмещения слоев; • шаг сквозных переходных отверстии; • шаг внутренних переходных отверстий; • форма и размеры внутренних межслойных переходов; • размер сквозных переходных отверстий; • размеры проводников и зазоров в сигнальных слоях; • форма и размеры освобождений в экранных слоях; • толщина проводников слоев земли и питания; • топология проводников и межслойных переходов в сигнальных слоях; • топология проводников и контактных площадок наружных слоев; • материал проводников; • материал изоляции; • толщина изоляции между слоями; • толщина изоляции между проводниками внутренних слоев и сквозными межслойными переходами; • форма контактных площадок для поверхностного монтажа компонентов; • форма и размер контактных площадок в сигнальных слоях для сквозных межслойных переходов; • форма и размер контактных площадок внутренних переходов; • форма контактных площадок в слоях земли и питания для сквозных переходов; • отношение толщины платы к диаметру сквозного отверстия; • толщина полоскового пакета с линиями связи, 16

толщина изоляции между соседними шинами земли и питания; индекс сложности; уровень сложности. Основные конструкционные характеристики МПП: Конкретные значения характеристик печатных плат определяются требованиями к устройствам и технологическим уровнем изготовления. Для примера можно сравнить конструкционные характеристики высокоскоростных плат размером 400х450 мм для монтажа больших интегральных схем и размером 460х540 мм для монтажа сверхбольших интегральных схем: Размер МПП мм2 400x450 460x540 Толщина МПП мм 2,5 4,0 Число слоев шт 12 20 Ширина сигнальных проводников мм 0,25 0,1 Шаг сквозных отверстий мм 2,5 2,5 Число каналов в шаге сквозных отверстий шт 1 3 • • •

Диаметр освобождения в экранах мм 2,3 1,6 Индекс сложности 1,6 24 2 Уровень сложности см /с 0,2x1012 1,2x1012 Основные электрические характеристики МПП: • номинальная величина волнового сопротивления линий связи; • диапазон разброса величины волнового сопротивления линий связи; • величина коэффициента связи соседних линий; • величина диэлектрической постоянной изоляции; • скорость распространения сигналов в линиях связи, • частотная полоса пропускания линий связи, • погонное сопротивление связей на постоянном токе; • погонная емкость связей; • погонная индуктивность связей; • индуктивность шин земли и питания; • величина сопротивления шин земли и питания; • величина емкости между шинами земли и питания; • величина постоянного тока питания, распределяемого шинами питания и земли; • равномерность распределения напряжения питания по полю платы; • сопротивление изоляции между линиями связи и шинами земли питания; • сопротивление изоляции между шинами земли и питания; • сопротивление цилиндрического проводника металлизированного сквозного отверстия; • сопротивление цилиндрического проводника металлизированного внутреннего переходного отверстия; • индуктивность соединительных проводников между сквозными металлизированными переходами и контактными площадками для пайки выводов микросхем. Движущими мотивами увеличения сложности печатных плат, используемых для производства электронной техники, можно считать: 17

• увеличение функциональной сложности и функциональной завершенности узлов на печатной плате, • увеличение сложности и разнообразия форм электрических компонентов, монтируемых на плате. При этом наблюдается стремление к минимизации габаритов печатных плат за счет: • повышения плотности монтажа компонентов; • размещения компонентов на обеих сторонах печатной платы; • уменьшения физической и электрической длины линий связи. Во многих случаях применения имеется потребность в повышении быстродействия линий связи. Это достигается, прежде всего, уменьшением их длины, уменьшением искажения формы передаваемых сигналов и увеличением скорости распространения сигналов. Для этих целей используется материал с малой диэлектрической постоянной и увеличивается плотность проводников и межслойных переходов. Плотность монтажа микросхем на печатных платах определяется соотношением площадей посадочного места на плате и площади кристалла. Площадь посадочного места зависит от габаритов микросхемы, количества и геометрии выводов, а также геометрии проводников на поверхности, соединяющих выводы с межслойными переходами. Плотность связей для корпусированных микросхем оценивается в 60 - 100 2 см/см , а для бескорпусных микросхем в 300 - 500 см/см2. Монтаж и коммутацию связями микросхем в корпусах со средним числом выводов и шагом выводов 0,625 мм могут обеспечивать высокоплотные печатные платы с 6 - 8 слоями сигнальных проводников, а для монтажа бескорпусных БИС и СБИС с шагом выводов 0,2 - 0,5 мм требуются суперплотные многослойные печатные платы, которые могут быть созданы при реализации предельных возможностей техники печатного монтажа с шириной проводников до 50 мкм. Повышение плотности печатных плат следует рассматривать также в направлении повышения плотности: • экранных слоев, • наружных монтажных слоев, • межслойных переходов в двухсторонних сигнальных слоях, • межслойных переходов к контактным площадкам для присоединения выводов микросхем, • контактных площадок для присоединения выводов микросхем. Для получения в многослойных печатных платах линий с заданным волновым сопротивлением структура платы должна быть такой, что между слоями сигнальных проводников располагаются экранные слои. Последние представляют собой или решетки, т.е. сплошные слои металла с освобождениями для межслойных переходов или сетки проводников. Чередование слоев земли и питания и расположение их рядом дает возможность получения высокочастотной емкости фильтра. Для увеличения величины этой емкости уменьшается расстояние между слоями до предельно возможного. Полезным в этом случае является диэлектрический материал с повышенной диэлектрической постоянной. Для увеличения плотности монтажа в структуру МПП целесообразно вводить двухсторонние слои с сигнальными слоями и с межслойными металлизированными переходами. Это дает также возможность: 18

• уменьшить толщину МПП за счет исключения экранных слоев между сигнальными проводниками, образующими ортогональную пару; • уменьшить требуемое число сигнальных слоев в 1,7 - 2 раза. Так при 6 сигнальных слоях (три двухсторонних слоя с переходами) МПП позволяет эффективно осуществить трассирование связей, которое без внутренних переходов может быть реализовано минимум на 10 сигнальных слоях; • уменьшить количество и величину электрических неоднородностей вдоль линии связи, образуемой ортогональными участками, расположенными на обеих сторонах только одной двухсторонней платы за счет уменьшения разброса величины волнового сопротивления участков полосковых линий и уменьшения длины переходов; • уменьшить количество сквозных отверстий, в результате чего увеличивается плотность и сводится до минимума количество торцевых контактов между контактными площадками внутренних слоев и металлизацией стенок отверстий; • использовать унифицированные фотошаблоны экранных слоев, слоев питания и общих частей сигнальных слоев при различной трассировке сигнальных проводников. Кроме этого двухсторонние слои позволяют несколько уменьшить величину изменения линейных размеров слоев за счет армирующего действия проводников, ортогонально расположенных с обеих сторон диэлектрика. Создание рисунка проводников на слоях МПП. Рассмотрим две технологии получения проводящего рисунка слоев многослойных печатных плат с применением пленочного фоторезиста: 1. на основе субтрактивных методов, 2. на основе полностью аддитивного формирования. Субтрактивная технология получения рисунка слоев МПП По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получают травлением медной фольги по защитному изображению в пленочном фоторезисте или по металлорезисту, осажденному на поверхность гальванически сформированных проводников в рельефе пленочного фоторезиста на фольгированных диэлектриках. 1). Первый вариант (рис.1). Получение проводящего рисунка травлением медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в пленочном фоторезисте при изготовлении односторонних и двухсторонних слоев многослойных плат (МПП). 2). Второй вариант (рис.2). Получение проводящего рисунка двухсторонних слоев МПП и слоев с межслойными переходами, т.е. с металлизированными отверстиями, путем травления медной фольги с гальваническим осажденным слоем меди по защитному изображению рисунка схемы и с защитными завесками над металлизированными отверстиями в пленочном фоторезисте (“тентинг”-метод). В этом, так называемом «тентинговом» процессе, или образования завесок, в заготовке фольгированного диэлектрика, сверлятся отверстия и, после химической металлизации стенок отверстий, производят электролитическое доращивание меди в отверстиях и на поверхности фольгированного диэлектрика до требуемой толщины. После этого наслаивается фоторезист для получения защитного изображения схемы и защитных завесок над металлизированными отверстиями. По полученному защитному изображению в пленочном фоторезисте производят травление меди с пробельным мест схемы. Образованные 19

фоторезистом завески защищают металлизированные отверстия от воздействия травящего раствора в процессе травления. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные завески над металлизированными отверстиями. 3). Третий вариант (рис.3). Применяется, в основном, при получении верхних слоев МПП путем вытравливания проводящего рисунка по металлорезисту, осажденному на поверхность медных проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, и на стенки металлизированных отверстий. Как и во втором варианте, пленочный фоторезист наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие предварительно операции сверления отверстий, металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В этом процессе защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. Проводящий рисунок формируется последовательным осаждением меди и металлорезиста по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста и на поверхность стенок отверстий. После удаления рельефа пленочного фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются. Профиль поперечного сечения проводников, сформированный травлением по защитному изображению в фоторезисте, имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Заготовка фольгированного диэлектрика Получение защитного рисунка в СПФ (наслаивание, экспонирование, проявление)

Травление медной фольги в окнах рисунка из СПФ

Удаление защитного рисунка из СПФ– слой готов Рис.1. Изготовления слоев МПП субтрактивным методом с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ).

20

Заготовки фольгированного диэлектрика с просверленными отверстиями Химико-электрохимическая металлизация всей поверхности и стенок отверстий Наслаивание пленочного фоторезиста Получение защитного рисунка в СПФ (экспонирование, проявление) Травление медной фольги в окнах СПФ Удаление защитного рисунках СПФ – слой готов Рис.2. Изготовления слоев МПП методом “Тентинг” с использованием СПФ. Анализ замеров ширины линий после травления медной фольги по защитному изображению в пленочном фоторезисте показал, что интервал разброса значений замеров увеличивается с увеличением толщины фольги. Например, при травлении фольги толщиной 20 мкм интервал разброса ширины порядка 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 50 мкм разброс составляет 60 мкм. Искажения ширины медных проводников по отношению к размерам ширины изображений последних в фоторезисте и на фотошаблоне - негативе смещаются в сторону минусовых значений, особенно для больших толщин фольги (35 мкм, 50 мкм). Экранные слои МПП изготавливаются на фольгированных диэлектриках с толщиной фольги 20 мкм и 35 мкм травлением фольги по защитному изображению в пленочном фоторезисте. Двухсторонние логические слои с переходами изготавливаются по «тентинговому» процессу: в заготовках фольгированного диэлектрика толщиной 0,18 мм или 0,23 мм с толщиной фольги 20 мкм сверлятся отверстия диаметром 0,5 мм. После химической металлизации стенок отверстий производится электролитическое доращивание меди в отверстиях и по поверхности фольги на толщину 30 мкм. Разброс толщины электролитически осажденного слоя по поверхности фольги в заготовках размером 500х500 мм составляет 17-20 мкм. Максимальная суммарная толщина фольги с металлизированным слоем по краям заготовки составляет 65-70мкм.

21

Заготовки фольгированного диэлектрика с просверленными отверстиями Химическая и предварительная электрохимическая металлизация всей поверхности и стенок отверстий Получение защитного рисунка в СПФ (наслаивание, экспонирование, проявление Электрохимическое осаждение сплава олово-свинец в окна СПФ Удаление защитного рисунках СПФ Травление медной фольги в окнах рисунка из металлорезиста Рис.3. Изготовление слоев МПП субтрактивным позитивным методом с использованием металлорезиста олово-свинец. Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов гальванической меди производится механической зачисткой абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста. Для получения изображений используется пленочный фоторезист СПФ-2 толщиной 60 мкм. Толщина фоторезиста диктуется требованиями целостности защитных завесок над отверстиями на операциях проявления и травления, проводимых разбрызгиванием растворов под давлением 1,6-2 атм. и более. Фоторезисты толщиной менее 45 - 50 мкм на этих операциях над отверстиями разрушаются. Так же, для обеспечения надежного «тентинга», диаметр контактной площадки должен быть в 1,4 раза больше диаметра отверстия. Минимальный поясок изображения контактной площадки (ширина между краем контактной площадки и отверстием) должен быть не менее 0,5 мм для СПФ Ристон I и 0,7 мм для СПФ-2. 22

Травление по защитному рисунку проводится в струйной конвейерной установке травления типа Хемкат-568 в медно-хлоридном кислом растворе при скорости травления 35-40 мкм/мин. Время травления определяется максимальной суммарной толщиною фольги с гальванически осажденным на поверхности фольги медным слоем. При травлении медных слоев толщиной 70 мкм заужение проводника за счет бокового подтравливания по отношению к размерам на фотошаблоне составляет 50 мкм. Разброс значений ширины проводников составляет примерно ±15-50 мкм при серийном изготовлении плат в заводских условиях. Такая точность изготовления проводников (±50 мкм) заложена в конструкторскую документацию на платы. Следовательно, при этой технологии получения печатных элементов в готовых слоях или платах заданной шириной, необходимо в размеры изображений на фотошаблоне вводить величину заужения, т.е. к номинальному значению ширины проводника прибавлять величину заужения. Например, если ширина проводника и зазора в готовом слое должны быть 250 мкм, то на фотошаблоне изображение ширины проводника должно быть 300 мкм, а зазора 200 мкм. Минимальная устойчиво воспроизводимая ширина зазора в СПФ-2 толщиною 60 мкм - 180 - 200 мкм. Из вышеизложенного следует, что такая субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, т.е. минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров порядка 200-250 мкм (при толщине проводников 50 мкм). Для получения логических слоев с металлизированными переходами с более плотным печатным монтажом с шириной проводников 200 мкм и менее, например, 150 мкм и 125 мкм используется технологический процесс по субтрактивной технологии травлением по металлорезисту (3-й вариант субтрактивной технологии) с использованием диэлектрика СПТА-5 с тонкомерной фольгой толщиной 5-9 мкм. В этом случае предварительная металлизация стенок отверстий и поверхности фольги заготовок диэлектрика производится на минимально возможную толщину 8-10 мкм. Условия получения изображения в пленочном фоторезисте отличны от условий процесса «тентинга». А именно, для получения изображений используются пленочные фоторезисты с более высоким разрешением и гальваностойкостью, например, СПФ Ристон I. Подготовка поверхности подложки под наслаивание пленочного фоторезиста из-за небольшой толщины фольги и металлизированного слоя и во избежание их повреждения, проводится химическим способом, обезжириванием кашицей венской извести с последующей обработкой в 10% растворе соляной кислоты. Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, низкой температуре нагрева валков 115°С±5°С, на подогретые до температуры 60-80°С заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником света, обеспечивающие высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность копировальной рамы, с автоматическим дозированием и контролем световой энергии. Фотошаблоны-позитивы имеют резкость края изображения 3-4 мкм вместо 7-8 мкм у фотошаблонов, применяемых при получении изображений с разрешением 200 - 250 мкм. 23

Проявление изображений проводится в установках проявления - процессорах в стабилизированном трихлорэтане. Для удаления следов органики с медной поверхности подложки в каналах освобождений в рельефе пленочного фоторезиста проводится обработка в окислителе - в 20% растворе серной кислоты в течение 2-х минут с последующей промывкой в воде и калориферной сушкой в конвейерной струйной, после чего для повышения гальваностойкости защитного изображения проводится световое дубление в светокопировальных рамах по режимам экспонирования. Проводящий рисунок формируется в рельефе пленочного фоторезиста последовательным гальваническим осаждением меди на толщину 40-50 мкм и никеля на толщину 3-5 мкм или вместо никеля ПОС-61 толщиной 9 мкм. После удаления фоторезиста производится травление медной фольги с металлизированным слоем суммарной толщиной 15 мкм с пробельных мест схемы. Для этого применяется травильная установка типа Хемкат-547 с медно-аммиачным травильным раствором. В варианте использования металлорезиста ПОС-61 последний удаляется в травильном растворе Композит 603 в струйной конвейерной установке ZinnStripper фирмы Шмид. При анализе шлифов, заужение проводников по металлорезисту никелю у оснований составляет в среднем 30 мкм, а в узком сечении в среднем до 37 мкм; в случае травления по сплаву ПОС-61 у оснований составляет в среднем порядка 16 мкм, а в узком сечении - в среднем 28 мкм. При применении в качестве металлорезиста никеля сложность процесса в том, что слой никеля остается на поверхности проводника и несколько шире его медной части. В этом случае заужение медного проводника нельзя учесть в размерах на фотошаблоне по следующей причине. При увеличении ширины изображения проводника на фотошаблонах будет увеличиваться ширина проводников по никелевому слою и уменьшаться ширина зазора между проводниками в готовых слоях плат. Поэтому применение металлорезиста сплава олово-свинец с последующим его удалением является более технологичным процессом, чем применение металлорезиста никеля. Из изложенного выше можно сделать вывод: изготовление слоев по субтрактивной технологии с применением диэлектриков с тонкой медной фольгой толщиной 5-9 мкм обеспечивает получение проводящего рисунка с минимальной шириной проводников и зазоров между ними порядка 140 - 150 мкм. Технология формирования проводящего рисунка слоев МПП методом ПАФОС: Для изготовления высокоплотных плат с шириной проводников и зазоров 100 - 125 мкм в слоях МПП используется метод ПАФОС. Это полностью аддитивный электрохимический метод, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются аддитивно, т.е. гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции прессованием только в необходимых местах. Метод ПАФОС, как аддитивный метод, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается. По методу ПАФОС проводящий рисунок формируется гальваническим 24

осаждением тонкого слоя никеля толщиной 3 мкм и меди толщиной 40 - 50 мкм по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, полученного на временных «носителях» - листах из нержавеющей стали, поверхность которых предварительно покрывается гальванически осажденной медной шиной толщиной 2-20 мкм. В защитном рельефе пленочного фоторезиста производится также нанесение адгезионных слоев на верхнюю поверхность сформированных проводников. После этого пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в препрег или другой диэлектрик. Прессованный слой вместе с припрессованной медной шиной механически отделяется от поверхности носителей. В случае слоев без межслойных переходов медная шина стравливается.

Электрохимическое осаждение меди на поверхность носителя

Удаление СПФ

Наслаивание СПФ Набор пакета носителей и препрега

Экспонирование СПФ

Прессование пакета Проявление рисунка в СПФ Механическое удаление носителей Электрохимическое осаждение никеля по рисунку СПФ

Травление тонкого медного слоя (медной шины)

Электрохимическое осаждение меди по рисунку СПФ Рис.4. Изготовления слоев МПП методом “ПАФОС”.

25

При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины проводятся операции получения межслойных переходов металлизацией отверстий с контактными площадками, после чего медные шины стравливаются. Проводящий рисунок, утопленный в стеклоткань и сверху защищенный слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию травильного раствора. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, т.е. процессами фотохимии. Лучшее качество подготовки поверхности медной шины на «носителях» обеспечивается зачисткой водной суспензией пемзы. Однако, механическая зачистка не всегда применима, т.к. иногда вызывает разрушение медной шины, особенно на «носителях» больших размеров, например, 500х600 мм. Поэтому обычно применяется химическая подготовка обработкой в растворе персульфата аммония на струйных конвейерных установках. Эта подготовка обеспечивает адгезию и химическую стойкость защитных изображений на операциях гальванического формирования проводящего рисунка и щелочного оксидирования в случае применения пленочного фоторезиста Ристон I. При режиме наслаивания пленочного фоторезиста на небольшой скорости ~0,5 м/мин и при температуре нагрева валков 115°С ±5°С на подогретые до температуры 60-80°С заготовки, достигается лучшая адгезия пленочного фоторезиста к поверхности медной шины. Этот результат обеспечивается за счет лучшего прогрева и размягчения пленочного фоторезиста и заполнения им поверхностных микро неровностей медной шины. Условия проведения операции экспонирования для получения изображений в пленочном фоторезисте с разрешением 100 - 125 мкм: • Фотошаблоны должны иметь высокие оптические характеристики: оптическая плотность прозрачных полей 0,1 ед.оп. плотности, непрозрачных полей не менее 3 - 3,5 ед.оп. плотности, резкость края изображения не более 3-4 мкм. • Экспонирование изображений должно проводиться на установках с точечным источником света с высококоллимированным интенсивным световым потоком, с автоматическим дозированием и контролем световой энергии. Температура нагрева копировальной поверхности в процессе экспонирования не должна превышать более чем на 3-5°С температуры помещения (температура помещения21±1°С). • Проявление изображений должно проводиться в струйных установках с форсунками среднего и высокого давления, типа моделей процессоров В-24, С-2-50 фирмы Шмидт. После проявления изображений с целью удаления следов органики с поверхности медной шины в узких каналах рисунка освобождений в рельефе пленочного фоторезиста следует проводить обработку в окислителе, в 20% растворе серной кислоты в течение 2-х минут. Последовательность проведения операций обработки в окислителе та же, как в случае получения изображений высокоплотных схем по субтрактивной технологии с применением диэлектриков с тонкомерной фольгой. Подбор режимов получения и проявления изображений в пленочных фоторезистах проводится на соответствие критериям качества. Качественные изображения должны иметь ровные и четкие края, однородные по цвету, 26

блестящую и твердую для пальцев рук поверхность защитного рельефа, отсутствие «кромки» по краям изображений, полное удаление фоторезиста с неэкспонированных участков, минимальное искажение ширины проводников и зазоров между ними относительно соответствующих размеров на фотошаблонах, иметь химическую стойкость на операциях гальванической металлизации и щелочного оксидирования. Оценка качества изображения проводится визуально под микроскопом при увеличении не менее 50 крат. При обеспечении необходимых условий проведения процессов получения изображений в пленочных фоторезистах: 1) Ширина гальванически сформированных проводников в фоторельефе пленочных фоторезистов на высоте между уровнями от 0,2 до 0,7 толщины фоторезиста равна ширине изображения проводника на фотошаблоне. Интервал разброса замеров не превышает 25 - 30 мкм. 2) Искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм до 25 мкм. 3) Суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте фоторельефа не превышает 40 - 50 мкм. 4) Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании на установках со сканирующим источником света типа или с точечным источником света, но с большим разогревом копировальной поверхности - боковые стенки фоторельефа, вогнуты вглубь фоторельефа. При экспонировании на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие нагрева рабочей копировальной поверхности, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки (примерно под углом 85 градусов). Получение наружных слоев МПП: Прессованные пакеты многослойных плат имеют на поверхности медную фольгу, обычно толщиной 20 мкм или 35 мкм. Технологическая схема получения проводников наружных слоев МПП с межслойными переходами (сквозными металлизированными отверстиями) по технологической последовательности выполнения операций похожа на приведенный выше третий вариант субтрактивной технологии, т.е. проводящий рисунок наружных слоев получают травлением по металлорезисту, осажденному на поверхность гальванически сформированных проводников в рельефе пленочного фоторезиста и на стенки металлизированных отверстий. Согласно технологической схеме предварительная металлизация сверленых пакетов многослойных плат по поверхности фольги или медной шины и по поверхности стенок отверстий производится на толщину 7-20 мкм. Толщина предварительной металлизации диктуется требованиями, с одной стороны, сохранения межслойных переходов при последующих операциях обработки, с другой стороны - требованиями минимальной толщины медных слоев, подлежащих травлению (с целью уменьшения бокового подтрава проводников). Остальная часть проводника одновременно с увеличением толщины металлизации на стенках отверстий формируется последовательным гальваническим осаждением меди на толщину 30 мкм и металлорезиста ПОС-61 на толщину 16-20 мкм. 27

Для того чтобы проводящий рисунок не наращивался выше фоторельефа, используются толстые фоторезисты, в частности, СПФ-2 толщиной 60 мкм. Гальванически сформированная часть печатных элементов определяется размерами освобождений в фоторельефе. При правильно подобранных режимах получения изображения в пленочном фоторезисте ширина проводника по металлорезисту равна размерам изображения на фотошаблоне. В процессе травления происходит одновременное травление выступающих проводников с боков. Величина бокового подтрава соизмерима с глубиной травления, т.е. суммарной толщине медных слоев и составляет в рассматриваемом варианте 30-40 мкм. После травления по бокам проводников имеет место нависание металлорезиста, как указывалось раньше для случая применения тонкой фольги. При оплавлении металлорезиста ПОС-61 за счет поверхностного натяжения расплавленного припоя - медные проводники покрываются ПОС-61 с заполнением пазух и выравниванием бокового профиля. Размер печатного элемента по ширине уменьшается примерно на суммарную величину нависания металлорезиста по двум сторонам. Для плат, изготовленных по субтрактивной технологии среднее значение ширины проводников на готовых MПП после оплавления припоя, изготовленных по субтрактивной технологии, на 75-80 мкм меньше чем на фотошаблоне. Применение “тентинг”-метода для получения проводников наружных слоев МПП аналогично описанной ранее технологической схеме для получения внутренних слоев. Описание лабораторного макета Лабораторный макет состоит из набора кассет с образцами и лупы. В кассетах содержатся: образцы после различных операций техпроцесса создания слоев и многослойного пакета многослойной печатной платы. Образцы имеют коды, соответствующие кодам операций. Требования к отчету Отчет должен содержать: 1. Титульный лист; 2. Цель работы; 3. Краткие сведения по применяемым основным материалам; 4. Краткие сведения по технологии изготовления слоев и пакета МПП; 5. Результаты выполнения заданий, сведенные в таблицы. 6. Выводы по работе. Лабораторное задание Домашняя работа: 1. Ознакомится с описанием лабораторной работы; 2. Подготовить 2 экземпляра формы Таблицы 1 и 1 экземпляр формы таблицы 2; 3. Выполнить пункты 1-2 требований к отчету; 4. Изучить теоретические сведения; 5. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы.

28

Форма таблицы 1. Процесс (наименование) Номер образца

Номер операции в техмаршруте

Наименование операции

Характерные признаки операции

Форма таблицы 2. Образец

Процесс (код) Измеряемый Ед. изм. Мин/макс. Обнаруженный брак размер величина Ширина проводника мкм Ширина зазора мкм между проводниками Ширина зазора мкм между проводником и стенкой металлизированного отверстия Толщина слоя металла: на поверхности мкм на входе отверстия мкм в середине мкм отверстия на выходе отверстия мкм 6. Выполнить пункты 1-2 требований к отчету; 7. Изучить теоретические сведения; 8. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы. Работа в лаборатории: 1. Изучить последовательность операций изготовления слоев многослойных печатных плат; 2. Ознакомиться с перечнем основных материалов, применяемых в производстве многослойных печатных плат. 3. Составить последовательность образцов в соответствии с технологическим маршрутом изготовления слоев МПП; 4. Составить последовательность образцов в соответствии с технологическим маршрутом изготовления многослойного пакета МПП. 5. Визуально оценить качество металлизации на микрошлифе (поперечное сечение) сквозного перехода в МПП. При выполнении см. Приложение 2. 29

Порядок выполнения работы 1. Ознакомьтесь с описанием технологических операций и технологическим маршрутом изготовления слоев МПП - процесс 1, а также многослойного пакета МПП процесс 2. 2. Определите наименование операций, выполненных для слоев и пакета МПП. 3. Укажите характерные признаки каждой операции. 4. Укажите обнаруженные и возможные дефекты, основные виды и причины брака каждой операции. 5. Результаты выполнения работы занести в форму Таблицы 1, в которой наименования операций и их номера запишите в соответствии и в последовательности их расположения в маршрутной карте. 6. В соответствии с заданием преподавателя нужно визуально оценить качество металлизации межслойного перехода. Результаты наблюдений занести в форму Таблицы 2. Методические указания. При формировании рисунка слоев МПП и наружных слоев многослойного пакета фоторезист может иметь цвет от светло-голубого до темно-синего и темнозеленого оттенка. Резист-защита (паяльная маска) на наружных слоях МПП может иметь цвет от светло-зеленого до изумрудного в зависимости от марки резиста и фирмы-изготовителя. Цвет на функциональные характеристики не влияет, поэтому не может быть браковочным признаком. Поверхность медных слоев со временем под воздействием примесей воздуха может окисляться и поэтому может отличаться от светло-розового цвета, наблюдающегося в реальном производстве МПП. Контрольные вопросы 1. Какие методы изготовления слоев МПП Вы знаете? 2. Какие методы формирования межслойных переходов в МПП Вы знаете? 3. Какова последовательность формирования рисунка в пленочном фоторезисте и получения рисунка проводников на слоях МПП при изготовлении слоев: • субтрактивным методом, • полностью аддитивным методом (ПАФОС). 4. Какова последовательность формирования рисунка проводников наружных слоев МПП при изготовлении: • с использованием металлорезиста, • методом «завески» (тентинг). 5. Как производится совмещение рисунка проводников и межслойных переходов в МПП? 6. Как производится склеивание слоев в многослойный пакет? 7. Что Вы знаете о сверлении отверстий в печатных платах? 8. Как производится химическая и гальваническая металлизация стенок внутренних отверстий в слоях и сквозных отверстий в МПП? 9. Как производится нанесение жидкой защитной паяльной маски на поверхность МПП? 30

10. Какие методы нанесения паяемого покрытия на контактные площадки МПП Вы знаете? 11. Как наносится маркировка на поверхность МПП? 12. Назовите автоматизированные методы контроля качества металлизированных переходов. 13. Назовите виды испытаний МПП, в том числе, автоматизированные. 14. Что Вы знаете об автоматизации визуального контроля печатных плат? 15. Какие материалы применяются для изготовления слоев субтрактивным методом? 16. Какие материалы применяются для склеивания слоев в МПП? 17. Какие способы очистки и подготовки стенок отверстий под металлизацию Вы знаете? 18. Назовите и поясните основные характеристики МПП. 19. Назовите преимущества МПП с внутренними межслойными переходами. 20. Назовите отличительную особенность структуры МПП с сигнальными линиями связи, имеющими заданное волновое сопротивление. 21. Назовите основные факторы ограничения увеличения габаритов МПП: • связанные со свойствами материалов, • связанные с производственными возможностями. 22. Охарактеризуйте формулу расчета надежности МПП. 23. С какой технологической операции снят данный образец? 24. Назовите характерные признаки данной операции?

31

Лабораторная работа 3

Изучение элементной базы, топологии и конструкции гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем Цель работы 1. Изучить конструкции и топологии гибридных интегральных микросхем (ГИС) по заданию преподавателя. 2. Изучить конструкцию полупроводниковых ИМС по заданному варианту. 3. Изучить топологию и зарисовать эскизы элементов полупроводниковых ИМС по заданному варианту. 4. Произвести оптические измерения топологических размеров элементов и нанести их на эскизы топологии. Теоретические сведения Термины и определения ( ГОСТ 17021-88 ) Микросхема - микроэлектронное устройство, рассматриваемое как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов и (или) компонентов. Интегральная микросхема (ИМС) - микросхема, все или часть элементов которой нераздельно связаны и электрически связаны между собой так, что устройство рассматривается как единое целое. Полупроводниковая интегральная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Кристалл интегральной микросхемы - часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки. Элемент интегральной микросхемы - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла и не может быть выделена как самостоятельное изделие. К электрорадиоэлементам относят резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т.д. Компонент интегральной микросхемы - часть ИМС, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие; так в полупроводниковой ИМС транзистор является элементом, а в гибридной ИМС - компонентом. Пленочная интегральная микросхема - интегральная микросхема, элементы которой выполнены в виде пленок. Пленочные ИМС могут быть тонкопленочными и толстопленочными. Тонкопленочная интегральная микросхема - пленочная ИМС с толщиной пленок до 10-6 м. Элементы тонкопленочной ИМС наносятся преимущественно методами термовакуумного осаждения и катодного распыления. Толстопленочная интегральная микросхема - пленочная ИМС с толщиной пленок свыше 10-6 м. Элементы толстопленочной интегральной микросхемы наносятся на подложку методами трафаретной печати (толстопленочной технологии) путем продавливания паст (проводящих, диэлектрических, резистивных) через специальный сетчатый трафарет. Нанесенные на подложку 32

пасты высушиваются, а затем вжигаются в подложку. Гибридная интегральная микросхема - интегральная микросхема, содержащая кроме элементов, компоненты и (или) кристаллы. Кристалл - часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности, которой сформированы все элементы полупроводниковой интегральной микросхемы. Корпус интегральной микросхемы - часть конструкции ИМС, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями с помощью выводов. Подложка интегральной микросхемы - заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок. Плата интегральной микросхемы - часть подложки (подложка) гибридной (пленочной) ИМС, на поверхности которой сформированы все пленочные элементы, соединения и контактные площадки. Полупроводниковая пластина - заготовка из полупроводникового материала, используемая для изготовления полупроводниковых ИМС. Контактная площадка - металлизированный участок на плате, служащий для соединения выводов элементов, компонентов, кристаллов, перемычек, а также для контроля электрических параметров и режимов функционирования. Бескорпусная интегральная микросхема - кристалл полупроводниковой ИМС, предназначенный для монтажа в гибридную интегральную схему. Микросборка - микросхема, состоящая из различных элементов и (или) интегральных микросхем, которые имеют отдельное конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа в изделие. Примечание. Элемент микросборки имеет внешние выводы, корпус, и рассматривается как отдельное изделие. Тип микросхемы - микросхема конкретного функционального назначения и имеющая свое условное обозначение. Типономинал микросхемы - микросхема конкретного типа, отличающаяся от других ИМС одним или несколькими параметрами. Параметры интегральных микросхем Степень интеграции интегральной микросхемы «К» – это показатель степени сложности ИМС в зависимости от числа в ней элементов и (или) компонентов: К = lg N, где: N - количество элементов и компонентов ИМС. По степени интеграции микросхемы разделяют на: • малые интегральные схемы (МИС) - схемы со значением К от 1 до 2; • большие интегральные схемы (БИС) - схемы со значением К от 3 до 4; • сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) - схемы со значением К от 5 и выше. Интегральная плотность микросхемы ω - характеризуется числом элементов и компонентов, приходящихся на единицу площади ИМС (с учетом корпуса, но без выводов): ω=N/S, где S - площадь микросхемы с учетом корпуса. Для бескорпусных ИС вводится понятие интегральная плотность на подложке (кристалле): ω'=N/S', где S' – площадь подложки (кристалла) ИС. Параметры ω и ω' наиболее часто применяется для ГИС. Плотность упаковки КV определяют по формуле: КV = N/V, где V - объем микросхемы без учета выводов. 33

Из последнего выражения видно, что плотность упаковки бескорпусных микросхем будет значительно выше. Данный параметр применяется только для полупроводниковых ГИС. Классификация и система обозначений микросхем Интегральные микросхемы (ИМС) являются элементной базой для разработки радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) различного назначения: цифровой, аналоговой, и др. Для изготовления РЭА необходимы не отдельные микросхемы, а функционально полные системы (серии) микросхем. Серия интегральных микросхем - совокупность интегральных микросхем, выполняющих различные функции, имеющих единую конструктивнотехнологичнескую основу и предназначенных для совместного применения в радиоэлектронной аппаратуре. Условное обозначение ИМС состоит из пяти элементов. Первый элемент - цифра, обозначающая группу микросхем по конструктивно- технологическому исполнению. По этому признаку ИМС подразделяются на три группы, которые обозначаются: полупроводниковые -1,5, 7; гибридные - 2, 4, 6, 8; прочие (пленочные, керамические, вакуумные и др.) - 3. Второй элемент - две цифры, обозначающие порядковый номер разработки (регистрации) данной серии. Примечание. Первый и второй элемент (три или четыре цифры) обозначают серию ИМС. Для микропроцессорных ИМС могут быть 4 цифры. Третий элемент - две буквы, обозначающие подгруппу и вид по функциональному назначению. По характеру выполнения электрических функций микросхемы подразделяются на подгруппы и виды. Четвертый элемент - цифра, обозначающая порядковый номер разработки микросхемы по функциональному признаку в данной серии. Пятый элемент - буква, обозначающая отличие по какому-либо параметру одинаковых микросхем (например, по номиналу источника питания). Если микросхемы выпускают для широкого применения, в их условное обозначение добавляется индекс "К", который ставится в самом начале условного обозначения. Например, гибридная ИМС общего назначения 224 серии, выполняющая функции усилителя низкой частоты, обозначается К224УН1; полупроводниковая ИМС общего назначения 506 серии, выполняющая логические функции И-ИЛИ-НЕ, обозначается К506ЛР2А (при источнике питания 6 В) и К506ЛР2Б (при источнике питания 12 В). По обозначению, принятому до введения ГОСТ 17021-75, второй и третий элементы взаимно переставлены. При этом серию образуют первый и третий элементы. Значения и места остальных элементов сохраняются прежними. Например, гибридная микросхема 204 серии обозначается 2ТК041. Подложки ГИС Для тонкопленочных ИМС наиболее широкое распространение получили ситалл и поликор, а также металлические подложки с изолирующим покрытием, гибкие подложки из полимерных материалов. Для толстопленочных схем наиболее часто применяют керамические подложки. Требования к подложкам: • Высокая механическая прочность при малых толщинах. • Высокие объемное и поверхностное удельное электрическое сопротивление и малый тангенс угла диэлектрических потерь. 34

• Температурные коэффициенты линейного расширения подложки и пленок должны быть предельно согласованы. • Химическая инертность к осаждаемым веществам и травителям. • Физическая и химическая стойкость при нагреве до высоких температур. • Незначительное газовыделение в вакууме. • Хорошая адгезия с осаждаемой пленкой. • Высокий коэффициент теплопроводности. • Хорошая полируемость. • Низкая стоимость. В полной мере перечисленным требованиям не удовлетворяет ни одна подложка. Некоторые требования находятся в противоречии друг к другу, например, низкая стоимость и чистота обработки поверхности подложки, поэтому выбор подложки основан на компромиссном решении. Характеристика полупроводниковых пластин Полупроводниковая пластина, являясь частью конструкции микросхемы, выполняет функции механического основания и теплоотвода. К полупроводниковым пластинам предъявляются следующие требования: • стойкость к химическому воздействию окружающей среды; • монокристаллическая структура; • однородность распределения легирующих примесей в объеме монокристалла; • устойчивость к химическим реагентам; • механическая прочность; • термостойкость; • устойчивость к старению и долговечность. Подробнее о материалах, применяемых в качестве подложек интегральных микросхем можно ознакомится в описании к лабораторной работе “Материалы для полупроводниковых интегральных гибридных микросхем”. Конструкция и топология элементной базы полупроводниковых ИМС Основными пассивными элементами ГИС являются пленочные резисторы, конденсаторы, спирали индуктивностей, проводники и контактные площадки. К элементам полупроводниковых ИМС относят: резистор, конденсатор, диод, биполярный транзистор, полевой транзистор (МОП или МДП) и некоторые другие. Кроме этого, при проектировании полупроводниковых ИМС применяют вспомогательные элементы: диффузионные перемычки, контактные площадки и фигуры совмещения (будут рассмотрены далее). Резисторы. На рис. 1 приведены типичные конструкции резисторов. Наиболее распространены резисторы прямоугольной формы как самые простые в изготовлении. Тонкопленочные резисторы с большим номинальным сопротивлением изготавливают в виде меандра или составных полосок в зависимости от метода формирования конфигураций элементов. Наиболее простые по форме толстопленочные резисторы, но они в процессе изготовления для получения заданной точности требуют лазерной подгонки. Они формируются в последнюю очередь и располагаются поверх контактных площадок в отличие от тонкопленочных резисторов. 35

диффузионный в эмиттерном слое

диффузионный в базовом слое

пинч-резистор на базовом слое

толстопленочный резистор тонкопленочный резистор 1 - резистор; 2 - контактная площадка; 3- подложка; А - участок подгонки б

а

г

в

Тонкопленочные резисторы сложной формы: а) составные полоски; б) меандр; в, г) подстроенные. 1 - проволочная перемычка; 2 - участок реза. Рис. 1. Конструкции резисторов. 36

Следует отметить, что толщина тонкопленочных резисторов много меньше, чем проводников. Кроме того, резистивные пленки являются адгезионным подслоем для контактных площадок. Резисторы полупроводниковых ИМС формируются на основе слоев: эмиттерного, базового, и базового под эмиттерным (пинч-резисторы). Реже используют слои, полученные ионным легированием. Так как базовый и эмиттерный слои получают диффузией, то и резисторы называют диффузионными. Широкое применение диффузионных резисторов в ПИМС определяется возможностью формирования их в едином технологическом цикле одновременно с базовыми и эмиттерными областями биполярных транзисторов. Это упрощает технологический процесс. Как видно из рисунка, тело резистора размещается в кармане n-типа проводимости, который размещается в пластине р-типа. Для нормальной работы резистора p-n-переход карман - пластина должен быть закрыт (смещен в обратном направлении ). Это достигается подачей на пластину самого низкого потенциала микросхемы. Подключение резистора к другим элементам схемы осуществляется через контактные окна с помощью алюминиевых проводников металлизации. На рис. 1 приведены конструкции диффузионных резисторов, в частности на эмиттерном n+-слое. Такие резисторы из-за сильного легирования получаются низкоомными, их применение ограничивается низким пробивным напряжением (5÷7 В) p-n-перехода эмиттер - база. Для получения высокоомных резисторов применяют так называемые пинчрезисторы. В них удается существенно повысить удельное поверхностное сопротивление ρS за счет уменьшения площади поперечного сечения. На рис. 1 показана конструкция пинч-резистора в базовом слое, толщина которого уменьшена за счет эмиттерного слоя до величины (d-d1). Третье контактное окно на пинч-резисторе необходимо для подключения эмиттерного слоя к + высокопотенциальной части для запирания p-n - перехода на резисторе. Конструкция ионно-легированного резистора практически не отличается от конструкций, рассмотренных выше. Однако технология ионного легирования позволяет получить тонкие слои с высоким значением удельного поверхностного сопротивления, что важно для изготовления резистивных слоев. В таблице 1 приведены типичные значения толщин слоев, поверхностных удельных сопротивлений и допусков на номинал резисторов полупроводниковых ИМС. Таблица 1. Характеристики интегральных резисторов Тип резисторов Толщина Удельное Допуск, слоя, d, поверхностное δ, % мкм сопротивление, ρS, Ом/ Диффузионный на базовом слое 2,5÷3,5 100÷300 ± (5÷20) Диффузионный на эмиттерном слое 1,2÷2,5 1÷10 ± 20 Пинч - резистор 0,5÷1,0 1000÷3000 ± 30 Для определения сопротивления пленочного резистора вводится понятие поверхностное сопротивление квадрата резистивной пленки ρo. 37

Введем это понятие. Итак, сопротивление резистора связано с удельным объемным сопротивлением ρv следующим образом: R = ρV

l , где h ⋅b

R - сопротивление резистора, Ом; ρv - удельное объемное сопротивление, Ом·см; lдлина, h - толщина, b - ширина резистора, см. Обозначим через Кф - коэффициент формы резистора: K ф = l . Тогда b

сопротивление резистора в общем виде можно записать следующим образом: R = ρV

Kф h

, а сопротивление резистора квадратной формы (l=b) и толщиной h

будет равно: R=

ρV =ρo, Ом/o, h

где ρo - поверхностное сопротивление квадратного резистора определенной толщины пленки. В таком случае сопротивление любого пленочного резистора (при условии постоянства его толщины может быть рассчитано следующим образом: R=ρo·Kф, Ом. Сопротивление резистора определяется материалом пленки, его толщиной, коэффициентом формы и не зависит от размеров квадрата. Поэтому на практике часто для определения сопротивления пленочного резистора выделяют на его топологии квадрат и считают полное количество таких квадратов, убирающихся в направлении его длины. Результирующая величина сопротивления будет равна произведению сопротивления квадрата на количество таких квадратов. Конденсаторы. Конструкции пленочных конденсаторов ГИС приведены на рис. 2. Для устранения погрешности совмещения служит компенсатор, который располагают против вывода верхней обкладки. При смещении верхней обкладки в направлении стрелки А площадь перекрытия под пленочным проводником (показана мелкой штриховкой) увеличится, а под компенсатором - настолько же уменьшится. В результате общая площадь перекрытия, а следовательно, и емкость конденсатора останутся без изменений. При смещении верхней обкладки в направлении, противоположном стрелке А, емкость также останется без изменений. При большой площади верхней обкладки эта погрешность мала и компенсатор не применяют. На рис. 2 приведена конструкция конденсатора с площадью обкладки менее 1 мм2. Емкость такого конденсатора определяется площадью перекрытия обкладок, смещение которых не влияет на его емкость. В гребенчатых конденсаторах емкость определяется диэлектрическим зазором между зубьями гребенок (рис.2). Гребенчатые конденсаторы имеют малую емкость. Конструкции подстроечных конденсаторов также представлены на рис.2. Подстройка таких конденсаторов аналогична подстройке резисторов (см. рис. 1). 38

Подгонка пленочных конденсаторов осуществляется надрезанием верхней обкладки лучом лазера. В полупроводниковых ИМС различают две разновидности конденсаторов: • МДП – конденсатор и • диффузионный конденсатор. Конструкция МДП - конденсатора приведена на рис. 2. Нижняя обкладка такого конденсатора образована n+ - эмиттерным слоем, диэлектриком является окись кремния, а верхняя обкладка алюминиевая. Отсюда следует, что МДП – конденсатор полностью совместим с технологией производства полупроводниковых ИМС и не требует дополнительных технологических операций. Для получения больших удельных емкостей необходимо применять тонкий диэлектрик, однако это приводит к уменьшению пробивного напряжения такого конденсатора. Для формирования диффузионных конденсаторов используются барьерные емкости обратно смещенных p-n-переходов: эмиттер-база, база-коллектор и коллектор-пластина. Конструкция диффузионного конденсатора совпадает с конструкцией транзистора и отличается числом выводов, которых по числу обкладок будет два. Использование данных конденсаторов имеет особенность: p-nпереход, используемый в качестве конденсатора должен быть во всех режимах работы смещен в обратном направлении. В табл. 2 приведены параметры конденсаторов различных конструкций. Таблица 2 Параметры интегральных конденсаторов Тип конденсатора МДП с диэлектриком: SiO2 Si3N4 Диффузионный на p-nпереходах: Б-К Э-Б К-П

Удельная Пробивное Добротность Допуск, емкость напряжение Q, отн. ед. δ, % 2 С0, пФ/мм Uпр, В 30÷50 50

200÷600 800÷1600

150 600 100

39

25÷80 20÷1100

± 20 ± 20

50÷100 5÷20 —

± 15-20 ± 20 ± 15-20

Пленочный конденсатор с площадью верхней обкладки до 1 мм2

Гребенчатый пленочный конденсатор Пленочный конденсатор с площадью верхней обкладки более 1 мм2 1, 2-верхняя и нижняя обкладки; 3-диэлектрик; 4-подложка; 5-вывод верхней обкладки

Подстроенный конденсатор с Подстроенный конденсатор с привариваемыми перемычками разрешаемыми перемычками 1,2- верхняя и нижняя обкладки; 3-диэлектрик; 4-перемычка; 5-область реза.

МДП конденсатор

Рис. 2 Конструкции конденсаторов.

40

В общем случае величина емкости конденсатора определяется по формуле: С = С0·S, где

C0 =

εε 0 - удельная емкость проводящего слоя на пластину, пФ/мм2; d

S - площадь перекрытия обкладок; ε - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика; d - толщина диэлектрика. Качество конденсатора определяется величиной потери энергии, для характеристики потери которой вводится понятие «тангенса угла потерь» (tgδ). Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы тока и напряжения сдвинуты на угол δ. Угол δ называется углом диэлектрических потерь (или просто углом потерь). При отсутствии потерь δ=0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Ра к реактивной Рр при синусоидальном напряжении определенной частоты: tgδ =

Pа U ⋅ I ⋅ cosψ cos(90 − δ ) sin δ = = = , где Pр U ⋅ I ⋅ sinψ sin(90 − δ ) cos δ

ψ – угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи конденсатор – источник питания; δ – угол потерь, дополняющий до 900 угол сдвига фаз ψ. Величина, обратная tgδ, называется добротностью конденсатора. Чем больше добротность конденсатора, тем меньше потери в нем при прочих равных условиях. Индуктивные элементы. Конструкции пленочных индуктивных элементов в виде круглой и прямоугольной спиралей приведены на рис.3. Прямоугольная форма спирали предпочтительней как более технологичная и обеспечивающая более высокую интегральную плотность. Пленочные индуктивные элементы характеризуются следующими параметрами: индуктивностью - L и добротностью - Q. Индуктивность численно равна магнитному потоку, охватываемому контуром (пленочной спиралью) при силе тока в контуре, равной единице: L=

Ф , где I

Ф - магнитный поток; I - сила тока. Добротность - отношение реактивной мощности, рассеиваемой в индуктивности к активной, или как следствие – отношение реактивного сопротивления пленочной спирали к ее активному сопротивлению: Q=

ωL , где Rа

ω - циклическая частота; Rа - активное сопротивление, определяемое по аналогии с резистивными пленочными элементами. Пленочные индуктивные элементы имеют индуктивность L = 0,1 – 10 мкГн и добротность Q = 50-200. Малая индуктивность объясняется плоской конструкцией пленочной спирали, в которой трудно сконцентрировать магнитный поток, а низкая добротность - относительно высоким сопротивлением пленочного проводника спирали. В ГИС не всегда целесообразно, а иногда и невозможно изготовить 41

пленочные пассивные элементы с заданными параметрами. В таких случаях применяют резисторы, конденсаторы и спирали индуктивностей в виде навесных дискретных компонентов. В настоящее время вместо реальных емкостных или индуктивных элементов используют их электронный аналог, имитирующий свойства индуктивностей и емкостей. Такие электронные схемы получили название- гираторных схем.

Рис. 3. Конструкции пленочных индуктивных элементов в виде круглой и прямоугольной спиралей: 1-пленочный проводник; 2-подложка; 3-контактная площадка. Конструкции диодов. Диоды полупроводниковых ИМС можно сформировать на любом из p-nпереходов планарно-эпитаксиального транзистора. Наиболее удобны для этих целей переходы эмиттер-база и база-коллектор. Пять возможных вариантов диодного включения транзисторов приведены на рис.3, где в качестве диода используются: переход база-эмиттер с коллектором, закороченным на базу (а); переход коллектор - база с эмиттером, закороченным на базу (б); параллельное включение обоих переходов (в); переход эмиттер - база с разомкнутой цепью коллектора (г); переход база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера (д). При соответствующем выборе варианта диодного включения транзистора возможно подобрать оптимальные параметры по быстродействию, пробивному напряжению, обратному току (см. табл. 3). Таблица 3. Параметры диодов Вариант диодного Пробивное Обратный Быстродействие, время включения напряжение, ток, Iобр, нА восстановления транзистора Uпр, В обратного тока, τвост, нс БК - Э 7-8 1,0 10 БЭ - К 40-70 30,0 50 Б - КЭ 7-8 40,0 100 Б-Э 7-8 1,0 50 Б-К 40 – 70 3,0 75

42

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 3. Диодное включение транзисторов: а) БК-Э; б) БЭ-К; в) Б-КЭ; г) Б-Э; д) Б-К. Конструкции биполярных транзисторов. В полупроводниковых ИМС биполярный n-p-n транзистор является основным схемным элементом. У n-p-n транзисторов быстродействие при прочих равных условиях лучше, чем у p-n-p транзисторов. Это объясняется тем, что подвижность электронов выше, чем дырок.

Рис. 4. Конструкция биполярного транзистора: 1-эмиттер; 2-база; 3-коллектор; 4-скрытый слой; 5-приконтактная область коллектора.

Рис. 5. Форма эмиттеров биполярных транзисторов повышенной мощности: а) П-образная; б) гребенчатая; в) древовидная. Начнем анализ с простейшей конструкции биполярного транзистора n+-p-n (рис.4). Эмиттер транзистора сильно легируют до получения максимального коэффициента инжекции. Базу транзистора для повышения коэффициента переноса делают тонкой и низколегированной, так, чтобы толщина базы (wб) была намного меньше диффузионной длины инжектированных в базу электронов. Под коллектором располагают низкоомный слой n+ (скрытый слой) для уменьшения сопротивления коллектора при работе последнего в режиме насыщения. В тех случаях, когда транзистор не переходит в режим насыщения, скрытый слой не делают. При контакте полупроводника n-типа с трехвалентным алюминием, который является акцептором, последний может диффундировать в коллектор с образованием области р-типа и паразитного р-n-перехода. Для предотвращения образования паразитного перехода область коллекторного контакта легируют до n+.

43

Рис. 6. Конструкция многоэмиттерного транзистора: БП - базовый проводник, БК - базовый контакт.

Рис. 7. Конструкция горизонтального p-n-p транзистора: wб - ширина базы.

44

Рис. 8. Конструкция полевого транзистора.

Транзисторы средней и большой мощности работают в режимах высоких плотностей тока (2÷30 мА/мм2). Конструкции мощных транзисторов разрабатывают с учетом эффекта оттеснения эмиттерного тока. Этот эффект заключается в том, что плотность тока в центре эмиттерной области существенно ниже плотности тока на ее периферии, и падение напряжения на эмиттерном переходе будет расти при смещении от центра эмиттера. Поэтому для повышения мощности транзистора необходимо увеличивать не общую площадь эмиттера SЭ, а отношение периметра Р эмиттера к его площади. На рис. 5 показаны различные конструкции эмиттеров мощных транзисторов с большим отношением P/SЭ. В цифровых схемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) используются многоэмиттерные транзисторы, которые содержат несколько эмиттеров, работающих в одной базовой области. На рис. 6 показан четырехэмиттерный транзистор. Из рисунка видно, что эмиттеры находятся на разных расстояниях от базового контакта, что приводит к существенному различию в сопротивлениях эмиттер-базовых цепей. Для выравнивания этих сопротивлений по области базы прокладывают проводник, а форма базовой области имеет отросток, который является базовым резистором с коэффициентом формы 3 ÷ 4. В аналоговых ПИМС находят применение и p-n-p транзисторы, совместимые с планарно-эпитаксиальной технологией. Конструкция такого транзистора приведена на рис. 7. Их изготавливают одновременно с n+-p-n транзисторами по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторные слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей в таком pn-p транзисторе протекает в горизонтальном направлении. Инжектированные из боковых частей эмиттера в базу дырки диффундируют к коллекторной области в приповерхностном слое. Ширина базы равна расстоянию между р-слоями (3÷4 мкм). Из-за сравнительно большой ширины базы частотные свойства p-n-p транзисторов хуже, а усиление меньше. Такие транзисторы применяют в аналоговых схемах, где необходимо использовать транзисторы двух типов проводимости. Конструкции МДП – транзисторов. МДП - транзисторы, наряду с полевыми транзисторами, о которых будет сказано ниже, являются униполярными, поскольку работа их основана на использовании носителей только одного типа - основных. Принцип работы МДПтранзистора основан на модуляции сопротивления проводящего канала между истоком и стоком под действием потенциала затвора. Для упрощения изложения материала далее будут рассматриваться МДП - транзисторы с индуцированным каналом, т. е. с каналом, который наводится в области между истоком и стоком только при наличии потенциала на затворе. Различают по типу проводимости канала n - канальные (рис. 9,а) и рканальные (рис. 9,б) МДП - транзисторы. Отметим, что у n - МДП - транзисторов быстродействие больше, так как подвижность основных носителей - электронов больше, чем дырок. Как видно из рисунков, МДП - транзистор имеет 4 вывода: исток, сток, затвор и подложка. При симметричной конструкции исток и сток в МДП45

транзисторах обратимы и их можно поменять местами при включении транзисторов в схему. Основными конструктивными параметрами МДП - транзистора являются длина канала lk и ширина канала bk. Для обеспечения надежного наведения канала с учетом возможного несовмещения отдельных областей затвор должен располагаться над каналом с некоторым перекрытием. Особенностью МДП ИМС является то, что в качестве пассивных элементов используют МДП - транзисторы. При использовании МДП транзистора в качестве резистора необходимо на его затвор подавать постоянное напряжение, величина которого будет определять номинал сопротивления. В качестве конденсаторов в МДП ИМС используют емкость затвор - подложка или барьерную емкость p-nперехода сток ( исток ) - подложка.

а).

б).

в). Рис. 9. Конструкция МДП - транзисторов: а) р - МДП - транзистор; б) n - МДП транзистор; в) комплементарная пара транзисторов; ОК1, ОК2 - охранные кольца. МДП ИМС, у которых в объеме кристалла сформированы одновременно n- и р-канальные МДП - транзисторы, называются комплементарными ( рис.9, в ). Цифровые схемы на комплементарных МДП транзисторах (КМДП ИМС) практически не потребляют мощность в статическом режиме и потребляют ее только в момент переключения. 46

Как видно из рисунка, для формирования комплементарной структуры необходимо формировать р - карман для размещения n-МДП - транзисторов. Кроме того, для устранения влияния паразитных МДП - транзисторов применяют охранные кольца p+ и n+ - типа, которые могут опоясывать один или несколько транзисторов с каналом одного типа проводимости. Применение охранных колец снижает степень интеграции КМДП ИМС. Существенным недостатком МДП ИМС является опасность пробоя затвора на подложку статическим электричеством при монтаже или транспортировке микросхем. Для устранения этого явления все логические входы дополняют охранными диодами и резисторами. Пример такой защиты на входе КМДП ИМС приведен на рис. 6 Приложения 4. Назначение диодов VD1-VD3 очевидно, а резистор R1 необходим для ограничения зарядного тока емкости затвор - подложка комплементарных МДП - транзисторов в динамическом режиме. Конструкция полевых транзисторов Принцип работы полевого транзистора также, как и МДП - транзистора, основан на модуляции толщины проводящего канала и его сопротивления под действием потенциала затвора. На рис. 8 приведена конструкция полевого транзистора с каналом n-типа проводимости. Канал образуется между стоком и истоком. Толщина канала регулируется двумя обратно смещенными p-nпереходами: затвор — эпитаксиальный слой и эпитаксиальный слой — подложка. В указанной конструкции на затвор подается отрицательный потенциал относительно истока. Характерной особенностью полевого транзистора ПИМС является замкнутая форма затвора, окружающего область стока. В этом случае ток между истоком и стоком всегда будет протекать через канал. Полевые транзисторы такой конструкции находят применение во входных каскадах операционных усилителей, изготовленных по планарно - эпитаксиальной технологии. Компоненты ГИС Как уже упоминалось, если в полупроводниковой ИМС транзистор является элементом, в гибридной ИМС он будет являться компонентом (навесным). В качестве компонентов ГИС применяют диоды и диодные матрицы, транзисторы и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, наборы прецизионных резисторов и конденсаторов, индуктивности, дроссели, трансформаторы и т.д.. Компоненты могут иметь жесткие и гибкие выводы. Способ монтажа компонентов на плату должен обеспечить фиксацию положения компонента и выводов, сохранение его целостности, параметров и свойств, а также отвод теплоты, сохранение целостности ГИС при термоциклировании, стойкость к вибрациям и ударам. На рис.10 показаны способы установки, крепления и присоединения выводов компонентов ГИС. Монтаж компонентов с гибкими выводами наиболее прост, так как уменьшается количество пересечений пленочных проводников, ведь гибкие выводы могут идти поверх защищенной пленочной разводки. Недостатки метода высокая трудоемкость операций монтажа, так как каждый вывод припаивается (приваривается) отдельно и, как следствие, низкая надежность, трудность автоматизации. Монтаж компонентов с жесткими выводами, напротив, позволяет автоматизировать процесс, снизить трудоемкость монтажа, повысить надежность, 47

но при этом усложняется топология проводников и межсоединений, да изготовление жестких выводов намного сложнее, чем гибких.

а).

б).

в).

г).

Рис. 10. Способы крепления компонентов ГИС и присоединения их выводов: а) транзисторов и диодов; б) резисторов; в) конденсаторов; г) катушек индуктивности и др. компонентов. Корпусные и бескорпусные ГИС характеризуются различной надежностью, помехозащищенностью, технологичностью, что определяет их стоимость и область применения. Бескорпусные ГИС проще по конструкции, более технологичны и дешевы, но имеют меньшую помехозащищенность и надежность по сравнению с корпусными ГИС. В качестве защитных покрытий бескорпусных ГИС используют лаки, смолы, легкоплавкие стекла, эмали, компаунды и т.д.. Платы корпусных ГИС крепят к основанию корпуса клеем или специальной клеевой пленкой с перфорацией для растекания- клея в процессе термообработки 48

при сушке. Платы СВЧ микросхем имеют металлизированную обратную сторону подложки. Их крепят к основанию корпуса пайкой или сваркой. Возможно механическое крепление платы к основанию корпуса, а также заливка стеклоэмалью. Под топологией ГИС понимается взаимное размещение и соединение элементов микросхемы. Исходными данными для разработки топологии являются: • технология изготовления (тонкопленочная, толстопленочная и др.), принятая для микросхем данной серии; • принципиальная электрическая схема; • принятый способ защиты (корпусная, бескорпусная) микросхема данной серии. При разработке топологии учитываются технологические, схематические и конструктивные требования и ограничения. Технологические требования и ограничения ГИС 1. Минимальная ширина пленочных проводников: • 100 мкм при масочном способе; • 50 мкм при фотолитографическом способе. 2. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами: • 300 мкм при масочном способе • 100 мкм при фотолитографическом способе. 3. Не допускается установка навесных компонентов на пленочные конденсаторы, спирали индуктивностей и пересечения пленочных проводников. Допускается установка навесных компонентов на пленочные проводнику и резисторы, защищенные диэлектриком. 4. Минимальные расстояния между навесными компонентами 0,4 мкм. 5. Максимальная длина гибкого вывода без дополнительного закрепления - 3,0 мм. Примечание. Дополнительное закрепление производится точечным приклеиванием гибкого вывода к подложке. 6. Топологические чертежи должны выполняться в прямоугольной системе координат. Применение наклонных линий не рекомендуется. Наклонные линии допускаются только в тех случаях, когда их использование приводит к существенному упрощению формы пленочного элемента. Схемотехнические требования и ограничения ГИС 1. Входная и выходная цепи микросхемы должны быть максимально разнесены на плате для минимизации паразитных обратных связей между входом и выходом. 2. Компоненты (элементы) большой мощности необходимо располагать в центре платы для улучшения теплоотвода. 3. К схемотехническим относятся также ограничения по мощности, частоте, помехозащищенности и др. Конструктивные требования и ограничения ГИС 1. Для всех микросхем данной серии необходимо использовать унифицированные (одинаковые) корпуса. Для бескорпусных микросхем следует применять унифицированное защитное покрытие. 2. Каждый корпус должен иметь ключ, обозначающий первый вывод микросхемы. 3. Каждая плата должна иметь ключ в виде нижней левой контактной 49

площадки с вырезом или специального знака, например, в форме треугольника. 4. Контактные площадки рекомендуется располагать по периферии платы. Приведенные технологические, схемотехнические и конструктивные требования и ограничения - это отдельные примеры, иллюстрирующие их сущность. Полное изложение требований и ограничений, учитываемых при разработке топологии, приводится в руководящих технических материалах предприятий, изготавливающих микросхемы. Пленочная часть микросхемы (платы) состоит из нескольких слоев: резистивных, проводящих, диэлектрических. Последовательность нанесения слоев тонкопленочной гибридной микросхемы: 1. резисторы; 2. проводники и контактные площадки; 3. межслойная изоляция; 4. проводники; 5. нижние обкладки конденсаторов; 6. диэлектрик конденсаторов; 7. верхние обкладки конденсаторов; 8. защитный слой. В зависимости от номенклатуры элементов микросхемы и от ее сложности некоторые слои могут отсутствовать. Каждый пленочный слой микросхемы изготавливается с помощью масок иди фотошаблонов. Последовательность нанесения слоев толстопленочной микросхемы: 1. проводники, контактные площадки и нижние обкладки конденсаторов; 2. диэлектрик конденсаторов; 3. верхние обкладки конденсаторов; 4. резисторы; 5. защитный слой. Вспомогательные элементы ПИМС До начала анализа вспомогательных элементов ПИМС рассмотрим конструкцию проводников. Элементы ПИМС электрически соединены между собой с помощью алюминиевых пленочных проводников, расположенных на поверхности изолирующего окисла или межслойной изоляции. Контактирование проводника со всеми областями кристалла осуществляется через контактное окно в окисле, причем для получения надежного контакта окно закрывается проводником с перекрытием. Толщина проводника достигает 1,2 мкм при минимальной ширине, определяемой технологическими ограничениями. Рассмотренная конструкция проводников не обеспечивает изоляцию пересекающихся проводников. Для этих целей используют вспомогательный элемент - диффузионную перемычку. В такой перемычке один проводник расположен на поверхности изолирующего окисла, а другой пролегает под ним в виде участка р+- или n+- слоя. Диффузионная перемычка по существу является низкоомным диффузионным резистором, над телом которого проложен пересекающийся проводник. Для получения качественной перемычки необходимо проектировать ее с коэффициентом формы Кф≤1. Вторым вспомогательным элементом ПИМС является внешняя контактная 50

площадка. Она предназначена для электрического соединения кристалла с внешними выводами корпуса с помощью гибких проводников. Конструктивно внешняя контактная площадка выполняется из пленочного алюминиевого проводника размером порядка 50 × 50 мкм и располагается на периферии кристалла. От кристалла площадка изолируется окислом, а от внешней среды пассивирующим (защитным) слоем, в котором делают окно для приварки внешнего гибкого вывода. Иногда контактную площадку снабжают двойной изоляцией для предотвращения замыкания на кристалл в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессионной сварке под местом сварки. Для этого под площадкой формируют изолирующий карман с проводимостью, обратной проводимости исходной пластины. В тех случаях, когда контактная площадка формируется на толстом окисле, область изоляции в виде кармана не делают. Последним вспомогательным элементом ПИМС являются фигуры совмещения. Они имеют прямоугольную или крестообразную форму или выполняются в виде набора рисок разной толщины. В данной лабораторной работе Вы будете наблюдать окончательный вид фигур совмещения после завершения технологического процесса. Количество фигур будет на одну меньше числа фотолитографий, использованных при производстве ИМС. Каждая фигура состоит из двух квадратов основного (внешнего) и встроенного (внутреннего). Качество совмещения определяют по взаимному положению основного и встроенного квадратов. Совмещение будет идеальным, если все фигуры концентричны. Чаще всего фигуры совмещения располагают на периферии кристалла между внешними контактными площадками. Способы изоляции элементов. Между активными и пассивными элементами ПИМС, сформированными в объеме полупроводникового кристалла, необходимо обеспечить надежную электрическую изоляцию. Различают три способа изоляции: • обратно смещенным p-n - переходом (рис. 11, а); • диэлектриком (рис. 11, б); • комбинированный, представляющий сочетание изоляции p-n-переходом и диэлектриком (рис. 11, в). Основным недостатком изоляции p-n-переходом, является наличие значительных паразитных емкостей и токов утечки изолирующих p-n-переходов, что особенно сказывается на быстродействующих и микромощных ИМС. Изоляция элементов диэлектриком позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению с микросхемами, в которых использована изоляция p-n-переходами. Однако микросхемы с диэлектрической изоляцией имеют меньшую интегральную плотность. В комбинированном способе изоляции совмещены некоторые преимущества методов изоляции p-n-переходом и полной диэлектрической изоляции.

51

а).

б).

в). Рис. 10. Способы изоляции элементов: а) обратно - смещенным р-n -переходом; б) диэлектриком; в) комбинированный; wp-n - обедненный слой изолирующего р-nперехода; d - толщина диэлектрика (окисла кремния). Описание лабораторного макета Для выполнения работы используется следующая аппаратура: Лабораторный макет, состоящий из кассеты с образцами, лупы и микроскопа. Номер кассеты состоит из двух групп цифр: 1-ая цифра в 1-ой группе цифр обозначает номер лабораторной работы, 2-ая цифра обозначает номер кассеты в данной лабораторной работе; 1-ая цифра во второй группе цифр обозначает номер варианта, 2-ая цифра обозначает номер образца. Внимание! Пластины с образцами очень хрупки. После рассмотрения пластин сразу же ставьте их в кассету.

1. 2. 3. ГИС;

Требования к отчету Отчет должен содержать: Титульный лист; Цель работы; Краткие теоретические сведения о конструкции, элементах и компонентах

52

4. Краткое описание конструкции элементов полупроводниковых ИМС с эскизами поперечных сечений диффузионного резистора, МДП конденсатора, планарно-эпитаксиального транзистора, n-канального и р-канального МДП транзисторов; 5. Заполненную по результатам анализа форму табл. 1; 6. Заполненную по результатам анализа форму табл. 2, 3; 7. Эскизы топологий активных и пассивных элементов в произвольном масштабе с указанием типа проводимости, названия и размеров областей в микрометрах; 8. Результаты расчета удельного поверхностного сопротивления и/или удельной емкости. 9. Выводы по работе.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Лабораторное задание Домашняя работа: Ознакомиться с описанием лабораторной работы; Изучить описание к лабораторной работе; Выполнить пп. 1-4 раздела “Требования к отчету”; Подготовить формы таблиц 1, 2, 3; Приготовить миллиметровку (2 листа), карандаш и линейку; Подготовиться к ответам на контрольные вопросы.

Форма таблицы 1 Характеристики и параметры ПИМС Обозна- Выпол- Способ Количест- Коли- Степень Плот- Примечение няемая изоляци во чество интегра- ность чание микрос- функция и внешних элемен- ции, К упаковхемы элемен- контакттов ки, КV, тов ных см-3 микросх площадок емы

Форма таблицы 2 № Материал Характерные п/п подложек признаки внешнего вида

Подложки ГИС Область преимущественного применения (для каких типов ИМС)

53

Параметры и характеристики, определяющие область применения

Форма таблицы 3 № п/п

Характеристики и параметры ГИС Обозначение микроТип микросхемы Выполняемая схемы функция

Общее кол-во эл-тов

В том числе пленочные

навесные

резисторы кон-ры

конденсаторы

К

Параметры ω, 1/мм2

транзисторы и диоды

2

кристаллы

прочее

Способ монтажа компонентов

ω', 1/мм

Таблица 3 выполняется на листе формата А4 в альбомной ориентации. Работа в лаборатории: 1. Изучить подложки ГИС, заполнить графы формы табл. 2. 2. Изучить конструкции ГИС и определить количественные параметры ГИС степень интеграции К и интегральную плотность ω, ω’, заполняя табл. 3. 3. Рассмотреть под микроскопом семь образцов полупроводниковых ИМС по заданному варианту (см. приложение 4), размещенные в кассете 4. 4. Заполнить графы формы табл. 1, используя результаты визуального осмотра, данные таблицы приложения 4, принципиальные схемы ИМС и результаты расчета по формулам (см. теоретическое описание). 5. Зарисовать эскизы топологии элементов ИМС, указанных преподавателем, и произвести оптические измерения размеров отдельных областей ИМС (согласно задания). 6. Рассчитать удельное поверхностное сопротивление или удельную емкость указанных пассивных элементов ИМС по формулам (см. теорет. введение), используя значение параметра из таблицы приложения 4, в соответствии с заданным вариантом (см. приложение 4) и результатами оптических измерений. 7. Показать преподавателю результаты выполнения работы.

1. • • • •

Порядок выполнения работы Изучение подложек ГИС. В кассете представлены образцы подложек: ситалл (СТ 38-1) поликор; керамика; металлическая (титалан); 54

полиимид. Запишите характерные признаки внешнего вида подложек (матовая или зеркальная поверхность, цвет). Укажите область применения подложек, параметров и характеристики подложек, определяющие их применение (ε, tgδ, ТКЛР, λ - коэф. теплоп-ти). Результаты анализа занесите в форму таблицы 2. 2. Изучение конструкций ГИС. Внимательно рассмотрите каждую микросхему в кассете. Определите тип микросхемы - пленочная или гибридная, тонко- или толстопленочная. По обозначению ИМС определите номер серии. Функциональное назначение ГИС приведено в Приложении 4. Найдите на микросхеме ключ, пассивные, активные, технологические и конструктивные элементы. Определите количественные параметры ГИС - степень интеграции К и интегральную плотность ω и ω’. Для расчета используйте данные Приложения 4. Результат занесите в форму таблицы 3. Выполните эскиз топологии в варианте, указанном преподавателем и обозначьте на топологии элементы согласно принципиальной электрической схемы. Топологию выполняйте на миллиметровке формата А4. Найдите на микросхеме ключ. На топологии он должен находиться в левом нижнем углу схемы. Выберите масштаб 10:1. Размеры подложки приведены в приложении 4. Точное соблюдение размеров элементов не требуется. 3. Подготовиться к изучению семи образцов полупроводниковых микросхем, размещенных в кассете 4, для чего необходимо занести в форму табл. 1 в порядке размещения образцов в кассете, выданной преподавателем, обозначение микросхем, выполняемую функцию и число элементов, используя данные приложения 4. 4. Внимательно рассмотреть каждую микросхему под микроскопом и определить: • способ изоляции элементов в микросхеме; • количество внешних контактных площадок. Примечание: а). Контур области изоляции диэлектриком ( контур “кармана” ) имеет вид темной утолщенной линии, при этом прямые углы в контуре обязательно закруглены. Вне контура “кармана” на поверхности кристалла наблюдаются характерные крапинки. б). Контур области изоляции p-n-переходом имеет вид тонких темных линий с прямыми углами без закруглений. Результаты выполнения п. 4 занести в форму табл. 1. 5. Рассчитать значение степени интеграции, плотности упаковки, используя данные приложения 4, и занести результаты в форму табл. 1. 6. Зарисовать эскизы топологии пассивных и активных элементов микросхем по варианту, указанному преподавателем, без соблюдения масштаба с указанием типа проводимости и названия областей. Для чего необходимо: • установить на столик микроскопа необходимую ИМС и, пользуясь ее принципиальной схемой (приложение 4), найти интересующий элемент топологии, •

55

начав поиск от внешней контактной площадки кристалла с соответствующим номером; • поиск тестового или вспомогательного элементов (фигур совмещения) ведут на периферии кристалла или между внешними контактными площадками. 7. Произвести оптические измерения конструктивных параметров элементов полупроводниковых микросхем, указанных преподавателем, для чего необходимо: • определить цену деления шкалы окуляра микроскопа; • поместить в поле зрения микроскопа топологию измеряемого элемента и произвести отсчет: для диффузионного резистора — длины l и ширины b; для МДП - конденсатора — длины l0 и ширины b0 верхней обкладки; для биполярного транзистора — длины lб и ширины bб базовой области; для МДП - транзистора — длины lз и ширины bз затвора; • нанести эти размеры в микрометрах на эскизы топологии. 8. Рассчитать значение удельного поверхностного сопротивления и удельной емкости, используя значения параметров элементов из приложения 4 и результаты оптических измерений. 9. Показать преподавателю результаты выполнения работы. Контрольные вопросы 1. Какими параметрами характеризуются микросхемы? 2. Как обозначаются микросхемы? 3. Какие конструкции пленочных резисторов, конденсаторов и индуктивных элементов вам известны? 4. Какими параметрами характеризуются пленочные резисторы, конденсаторы и индуктивные элементы? 5. Что такое топология интегральной микросхемы? 6. Дать определение интегральной микросхемы. 7. Что такое активные и пассивные элементы ИМС? 8. Дать определение тонкопленочной и толстопленочной микросхемы. Характерные признаки этих микросхем. 9. Дать определение гибридной микросхемы. Характерные признаки гибридных микросхем. 10. Каким требованиям должны удовлетворять подложки микросхем? Каково назначение различных типов подложек? 11. Каким образом реализуется изоляция элементов в микросхемах? 12. Какими параметрами характеризуются ИМС? Как они определяются? 13. Дать определение серии ИМС. 14. Как обозначаются ИМС, каковы основные элементы обозначения? 15. Указать различие в определениях "плата" и "кристалл". К каким типам ИМС относятся эти понятия? 16. Что называется контактной площадкой и корпусом ИМС? Для чего они предназначены? 17. На каких исходных данных основывается разработка топологии интегральных микросхем? 18. Приведите примеры технологических требований и ограничений ГИС. 19. Приведите примеры схемотехнических требований и ограничений ГИС. 20. Приведите примеры конструктивных требований и ограничений ГИС. 56

21.

Оцените сопротивление пленочного резистора, указанного преподавателем,

при заданном поверхностном сопротивлении ρo. 22.

Оцените отношение сопротивлений двух пленочных резисторов, указанных

преподавателем на микросхеме. 23. Поясните следующие термины: полупроводниковая микросхема, полупроводниковая пластина и кристалл. 24. Как вычисляют показатели степени сложности микросхем: степень интеграции и плотность упаковки? 25. Какие материалы используют для изготовления исходных пластин? 26. Поясните следующие термины: серия, тип и типономинал микросхем? 27. Из каких элементов состоит обозначение микросхем? 28. Как классифицируют микросхемы по конструктивно - технологическим типам? 29. Как в данной работе можно распознать конструктивно - технологический тип микросхемы? 30. Как в данной работе определить оптическим путем способ изоляции элементов в микросхеме? 31. Как проще определить количество внешних контактных площадок кристалла? 32. Как найти нужный элемент микросхемы для оптического анализа и измерений? 33. Чем задается и как определяется цена деления шкалы окуляра микроскопа? 34. Как рассчитать удельное поверхностное сопротивление диффузионного резистора по известной топологии и номиналу сопротивления? 35. Как рассчитать удельную емкость конденсатора по известной топологии и номиналу емкости? 36. Изобразите конструкцию диффузионного резистора в базовом слое, в эмиттерном слое и в базовом слое под эмиттерным. 37. Изобразите конструкцию диффузионного конденсатора на эмиттерном p-nпереходе. 38. Изобразите конструкцию МДП - конденсатора. 39. Изобразите конструкцию четырехэмиттерного планарно-эпитаксиального транзистора. 40. Изобразите конструкцию мощного планарно-эпитаксиального транзистора. 41. Изобразите конструкцию р - канального МДП - транзистора. 42. Изобразите конструкцию n - канального МДП - транзистора. 43. Изобразите конструкцию полевого транзистора. 44. Назначение и конструкция охранных колец в МДП - структурах.

57

Лабораторная работа 4

Методы и технология изготовления фотошаблонов Цель работы 1. Изучить технологические процессы изготовления фотошаблонов. 2. Ознакомиться с принципами работы оборудования для изготовления фотошаблонов. 3. Изучить характеристики и типы фотоматериалов для фотошаблонов. 4. Изучить методы контроля фотошаблонов. 5. Изучить методы структурного формирования комплектов фотошаблонов для различных технологических вариантов производства ПП. 6. Изучить ионно-плазменный метод формирования пленочных маскирующих покрытий на основе окислов металлов. Теоретические сведения Условные обозначения ПП - печатная плата. МПП - многослойная печатная плата. КП - контактная площадка. ФМ - фотоматериал. ФТ - фототехнический материал. ФО фотохимическая обработка. ФШ - фотошаблон. РФШ - рабочий фотошаблон. ДП фотоматериал со светочувствительным диазослоем на пленочной основе. БЗ базовый знак. Д0 - оптическая плотность прозрачного поля проявленного фотоматериала. Д - оптическая плотность не прозрачного поля проявленного фотоматериала. S - общая светочувствительность фотоматериала. К - контраст фотографического изображения на фотоматериале, λ - длина волны. Основным технологическим методом производства микроэлектронных структур и ПП в частности является фотолитография, а основным инструментом фотолитографического процесса - фотошаблон (ФШ), посредством которого формируется рисунок топологии слоев в резисте. В современной технологии для изготовления ФШ применяются фотоматериалы, обладающие высокой разрешающей способностью и высокой контрастностью. Для изготовления фотошаблонов применяют специальное высокопрецизионное оборудование - фотокоординатографы и генераторы изображений, с помощью которых в эмульсионном слое фотоматериала формируется скрытое (латентное) изображение. Фотохимическую обработку проэкспонированного фотошаблона проводят в проявочных автоматах - «процессорах». В приложении 3 приведена схема типового технологического процесса изготовления фотошаблонов в современном производстве ПП. Оборудование для производства фотошаблонов. Разработка оригинала фотошаблона, включающего всю необходимую графическую информацию для изготовления ПП, осуществляется, главным образом, с применением ЭВМ следующими двумя способами: 1. «DA» (Design Automation - Автоматизированное проектирование). Данный способ эффективен при массовом проектировании стандартизованных ПП. При этом способе ЭВМ проводит все процессы обработки в соответствии с проектными данными. 2. «CAD» (Computer Aided Design - проектирование с помощью ЭВМ). Этот способ заключается в проектировании проводимом проектировщиком с 58

проведением диалога с ЭВМ через графический дисплей. Данный способ применяется для проектирования стандартных печатных плат, требующих специальной обработки. Система CAD получила наиболее широкое применение. В стадии проектирования схемы соединений получают данные, необходимые для изготовления оригинала фотошаблона при помощи экспозиционного графопостроителя - фотокоординатографа, генератора изображений и др. Фотокоординатограф - фотооптическое устройство для вычерчивания световым лучом топологии и другой необходимой информации на фотоматериале, используемом для изготовления фотошаблона. Фотокоординатограф состоит из следующих основных узлов: • фотоголовки с объективом и набором апертурных диафрагм; • источника света с блоком конденсаторов; • механизма привода для перемещения фотоголовки; • механизма привода для перемещения координатного стола; • блока управления механизмами координатного перемещения; • устройства ввода и обработки информационных данных. Ниже приведены некоторые основные характеристики современных фотокоординатографов: 1. Скорость рисования, 100 – 150 мм/с; 2. Точность позиционирования, 25 – 30 мкм; 3. Разрешающая способность, 40-50 лин/мм; 4. Число апертур до 50. На рис.1 приведена типовая схема фотокоординатографа.

Рис. 1. 1.Устройство управления приводами; 2.Специализированная ЭВМ; 3.Механизм привода фотоголовки; 4.Объектив; 5.Зеркало; 6.Затвор с механизмом привода; 7. Блок апертур с механизмом привода; 8.Блок конденсаторов; 9.Источник света; 10.Фотоматериал; 11.Координатный стол; 12.Привод координатного стола.

Более высокие технические параметры имеют генераторы изображений, в которых в качестве источника света используется лазер. Монохроматичность и высокая интенсивность лазерного излучения, в сочетании со сканирующей разверткой сфокусированного луча по поверхности фотоматериала, позволяют на порядок увеличить производительность изготовления фотошаблонов в сравнении с производительностью достигаемой на фотокоординатографах. В лазерных генераторах изображения (ЛГИ) в основном используются два типа лазеров: гелий-неоновый (I = 633 нм) и аргоновый (I = 470 – 540 нм). 59

ЛГИ имеют следующие основные характеристики: 1. Время экспонирования фотоматериала размером 500х600 мм., 3 - 7мин; 2. Информативная разрешающая способность (пиксель), 6,5 - 12,5 мкм; 3. Разрешающая способность реализуемая на фотоматериале, 40 – 50 лин/мм; 4. Точность позиционирования, 6,5 - 12,5 мкм. В настоящее время нашли применение два типа ЛГИ, отличающихся способами осуществления развертки лазерного луча: • цилиндрового типа, в которых развертка осуществляется за счет вращения цилиндра и шагового перемещения объектива, фокусирующего излучение вдоль образующей цилиндра. • с плоским координатным столом, движущимся по одной из осей координат и разверткой с помощью вращающегося зеркального полигона по другой оси координат. На рис.2 показаны схема ЛГИ различного тапа.

Рис.2. Схема ЛГИ цилиндрового типа: 1 - устройство управления приводам; 2 -специализированная ЭВМ; 3 - механизм привода объектива; 4 - объектив; 5 - зеркало; 6 - модулятор; 7 - лазер; 8 - сфокусированный луч лазера; 9 - цилиндр растровой развертки; 10 - фотоматериал; 11 - растр; 12 - механизм привода цилиндра.

Рис. 3. Схема ЛГИ с плоским столом: 1 – устройство управления приводами; 2 – ЭВМ; 3 - механизм привода стола; 4 - фотоматериал; 5 - координатный стол; 6 - растр развертки лазерного луча; 7 - плоское зеркало; 8 – луч лазера; 9 - объектив; 10 - зеркало; 11 - зеркальный полигон развертки лазерного луча; 12 - модулятор; 13 - привод полигона; 14 - лазер. 60

В состав производственного участка для изготовления фотошаблонов входят так же процессор для фотохимической обработки экспонированного фотоматериала, контактное устройство для получения копий с черно-белых фотоматериалов, контактное устройство для получения копий на диазопленках (ДП), проявочное устройство для ДП, а так же контрольное измерительное оборудование - денситометры и микроскопы. Фотохимическая обработка в процессоре состоит из совокупности операций, которым подвергается экспонированный фотоматериал с целью превращения скрытого изображения в видимое. Обязательные операции фотохимической обработки: • проявление, в результате которого в фотослое образуется видимое изображение, • фиксирование, в ходе которого это изображение закрепляется и становится устойчивым к действию света. В современной технологии эти процессы осуществляют с помощью проявочных автоматов («процессоров»), в которых строго регламентированы условия фотохимической обработки - постоянство химического состава реагентов, температура и время процесса. Фотоматериалы для фотошаблонов Фототехнические пленки выпускаются в виде листов форматом от 13х18 см до 50х60 см, а так же в рулонах. Импортные фотоматериалы выпускаются также форматом 70х80 см. Фототехнические пленки обозначаются буквами Ф.Т. с двухзначным или трехзначным индексом. Первая или две первые цифры при трехзначном индексе обозначают значение коэффициента контрастности, что соответствует градации 1, 2, 3, 4, 10. Вторая и третья цифры индекса показывают характер сенсибилизации: - несенсибилизированная, - ортохроматическая, - изопанхроматическая. Буквы в обозначениях некоторых фотоматериалов имеют определенные значения: Ш - штриховая, К - контрастная. Например, фотопленка ФТ-41, применяемая для репродукционных работ и изготовления ФШ имеет следующие фотографические показатели: Светочувствительность S - 0,5-1,0; контрастность К - 45; фотографическая плотность Д0 < 0,08; Д > 3; разрешающая способность -180 лин/мм. В производстве фотошаблонов применяют особоконтрастные и сверхконтрастные репродукционно-штриховые фотопластины. Общая чувствительность фотопластинок 4-8 ед., разрешающая способность - 70-80 лин/мм. Характеристики фотоматериалов: Оптическая плотность, Д - безразмерная величина, характеризирующая степень ослабления оптического излучения в проявленных фотоматериалах за счет поглощения и рассеяния при прохождении излучения через фотоматериал. Фотографическая плотность изображения, измеряется с помощью денситометров. Контрастность, К - фотографического изображения определяется разностью максимальной и минимальной оптических плотностей. Светочувствительность фотоматериала S - способность реагировать на оптическое излучение. Светочувствительность количественно определяется по 61

оптической плотности фотографического слоя. Светочувствительность к белому свету называется общей (фотографической), по отношению к монохроматическому - спектральной, по отношению к свету прошедшему через светофильтр - эффективной светочувствительностью. Общая светочувствительность, количественно выражается числом и проставляется на упаковке фотоматериала, Таблица 1. Естественная светочувствительность серебряных фотоматериалов ограничена УФ и синей зонами оптического излучения 1< 510 нм. Добавочная светочувствительность фотоматериалов обусловлена введением в фото слой сенсибилизаторов - органических красителей. Сенсибилизированные фотоматериалы, в зависимости от области их спектральной чувствительности имеют следующие названия - ортохроматические до 590 нм; изохроматические - до 650 нм; панхроматические - до 700 нм; инфрахроматические - 760-920 нм. Разрешающая способность характеризует способность фотоматериалов давать раздельные изображения мелких соседних деталей, обычно линий. Разрешающая способность фототехнических пленок лежит в пределах 200-300 линий/мм. У специальных штриховых фотоматериалов может достигать 300-500 линий/мм. Высокой разрешающей способностью обладают бессеребряные фотоматериалы, в которых светочувствительным слоем является диазосоединение. Диазопленки (ДП) получили широкое применение в производстве фотошаблонов в силу следующих положительных факторов: • проявление ДП осуществляется в парах аммиака, • для получения изображения не требуется фиксирования, промывки и сушки, т.е. исключаются все «мокрые процессы», сопутствующие фотохимической обработке черно-белых фотоматериалов, • проявленная ДП, в местах подвергнутых экспонированию, образует видимое изображение, не пропускающее УФ свет, • разрешающая способность выше, чем у эмульсионных материалов, до 1000 лин/мм. Характеристики и требования к фотошаблонам. Сложность изготовления высококачественных фотошаблонов для распространенной в настоящее время контактной фотолитографии определяется их высокими фотографическими свойствами и высокой прецизионностью фотографического изображения. В зависимости от способа изготовления ПП, в фоторезисте должен быть создан рисунок топологии в виде защитного рельефа, либо в виде освобождений. В современном производстве наиболее широкое применение получили пленочные резисты типа СПФ, которые образуют защитный рельеф под действием актиничного излучения и удаляются в местах, не подвергнутых действию излучения. Этим свойством резиста обусловлена необходимость изготовления фотошаблонов как с позитивным изображением рисунка топологии, так и с негативным изображением рисунка топологии ПП. Позитивный рисунок на фотошаблоне отображается в черном цвете. Негативный рисунок имеет светлое изображение, прозрачное для актиничного излучения источника экспонирования. Из выше сказанного следует, что для получения защитного рельефа в резисте, соответствующего рисунку топологии ПП, требуется изготовить 62

негативный фотошаблон. Для получения рисунка в резисте в виде освобождений необходимо изготовить позитивный фотошаблон, рис.4.

Рис. 4. 1 - ФШ с негативным изображением рисунка; 2 - фотоэмульсионный слой; 3 основа фотопленки; 4 - заготовка ПП; 5 - фоторезист; 6 - фолгированный диэлектрик; 7 экспонированный позитивный рисунок на фоторезисте (латентный); 8 - негативное изображение рисунка проводников и контактных площадок; 9 - актиничное излучение источника экспонирования; 10 - ФШ с позитивным изображением рисунка; 11 экспонированный негативный рисунок на фоторезисте. Резисты типа СПФ иногда называют негативными, т.к. в них формируется негативное изображение рисунка при печати с позитивного фотошаблона. На верхних слоях ПП всегда печатаются рисунок, надписи, маркировка и другая графическая информация, ориентированные в положительных осях ординат. Условно изображение такого рисунка на фотошаблоне принято называть прямым. Рисунок на нижних слоях ПП повернут относительно оси ординат на 180. Условно изображение такого рисунка на фотошаблоне называют зеркальным, рис.5. 1

Рис. 5. А: 1 - ФШ с зеркальным изображением рисунка ПП, 2 - изображение рисунка на фоторезисте. В: 1 - ФШ с прямым изображением рисунка ПП; 2 зеркальное изображение рисунка на фоторезисте. 63

Контактную печать изображения рисунка на резист проводят с ФШ, обращенного эмульсионной стороной к резисту, чтобы исключить рассеяние света на подложке. Поэтому для получения в резисте прямого изображения рисунка верхних слоев изготавливают фотошаблон с зеркальным изображением рисунка ПП. Для получения в резисте зеркального изображения рисунка нижних слоев изготавливают фотошаблон с прямым изображением рисунка ПП. Фотошаблоны, используемые для печати рисунка на резист, называют рабочими фотошаблонами РФШ. Из выше сказанного следует, что технология изготовления фотошаблонов для МПП должна обеспечивать изготовление следующих типов фотошаблонов: • ФШ с негативным и позитивным изображением рисунка, • ФШ с прямым и зеркальным изображением рисунка. Современное оборудование для изготовления фотошаблонов фотокоординатографы и генераторы изображений - обеспечивают получение прямого и зеркального изображения рисунка в позитивном и негативном вариантах с одного вида управляющей информации за счет внутренних программных устройств. Маркировка фотошаблонов выполняется при вычерчивании на фотокоординатографе или генераторе и содержит децимальный номер ПП и номер слоя в структуре ПП. Маркировка на рабочих фотошаблонах читается со стороны подложки. Зеркальные фотошаблоны могут иметь обозначение нуля координат рисунка слоя - «О». Для изготовления фотооригинала на фотопленке или на фотопластине с позитивным изображением рисунка используют фотокоординатографы и генераторы изображений. Для изготовления фотооригинала с негативным изображением рисунка (негатива) более целесообразным является применение генераторов изображений, т.к. производительность генераторов изображений не зависит от конфигурации топологии и площади, занимаемой элементами рисунка, и, в целом, превосходит производительность оптико-механических координатографов в 8-10 раз. Рабочие фотошаблоны, используемые непосредственно для печати рисунка слоев на резист, изготавливают методом контактной печати с фотооригинала. В настоящее время наибольшее распространение в производстве ПП получили фотошаблоны, изготавливаемые на фотопленках. Для изготовления рабочих фотошаблонов предпочтительнее использовать диазопленки, обладающие более высокой разрешающей способностью и более высокой износостойкостью, чем фотоэмульсионные. Необходимо учитывать, что при копировании рисунка с позитивного фотошаблона на диазопленку формируется позитивное зеркальное изображение рисунка, с негатива получается зеркальный негатив, т.е. ДП формирует тоже изображение, что и на оригинале, но зеркально отображенное. Для совмещения фотошаблона с заготовкой ПП служат базовые отверстия. Пробивка базовых отверстий осуществляется относительно реперных знаков на фотошаблоне на пробивных специальных устройствах. Точность расположения реперных знаков на фотошаблоне и точность изготовления отверстий определяют точность сборки комплекта фотошаблона. В зависимости от сложности ПП, изготавливаемых в производстве, формируются технические требования к фотошаблонам. Общими техническими 64

требованиями для всех классов фотошаблонов, являются: • соответствие рисунка схемы на ФШ проектному заданию, • соответствие геометрических размеров элементов рисунка на ФШ «Техническим требованиям на комплект ФШ» соответствующего типа изделия ПП. Фотошаблоны для производства высокоплотных МПП должны не только отвечать высоким техническим требованиям, но и обладать высокими фотографическими качествами: • Высокая разрешающая способность изображения рисунка топологии и других элементов. Фотошаблон содержит элементы рисунка весьма малых размеров. Минимальная ширина линий на фотошаблоне может быть 100 мкм и менее на фотошаблоне для сверхплотных МПП. Четкость и ровность края такой линии определяется контрастной зоной шириной в 3-5 мкм, что соответствует разрешающей способности 300 лин/мм. • Высокая контрастность изображения, т.е. максимально большая оптическая плотность непрозрачных участков и прозрачность остальных областей. Оптическая плотность Д непрозрачных участков должна быть не менее 3,5. Плотность вуали Д на прозрачных участках должна быть менее 0,1. • Высокая точность соблюдения размеров элементов рисунка, шага расположения элементов и совмещаемость фотошаблонов в комплекте. Эти требования связаны с допуском на электрические и волновые параметры МПП. Точность на размеры элементов и точность по шагу определяется так же необходимостью совмещения фотошаблонов в комплекте. Комплект фотошаблонов для МПП может состоять из 30 и более фотошаблонов. Точность совмещения фотошаблонов, достижимая с применением современного оборудования, для изготовления базовых отверстий составляет величину ±0,05 мм. Точность по шагу - ±0,01 мм. Стабильность размерных характеристик. Фотошаблоны, изготавливаемые на фотопленке, могут менять свои размеры с изменением температуры и влажности окружающей среды. В производстве фотошаблонов должны использоваться фотоматериалы с малоусадочной основой. Таким требованиям в наибольшей степени отвечает основа фотоматериала из полиэстера (лавсана). При повышенных требованиях к точности фотошаблонов используются фотошаблоны, изготовленные на фотопластинах. Выполнение всех технологических операций должно проводиться с соблюдением климатических условий: температура 20±1°С, влажность 55-60%. Устойчивость к истиранию. Эмульсионный фотошаблон теряет свои качества после 15-20 операций контактной печати. Фотошаблоны на диазопленках имеют более высокую, примерно в 2-5 раз, механическую прочность по отношению к эмульсионному фотошаблону. Фотошаблон должен иметь минимальное количество дефектов: царапин, проколов, вырывов на прозрачных участках, пятен, вкраплений в виде темных точек и пузырьков на прозрачных участках. Допускается ретушь дефектов размером менее 0,025 мкм. Схема технологических процессов изготовления фотошаблонов в современном производстве ПП. Выбор оборудования и материалов для изготовления фотошаблонов 65

производится в зависимости от технологии изготовления ПП, стандартизованности и серийности изделий. Однако, при этом полностью сохраняется приемственность всех процессов производства фотошаблонов, как для сложных многослойных печатных плат, так и для простых односторонних и двух сторонних ПП. Из данных, приведенных в Приложении 3 видно, что каждому индивидуальному способу изготовления ПП соответствует комплект определенного типа фотошаблонов. Различаются такие параметры фотошаблонов, как негатив-позитив, зеркальный-прямой. Остаются неизменными топологический рисунок и другая графическая информация на ФШ не зависимо от технологического способа изготовления данной ПП. Маскирующие пленки на основе металлов. Примерно с 60-х. годов в качестве маскирующего покрытая для фотошаблонов применяются металлические пленки. Механическая прочность и химическая стойкость таких покрытий позволила резко увеличить срок службы фотошаблонов и сделала экономически перспективной автоматизацию процессов фотолитографии. Высокая оптическая плотность, свойственная металлам, позволяет применять маскирующие пленки толщиной не более 80-150 нм, что привело к увеличению разрешающей способности рисунка до 1-2 мкм. Малая толщина пленки, меньший, чем у фотоэмульсии, размер зерна, равномерное травление, высокая термическая стабильность и влагостойкость пленок обеспечила повышение резкости краев рисунков, точный контроль размеров. Высокая механическая и химическая стойкость позволила значительно снизить уровень дефектов, вносимых на стадии эксплуатации. Для изготовления металлизированных фотошаблонов в настоящее время в основном используют пленки хрома, т.к. Cr имеет очень высокий коэффициент поглощения в УФ области и обеспечивает получение высокой оптической плотности уже при толщине 45÷80 нм. Кроме того, пленки хорошо травятся, имеют хорошую адгезию к стеклу, механически прочны. Наряду с хромом в качестве маскирующих пленок могут быть использованы пленки из тугоплавких металлов (Mo, Ta, W ). Они обладают большей, чем у Сr термо- и износостойкостью, а по степени травления и адгезии примерно сравнимы с пленками Сr. Несмотря на широкое использование пленки хрома имеют ряд недостатков. Существенным недостатком является очень большой коэффициент отражения пленок Сr и других металлов в УФ и видимой области спектра (70-80%). В результате этого при экспонировании методом контактной печати, когда фотошаблон лицевой стороной, покрытой пленкой Сr , прижат к слою фоторезиста, УФ излучение, прошедшее через прозрачные участки фотошаблона и отраженное от поверхности раздела фоторезист - пластина обратно к пленке Сr, не поглощается ею, а опять отражается в фоторезист под различными углами, и весь процесс отражения повторяется. В результате многократного отражения света в слое фоторезиста могут засвечиваться края формируемых рисунков, которые становятся нерезкими, и таким образом снижается разрешающая способность. На операции совмещения фотошаблона с кремниевой пластиной, когда свет, идущий в глаза оператора, должен отражаться как от фотошаблона, так и от пластины, высокий коэффициент отражения слоя металла в видимой области спектра уменьшает контрастность видимого оператором изображения, что 66

затрудняет процесс совмещения. Фотошаблоны, покрытие слоями блестящего хрома, непригодны для использования в системах автоматического совмещения, т.к. большой коэффициент отражения делает изображение метки совмещения трудно локализуемым. Вторым ограничением хромовых маскирующих покрытий в настоящее время является все еще сравнительно большой уровень дефектности. В однослойных пленках Сr, полученных методом термического испарения в вакууме, вследствие нестабильных условий конденсации и роста пленок часто наблюдается довольно высокая плотность сквозных микропроколов (порядка 2-20 см-2). Проколы, связанные с состоянием подложки, могут быть вызваны следующими причинами: 1. Пылинками, осколками стекла, частицами металлов и абразивов и другими инородными частицами на стеклянной подложке. 2. Неоднородностями состава и дефектами поверхности стекла. 3. Локальными загрязнениями стекла в виде клеевых смол, жироподобных веществ, адсорбированных из органических растворителей или окружающей среды и т.п. Практически бездефектные пленки Сr можно получить, если "залечивать" проколы, возникающие в первом слое хрома, напылением по всей поверхности второго слоя, т.к. вероятность совпадения проколов очень мала. Однако, в этом случае возрастает толщина слоя (до 150-300 нм) и на границе раздела возникает переходный слой, ухудшающий характеристики травления и воспроизводимость свойств пленки по всей поверхности. В результате этого разрешающая способность пленок ухудшается до 2-3 мкм. Третьим недостатком как эмульсионных так и хромовых маскирующих покрытий является их непрозрачность в видимом диапазоне спектра, вследствие чего в случае использования темнопольных фотошаблонов невозможно визуальное наблюдение элементов структуры на пластине. Это значительно затрудняет непосредственное совмещение фотошаблона с рисунком на пластине. Между тем за последние года в электронной промышленности значительно расширилось применение позитивных фоторезистов, требующих применения именно темнопольных фотошаблонов. Это ограничение непрозрачных маскирующих покрытий можно уменьшить, если использовать материалы с характеристикой пропускания, близкой к характеристике, показанной на рисунке 6. Такие маскирующие покрытия называют полупрозрачными или транспарентными. Основным требованием к транспарентным покрытиям является почти полное поглощение света в области спектра ниже 436 нм (желательно пропускание менее 1%) и значительное пропускание в той области спектра, в которой можно визуально проводить операцию совмещения (например, пропускание порядка прозрачных, 30% на длине волны 589 нм). Для изготовления таких шаблонов в основном используются пленки на основе диэлектрических слоев окислов металлов, взаимодействие которых с квантами света имеют ярко выраженный резонансный характер. Учитывая это, можно подобрать окислы с такими входящими в их состав ионами, которые бы сильно поглощали в области чувствительности фоторезистов (320-436 нм) и имели бы слабое взаимодействие со светом видимого диапазона длин волн. Наиболее широко в настоящее время используют пленки Fe2O3; 67

перспективными остаются пленка окиси хрома, кремния, ванадия, нитрида тантала. В связи с тем, что концентрация активных ионов в окисле всегда меньше, чем в чистом металле, пленки окислов металлов имеют коэффициент поглощения всегда меньший, чем пленки чистого металла. Поэтому окисные пленки для получения заданной оптической плотности нужно делать более толстыми. Зависимость оптической плотности от толщины для пленки Fe2Оз показана на рисунке 7. 4

Оптическая плотность

4

3

3

2

2

1

1

300

400

500

Оптическая плотность

60

λ, нм

Рис.6. Идеальная характеристика пропускания для полупрозрачных маскирующих пленок

120

180

240

300

d, нм

Рис.7. Оптическая плотность пленок Fe2O3 на длине волны 420 нм

Несмотря на относительно большую толщину пленок окислов по сравнению с толщиной однослойных пленок Сr и Мо (180-300 нм по сравнению с 80-120 нм) на пленках окислов можно воспроизводимо получать структуры с минимальными размерами 1-1,5 мкм. Повышению разрешающей способности пленок окислов металлов способствуют такие их свойства, как лучшая, чем у металлических пленок адгезия к слою фоторезиста и к стеклу и низкий коэффициент отражения в УФ области спектра. Оптическую плотность пленок окислов можно в определенной степени контролировать, изменяя условия осаждения пленки (температуру подложки, состав газовой смеси) или применяя термообработку полученных пленок. Например, в пленках Fe2Q3 , полученных катодным распылением в смеси CO–СO2, при понижении температуры подложки, повышается растворимость пленок и, следовательно, улучшается разрешающая способность, но при этом край характеристики слишком сдвигается в коротковолновую область спектра, и пленка начинает пропускать актиничное излучение. Напротив, при повышении температуры подложки при осаждении пропускание уменьшается, и поэтому можно применять пленку меньшего размера. Так, для получения пропускания порядка 1% и менее при температуре подложки 100ºС ее толщина может быть уменьшена до 160 нм. Аналогичного эффекта увеличения оптической плотности можно добиться, подвергая термообработке готовый фотошаблон из Fe2O3 Основным методом, позволяющим получать как пленки из металлов, так и оксидные пленки, является метод ионно-плазменного распыления. Получение пленок методом ионно-плазменного распыления Метод катодного распыления имеет четыре разновидности: 1. Катодное распыление (диодная система). 2. Ионно-плазменное распыление (триодная система). 68

3. Катодное распыление с применением распылителя магнетронного типа. 4. Катодное реактивное распыление. Методы катодного распыления в общем имеют ряд преимуществ перед термическим испарением в глубоком вакууме. Все системы обеспечивают применение массивных и однородных по химическому составу мишеней; имеется возможность управления распылением с помощью изменения величины ионного тока и напряжения на мишени и поддержание этих параметров постоянными, в результате чего пленки получаются со стабильными и воспроизводимыми характеристиками. Кроме того, обеспечивается лучшая, чем при методе термического испарения, адгезия пленки к подложке. Сущность метода катодного распыления состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов с поверхностью мишени, вследствие чего поверхностные атомы мишени распыляются в окружающее пространство. Наряду с видимой простотой, катодное распыление является весьма сложным процессом, поскольку сопровождается одновременно многочисленными физическими и химическими явлениями как на поверхности распыляемой мишени и на поверхности подложки, так и в пространстве мишень-подложка. Эти процессы взаимосвязаны, и изменение тех или иных условий проведения распыления существенно влияет на свойство полученной пленки. Простейшей системой катодного распыления является диодная система, в которой тлеющий разряд поддерживается за счет ионно-электронной эмиссии. Основным преимуществом этой системы является простота и возможность создания равномерной плотности плазмы в большом объеме прикатодного пространства, что позволяет получить равномерные покрытия на большой площади. Недостатком метода является узкий диапазон рабочих давлений, определяемых условием возникновения и поддержания тлеющего разряда Чистота катодно осажденных пленок тем выше, чем ниже парциальное давление активных газов в камере распыления и чем выше скорость осаждения. Скорость формирования пленки находится в зависимости от давления в камере Р, плотности тока на мишень Jм и ускоряющего потенциала Uм. Поэтому для достижения больших скоростей осаждения необходимо снизить давление в камере с тем, чтобы свободный пробег атомарных частиц был больше расстояния мишень -подложка и повысить плотность ионного тока на распыляемую мишень для увеличения плотности атомарного потока. Эти условия можно выполнить в том случае, когда горение разряда будет поддерживаться дополнительным источником электронов. Триодная система или система ионно - плазменного распыления состоит из трех независимо управляемых электродов (рис.8.): источников электронов (1), анода (2) и мишени (3). В качестве источника электронов используется вольфрамовый термокатод. Мишенью служит распыляемый материал Между катодом и анодом прикладывается напряжение (100-200 В). Затем в рабочую камеру напускается рабочий газ и возбуждается разряд. Пока мишень находится под потенциалом плазмы, направленной бомбардировки ее поверхности не происходит.

69

Рис.8. Схема трехэлектродной системы распыления: 1 – термокатод; 2 – анод; 3 – мишень (третий электрод). Тем не менее возникающие в разряде ионы с низкой энергией при своем хаотическом движении могут бомбардировать и мишень, и подложку. При этом удаляются загрязнения, которые остались после предварительной химической обработки. Когда на мишень подается отрицательный потенциал (до 4000 В), положительные ионы бомбардируют ее поверхность с энергией, достаточной для распыления. Скорость распыления регулируется изменением тока эмиссии термокатода, давлением и напряжением на мишени. При постоянной плотности плазмы скорость распыления регулируется только напряжением на мишени и может изменяться в широких пределах. С одной стороны, это обеспечивает широкий диапазон варьирования скоростей напыления, а с другой - может обусловить невоспроизводимость процесса образования пленок. В связи с этим целесообразным является такой режим работы системы распыления, когда регулирование скорости осуществляется одним параметром. Таким образом, можно указать на следующие преимущества триодной системы распыления по сравнению с диодной: 1. Достигаются более высокие скорости осаждения, 2. Уменьшается пористость и повышается чистота пленок. 3. Осуществляется более гибкое управление процессом осаждения. 4. Полученные пленки обладают лучшей адгезией к подложке. Если проводить распыление мишени в атмосфере, содержащей активный газ (O2, N2, CO2 и т.д.) как добавку к инертному газу, то процесс распыления сопровождается химическими реакциями. На подложке образуется пленка нелетучего химического соединения. Это так называемое реактивное распыление. Стехиометрический состав и свойства пленок можно регулировать в широких пределах путем изменения парциального давления активного газа. В процессе реактивного распыления имеется три возможных механизма образования химических соединений: 1. Первоначальное образование химического соединения на поверхности катода вследствие бомбардировки его атомами и ионами газа с последующим распылением этого соединения в молекулярной форме; 2. Захват активного газа во время движения распыленных частиц мишени к подложке за счет столкновений между газовыми молекулами и распыленными частицами; 3. Адсорбция молекул активного газа на подложке в процессе конденсации 70

пленки. Все три механизма могут проявляться одновременно. Описание лабораторного макета Вариант 1. Для выполнения лабораторного задания предоставляются образцы фотошаблонов, помещенные в пластмассовые кассеты. Образцы фотошаблонов выполнены на фотоэмульсионных пленках и диазопленках и представляют собой образцы рабочих ФШ, предназначенные для получения рисунка на фоторезисте. Зеркальные ФШ в образцах отмечены индексом «О». Все фотошаблоны пронумерованы от 1 до 12. Вариант 2. Экспериментальная установка, изображенная на рис.9, позволяет получить металлические и диэлектрические пленки методом ионно-плазменного распыления. Рабочая камера (9) имеет форму цилиндра и выполнена из нержавеющей стали. Сверху она закрывается стеклянным колпаком (6) с резиновым уплотнением (8). В боковой камере (11) расположен вольфрамовый термокатод (10), который разогревается пропусканием по нему тока до температуры 2800°С, которой достаточно для требуемой эмиссии электронов. Полый цилиндрический анод (3) изготовлен из нержавеющей стали. Катодные выводы (12) и анод имеют водяное охлаждение, необходимое для предохранения от перегрева. Мишенью служат распыляемый материал (2). Она расположена в нижней части рабочей камеры. Диаметр мишени равен 50 мм. С нерабочей стороны она закрыта экраном (1), имеющим нулевой потенциал. Расстояние между мишенью и экраном везде меньше длины темного катодного пространства Это необходимое условие для того, чтобы между экраном и мишенью не горел разряд. Устройство для крепления подложек состоит из диска (7), на котором располагается несколько подложек. Диск приводится во вращение электромотором (5). Это позволяет последовательно получать пленки на всех подложках в едином цикле без разгерметизации вакуумной камеры. Расстояние между мишенью и подложками составляет 90 мм. Напуск рабочего газа в систему осуществляется через штуцер (13), а напуск атмосферы для разгерметизации камеры - вентилем (14). На рис. 9 отдельно показана вакуумная схема установки трех электродного реактивного распыления мишеней. Вакуумная схема установки позволяет более детально рассмотреть последовательность операций работы на данной установке. На схеме показаны рабочая камера (1), система откачки и напуска рабочего газа (откачка осуществляется форвакуумным насосом (4) типа 3НВР-1Д, и диффузионным насосом (7) типа Tungsram). Напуск плазмообразующего газа осуществляется и регулируется с помощью игольчатого натекателя (2) типа НК-2Р. Давление в системе измеряется вакууметром ВИТ-2 с датчиком ПМТ-2 (10). Ручки управления вакуумными коммуникациями "Затвор диффузионного насоса" (8), "Байпас" (6), "Напуск воздуха в насос" (3) и "Форвакуум" (5) выведены на переднюю стенку каркаса.

71

Рис.9. Схема экспериментальной установки: 1 – защитный экран; 2 – мишень (распыляемый материал); 3 – анод; 4 – внешняя защитная сетка; 5 - эл. двигатель; 6 – стеклянный колпак; 7 – диск (держатель подложек); 8 – резиновый уплотнитель; 9 – рабочая камера; 10 – вольфрамовый термокатод; 11 – боковая камера; 12 – выводы катода; 13 – напуск газа; 14 – напуск атмосферы.

Рис.10. Вакуумная схема установки реактивного распыления: 1- рабочая камера; 2 – натекатель (напуск рабочего газа); 3 – напуск воздуха в насос; 4 – форвакуумный насос; 5 – форвакуум; 6 – байпас; 7 – диффузионный насос; 8 – затвор диффузионного насоса; 9 – напуск воздуха в рабочую камеру (разгерметизация); 10 – вакуумметр.

1 2 9 6

3

10 8 4 7 5

На рис. 4 далее приведено расположение органов управления установкой реактивного распыления, выведенные на переднюю панель.

72

8

9

7 10

6 5

11 4

3 2 1 19

18

17

16

15

14 13

12

Рис. 11. Внешний вид управляющего блока установки: 1-кнопка отключения форвакуумного насоса; 2-кнопка включения форвакуумного насоса; 3-индикатор включения форвакуумного насоса; 4-тумблер "Накал катода"; 5-индикатор включения накала катода; 6-индикатор "Затвор диф. насоса открыт"; 7-индикатор "Затвор диф. насоса закрыт"; 8-прибор "Ток мишени"; 9-прибор "Напряжение на мишени"; 10-прибор "Ток разряда"; 11-прибор "Напряжение разряда"; 12-тумблер "Разряд"; 13-ручка "Регулировка тока разряда"; 14-индикатор включения разряда; 15-тумблер "Мишень"; 16-ручка "Регулировка тока мишени"; 17-индикатор включения мишени. Требования к отчету Отчет должен содержать: 1. Титульный лист. 2. Цель работы. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Результаты выполнения заданий, сведенные в таблицы. 5. Выводы по работе. Лабораторное задание Домашняя работа: 1. Ознакомится с описанием лабораторной работы. 2. Выполнить пункты 1-3 требований к отчету. 3. Изучить теоретические сведения. 4. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы. Вариант 1: 5. Подготовить по одному экземпляру формы таблиц 1-6. Форма таблицы 1 № обр. ФШ

Вид изображения на ФШ наружн. слой

внутрен. слой

Тип образца ФШ

резистзащита

негатив

1. … 12. 73

позитив

Прямой

3еркальный

Форма таблицы 2 Фотошаблоны для изготовления слоев в ПП негативным методом. Вид № изображения на ФШ негатив 1. Рисунок верхнего наружного слоя Рисунок 2. внутреннего слоя 3. Рисунок слоя резист защиты

Тип образца ФШ позитив

прямой

Шифр на образце ФШ зеркальный

Форма таблицы 3 Фотошаблоны для изготовления слоев ПП позитивным методом Вид № изображения на ФШ негатив 1. Рисунок верхнего наружного слоя Рисунок 2. внутреннего слоя ПП

Тип образца ФШ позитив

прямой

Шифр на образце ФШ зеркальный

Форма таблицы 4 Фотошаблоны для изготовления слоев ПП методом ПАФОС Вид № изображения на негатив ФШ Рисунок 1. внутреннего слоя ПП

Тип образца ФШ позитив

прямой

Шифр на образце ФШ зеркальный

Форма таблицы 5 Фотошаблоны для изготовления слоев ПП тентинг-методом Вид № изображения на негатив ФШ 1. Рисунок верхнего наружного слоя ПП

Тип образца ФШ позитив

прямой

Шифр на образце ФШ зеркальный

Форма таблицы 6 №

Диаметр КП, Д мм

Диаметр КП, d мм

Ширина проводника, Н мм

1. 2. 3. 4.

74

Зазор между КП и проводником, h мм

Вариант 2: 5. Ознакомится с порядком выполнения работы по реактивному распылению металлов. Работа в лаборатории: Вариант 1: Лабораторное задание состоит из трех пунктов и выполняется в следующем порядке: 1. Визуальное изучение образцов фотошаблонов. Идентификация образцов фотошаблонов по типу изображения и виду рисунка топологии. 2. Определение и выбор образцов фотошаблонов для аддитивного, позитивного, ПАФОС и тентинг методов производства слоев ПП. 3. Изучение характерных топологических элементов рисунка, присущих наружным и внутренним слоям ПП. Измерение геометрических параметров рисунка на различных типах фотошаблонов. Вариант 2: 1. 1. В качестве мишени использовать диск из Fe, Ni. Си, Mo, V (по заданию преподавателя). 2. Получить зависимость скорости осаждения пленки (Voc) или толщины (d) при следующих условиях: • d=f(t) при Uм=const, Ip=const, P=const; • Vос=f(Uм) при Ip=const, P=const, t=const; • Voc=f(Ip) при Uм=const, P=const, t=const. (t – время; Uм – напряжение намишени; Ip – ток разряда; P – давление в рабочей камере). • Результаты оформить в виде графика. Параметры процесса распыления должны задаваться преподавателем и находиться в следующих пределах: время распыления t - 1÷20 мин; ток разряда Iр - 200÷600 мА; напряжение мишени Uм - 800÷3200 В; давление газа Р - 70÷90 делений по шкале вакуумметра (в отчете давление привести в единицах Си). Плазмообразующий газ - аргон с содержанием кислорода 5-20% по заданию преподавателя. Смесь готовится заранее и выдается преподавателем. Порядок выполнения работы Вариант 1: 1. В процессе визуального изучения образцов ФШ определить следующие индивидуальные признаки ФШ: • Изображение рисунка какого слоя выполнено на образце ФШ. • В позитивном или негативном изображении выполнен рисунок на образце ФШ. По маркировке на образце фотошаблона определяется ориентация рисунка относительно координат. Зеркальный слой маркируется индексом «О». По окончании изучения образцов и определения вида изображения и типа ФШ данные о фотошаблонах занести в таблицу 1. 2. Определить необходимые типы фотошаблонов для изготовления слоев МПП известными технологическими методами негативным, позитивным, ПАФОС, тентинг и производится выбор адекватных ФШ из двенадцати, представленных в образцах ФШ. Данные о выбранных образцах ФШ занести в таблицы, 75

выполненные по форме 2-5. Для выполнения данного пункта задания изучите Приложение 3. 3. Возьмите образцы ФШ с рисунком наружного слоя, выполненные в позитивном и негативном вариантах и образцы внутренних слоев на фотоэмульсионной пленке и на диазопленке, выполненные в позитивном варианте. • На ФШ наружных слоев проведите измерения диаметров D контактных площадок, соответствующих КП под сквозное сверление в слоях ПП. • На ФШ внутренних слоев проведите измерения диаметров d контактных площадок, соответствующих КП внутренних переходов в слоях ПП, и измерьте ширину линий Н, изображение которых соответствует проводникам на слоях ПП. Проведите измерение зазора h, между контактной площадкой (ее наружной части) и линией (проводником). Запишите результаты измерений в таблицу 6. Вариант 2: Внимание! Работать на установке, строго выполняя все пункты инструкции. Получить стеклянные подложки, обработать их, используя известные вам методы очистки и приступить к работе на установке. Исходное положение вентилей кранов и тумблеров установки: Вентили "Байпас", "Форвакуум", "Затвор диф. насоса" - закрыты. Вентиль "Напуск воздуха в насос" - открыт. Все тумблеры выключены, ручки "Регулировка тока разряда" и "Регулировка тока мишени" - в крайнем левом положении (соответствует выключенному состоянию). Натекатель и кран "Напуск воздуха в систему" - закрыты. В выключенном состоянии установка разгерметизирована, поэтому можно беспрепятственно снять защитную сетку с колпака, сам колпак и установить на держателе подложки. Подложки должны быть чистыми. Избегайте прикосновений к плоскости подложки руками во избежание их загрязнений. Порядок включения установки: 1. Закрыть вентиль "Напуск воздуха в насос". 2. Открыть воду (средний кран на стене). Высота «фонтанчика» должна быть до отметки на стеклянной колбе. 3. Включить форвакуумный насос нажатием верхней кнопки "Форвакуумный насос". При этом загорается зеленый индикатор над кнопкой и белый индикатор "Затвор диф. насоса закрыт". 4. Открыть вентили "Форвакуумный насос" и "Байпас". 5. Открыть вентиль "Затвор диф. насоса" вращением его против часовой стрелки. При этом загорается красный индикатор "Затвор диф. насоса открыт". 6. Закрыть вентиль "Байпас". 7. Когда давление в системе достигнет 10-1 мм.рт.ст. или 12 делений по шкале вакууметра, включить тумблер "Диффузионный насос". При этом загорается зеленый индикатор. 8. Откачать систему до предельного вакуума (примерно, 10-4 мм.рт.ст – при этом стрелка вакуумметра отклонится в крайнее правое положение ). 9. С помощью натекателя установить требуемое давление рабочего газа. 10. Включить тумблер "Накал катода". При этом загорается зеленый индикатор. За счет газовыделений с катода величина вакуума может ухудшиться. После 76

обезгаживания катода давление в системе должно восстановиться. 11. Включить тумблер "Разряд". Загорается зеленый индикатор. 12. Поворачивая ручку "Регулировка тока разряда" установить требуемый ток. В момент зажигания разряда значение вакуума за счет газовыделений со стенок системы может ухудшиться. Если показания вакуумметра при этом упадут ниже 40 делений - немедленно выключить тумблеры "Разряд" и "Накал катода". В штатном режиме через несколько минут после зажигания разряда давление в системе должно установиться до первоначального значения. 13. Включить тумблер "Мишень", при этом загорается зеленый индикатор. 14. Плавно поворачивая ручку "Регулировка тока мишени" по часовой стрелке, установить нужное напряжение на мишени. С этого момента начинается процесс распыления мишени и осаждения пленки на подложке. Во время распыления необходимо постоянно следить за показаниями приборов При зашкаливании стрелок приборов "Ток разряда" или "Ток мишени" немедленно выключить тумблеры "Разряд" и "Мишень". 15. После получения пленки нужной толщины напряжение на мишени уменьшить до нуля, выключить тумблер "Мишень", ручку "Регулировка тока разряда" вывернуть против часовой стрелки до упора. Тумблер "Разряд" – выключить. Тумблер "Накал катода" - выключить. 16. Закрыть натекатель (до упора). 17. Через 10-15 мин закрыть "Затвор диф. насоса" 18. Открыть кран "Напуск воздуха в систему". 19. Снять колпак и установить его на специальном держателе. Извлечь из держателя подложки с пленкой. 20. В случае необходимости повторного напыления пленок поместить в держатель новые подложки и выполнить пункты 21 и 22. 21. Закрыть кран "Напуск воздуха в систему", закрыть камеру колпаком, Закрыть вентиль "Форвакуум". 22. Открыть вентиль "Байпас" и произвести откачку системы. Когда давление в системе будет 10-1 мм.рт.ст. закрыть вентиль "Байпас", открыть вентили "Форвакуум" и "Затвор диф. насоса" Далее проделать последовательность пунктов с 8-го по 19-й. Порядок выключения установки: После пункта 19 выполнить следующие действия: 23. Поставить колпак на систему (в прежнее положение). 24. Выключить тумблер “Диф. насос". 25. Через 30 мин закрыть вентиль "Форвакуум" и выключить форкуумный насос нажатием нижней кнопки "Форвакуумный насос". 26. Открыть вентиль "Напуск воздуха в насос". При этом будет напущен воздух в форвакуумный насос. 27. Закрыть воду, обесточить стенд. 28. Далее в зависимости от задания преподавателя оценить качество (визуально) полученной пленки, отметить возможные причины брака или определить толщину пленки (см. описание к лабораторной работе 6). Контрольные вопросы 1. Поясните назначение фотошаблонов в производстве ПП? 2. Перечислите общие требования к фотошаблонам? 77

3. Назовите основные способы проектирования фотошаблонов? 4. Назовите основные свойства, которым должен отвечать фотошаблон, применяемый для изготовления прецизионных высокоплотных печатных плат? 5. Назовите основные параметры ФШ, которые должны контролироваться при их изготовлении? 6. Запишите схему типового технологического процесса изготовления фотошаблонов в производстве ПП? 7. Перечислите основные функции оборудования, входящего в состав производственного участка фотошаблонов? 8. Объясните принцип работы фотокоординатографа? 9. Объясните принцип работы лазерного генератора изображения? 10. Запишите последовательность и функциональное назначение операции фотохимической обработки? 11. Назовите основные фотографические параметры, характеризующие фотоматериалы? 12. Назовите типы фотоматериалов, которые используются для изготовления ФШ? 13. Объясните значение цифровых и буквенных индексов в маркировке фототехнических материалов? 14. Какие типы фотошаблонов используются при изготовлении слоев ПП? 15. В каком цвете изображается рисунок топологии ПП на позитивном и негативном фотошаблонах? 16. Какой должна быть оптическая плотность на прозрачных и темных участках фотошаблона? 17. Почему при печати рисунка с ФШ на резист нужно использовать фотошаблоны с зеркальным изображением рисунка на нем? 18. Какой тип изображения рисунка на ФШ требуется для печати слоев ПП, изготавливаемых негативным методом? 19. Какой тип изображения рисунка на ФШ, требуется для печати слоев ПП, изготавливаемых позитивным методом? 20. Какой тип изображения рисунка на ФШ требуется для печати слоев ПП, изготавливаемых методом ПАФОС? 21. Дайте определение оптической плотности? 22. Дайте определение понятия светочувствительности фотоматериалов? 23. Дайте определение контрастности фотографического изображения? 24. Дайте определение разрешающей способности фотоматериала? 25. В чем состоит отличие диазотипных материалов (диазопленок) от фотоэмульсионных? 26. Перечислить основные преимущества и недостатки пленок из чистых металлов в качестве маскирующих покрытий. 27. Указать сущность метода ионно-плазменного распыления 28. Зарисовать принципиальную и вакуумную схемы экспериментальной установки.

78

Лабораторная работа 5

Конструкция и технология поверхностного монтажа компонентов Цель работы 1. Изучить специфику компонентов поверхностного монтажа (ПМ) и конструктивные требования к печатным платам (ПП) применяемым при ПМ. 2. Изучить основные технологические схемы изготовления узлов ПМ. 3. Изучить различные технологические операции ПМ. Теоретические сведения Технология поверхностного монтажа (ТМП) появилась как альтернатива монтажу корпусов типа DIP (dual-in-line), при которой выводы микросхем и других компонентов монтируются в сквозные металлизированные отверстия печатной платы (ПП). ТМП объединила в себе преимущества, как технологии монтажа в отверстия, так и технологии монтажа гибридных схем (ГС), а точнее перенесла конструктивно-технологические принципы монтажа ГС на технику изготовления узлов на ПП, используя большой размер стеклополимерных и других ПП, корпусированные и предварительно аттестованные компоненты, двухсторонний монтаж и присоединение к контактным площадкам (КП) на поверхности коммутационной платы ГС. Использование ТМП дало массу преимуществ при электронном конструировании узлов на ПП, в первую очередь связанных с миниатюризацией и увеличением функциональной плотности. Это обусловило бурное развитие ТМП, начиная с 60-х годов, когда она начала применяться в специальных устройствах военной и аэрокосмической техники. В конце 70-х начале 80-х в результате этого бурного развития окончательно сложилась инфрастуктура, позволяющая характеризовать поверхностный монтаж, как конструктивно-технологическое направление, которое, кроме миниатюризации, позволяет реализовать технологический процесс с весьма низкой трудоемкостью и высокой степенью автоматизации. В настоящее время ТПМ используется при производстве всех типов электронных узлов, начиная от простейших товаров народного потребления, до сложнейшей техники профессиональной и промышленной электроники, а также специальной военной аппаратуры повышенной степени надежности. Рассмотрим подробнее преимущества ТПМ: 1. Уменьшение размера и веса узлов на ПП; • компоненты, даже корпусированные, значительно меньше по занимаемой площади, так как при монтаже на КП расположенные на поверхности ПП, появляется возможность использовать компоненты с шагом выводов 1,25; 0,625; 0,5 мм (сравните - шаг выводов DIP-кopпycoв-2,5 мм); • размер (диаметр) сквозных отверстий ПП может быть уменьшен до 0,5 - 0,3 мм, поскольку нет необходимости монтировать в них выводы компонентов, что позволяет про водить 2 и более проводников между сквозными отверстиями и существенно повышает трассировочную способность ПП и надежность межслойных переходов; • становиться возможным двухстороннее расположение компонентов; • общее уменьшение габаритов ПП может достигать 70% ,а сокращение стоимости 10%;при постоянных размерах ПП возможно обойтись меньшим числом 79

слоев, плат, соедини тельных элементов (разъемов, кабелей, жгутов), что в свою очередь повышает надежность системы, снижает ее стоимость. 2. Улучшение потребительских (тактико-технических) характеристик узлов; • уменьшение длины сигнальных проводников и выводов компонентов приводит к снижению паразитных индуктивностей и емкостей, увеличению надежности работы приборов вследствие уменьшения наводок и перекрестных помех; • повышается устойчивость к механическим воздействиям (ударам и вибрациям). 3. Автоматизация сборочных процессов; • высокая производительность сборки; • высокий процент выхода годных, как результат упрощения процесса размещения; использования групповых процессов пайки оплавлением; эффективной возможности контроля и управления технологическими процессами. 4. Экономия стоимости оборудования и площадей; • за счет уменьшения числа установок и площадей цехов и участков. Конструктивным признаком узла ПМ является только факт присоединения вывода компонента на контактную площадку, расположенную на поверхности коммутационной платы. Существующие в отечественном техническом жаргоне многообразие терминов: плоский монтаж, ленточный монтаж и т.д. отражает лишь различные конструктивные модификации узлов поверхностного монтажа, с точки зрения технологии, реализуемые через идентичные по сути процессы. Указанные выше преимущества ТПМ, в полной мере могут быть реализованы только при понимании ТПМ, как конструктивно-технологического направления, т.е. комплексном подходе, заключающимся в совокупном выполнении нескольких условий: 1. Необходимость увязки вопросов технологичности на этапах конструкторского проектирования изделия, и четкой реализации при проектировании рекомендаций номативно-технических документов с учетом конкретного технологического маршрута и конкретных используемых технологических материалов. Указанные факторы требуют определенного уровня знания и квалификации, как от разработчика аппаратуры, так и от разработчика технологического процесса изготовления этой аппаратуры. 2. Наличие и организация поставки компонентов в соответствующей упаковке и отвечающих требованиям автоматизации сборочных процессов. 3. Наличие специальных технологических материалов припойных паст; • адгезивов (клеев) ПМ; • материалов для трафаретной печати (сеток, материалов масок, спецклеев, красок, и т.п.); • рабочих жидкостей для конденсационной пайки; • материалов паяльной маски; • отмывочных сред. 4. Освоение специальных технологических процессов, присущих ТПМ: • нанесение припойной пасты (доз припоя); • автоматическая комплектация и размещение компонентов; • групповая пайка оплавлением (в ИК лучах, паровой фазе, в конвекционных печах); 80

модифицированная пайка волной припоя; импульсная групповая пайка выводов компонентов; автоматический контроль топологической правильности монтажа; контроль качества паяных соединений. Часть операций характерны только для техпроцессов ПМ высокого уровня, применяемых при изготовлении сложных узлов с повышенными требованиями по надежности и функциональности. 5. Наличие оборудования, позволяющего реализовать новые технологические процессы с высоким качеством воспроизводимости режимов и высокой производительностью. Отсутствие или неполная реализация какого-либо из условий приводит к резкому снижению эффекта от использования ТПМ, в первую очередь экономического. Естественное внедрение ТПМ в реальные конструкции происходит по пути создания промежуточных вариантов, содержащих как компоненты поверхностного монтажа, так и монтируемые в отверстия. Это невыгодно с точки зрения теории ТПМ, но обусловлено реальной практикой и связано, как правило, с ограниченной номенклатурой типономиналов поверхностно монтируемых компонентов. Типовые конструктивные узлы ТПМ В связи с большим разнообразием и многовариантностью смешанных конструкций ПМ все их, с достаточной степенью условности, можно разделить на шесть конструктивных типов. ТИП ПМ-А. - чистый поверхностный монтаж, когда на обеих сторонах платы присутствуют простые компоненты ПМ: Поверхностный монтаж, А • • • •

Особенности • Простые компоненты ПМ (CHIP, MELF) на обеих сторонах платы. Вариант с пайкой волной является дешевым и производительным и наиболее часто используется для монтажа узлов такого типа. При этом необходимо использование адгезива для удержания компонентов на своих посадочных местах в момент воздействия волны припоя. ТИП ПМ-Б. - чистый поверхностный монтаж, когда на обеих сторонах платы расположены простые компоненты и компоненты средней сложности Поверхностный монтаж, Б

81

Особенности • Простые и средней сложности компоненты ПМ на 2-х сторонах ПП. • Компоненты ПМ средней сложности, расположенные на нижней стороне, требуют обязательной приклейки. Для монтажа узлов такого типа предпочтительно использование трафаретной печати и ИК пайки, при этом возникает проблема удержания компонентов на нижней стороне при прохождении их через ИК печь в момент расплавления припоя. Существует два способа решения этой технологической задачи. Первый - использование адгезива аналогично варианту с пайкой волной, второй - использование разнотемпературных припойных паст (например паст содержащих припой с температурой 189°С – ПОС-61 и 150°С - на основе висмута). При использовании разнотемпературных припойных паст монтаж производят в два этапа. Сначала монтируется одна сторона на высокотемпературную пасту, потом другая на низкотемпературную при соответственно более низком режиме ИК печи. Первый способ технологически более прост, но может вызывать затруднения при демонтаже компонентов например, при ремонте. Второй способ требует удлиненного и усложненного технологического цикла, а также либо 2-х ИК печей, либо постоянной переналадки одной печи, последнее может быть неудобно, особенно при массовом производстве. Для этого конструктивного типа возможно использование волны припоя, однако требуется специальная волна, очень тонкая настройка технологических режимов и введение специальных элементов рисунка на платах. ТИП ПМ-В - Чистый поверхностный монтаж, когда на обеих сторонах платы находятся компоненты повышенной сложности. Поверхностный монтаж, В

Особенности • На обеих сторонах платы компоненты повышенной сложности QFP, TAB, mini-pack (шаг 0,625мм и менее). В отличие от техпроцесса по варианту ПМ-Б необходимо либо использование специальной припойной пасты «fine-pitch», либо введение дополнительной операции - импульсной групповой пайки выводов. ТИП СМ-А - смешанный монтаж, когда компоненты ПМ расположены с одной стороны ПП, а корпуса компонентов, монтируемых в отверстия, - с противоположной стороны. Смешанный монтаж, А

82

Особенности • ПМ компоненты на нижней стороне ПП. • Невозможна обрезка. • Обязательна приклейка компонентов ПМ. • Используются только простые ПМ. (СHIP, MELF,SOT) • Специальная волна. Это наиболее распространенный вариант позволяющий реализовать узлы с любым соотношением компонентов, монтируемых на поверхность и в отверстия. Используется, в частности, в большинстве бытовых персональных компьютерах. Рассчитан на использование пайки волной припоя и, в связи с этим, с одной стороны очень дешев и производителен, но с другой стороны имеет ограничения по используемым компонентам ПМ (возможно использование только chipкомпонентов). ТИП СМ-Б - смешанный монтаж, когда компоненты ПМ малой и средней сложности расположенных с двух сторон ПП, а корпуса компонентов, монтируемых в отверстия, - с одной стороны ПП. Смешанный монтаж, Б

Особенности • На верхней стороне ПП компоненты ПМ простые и средней сложности (CHIP, MELF, SOT, SOIC, PLCC) • Необходимы: технология трафаретной печати припойной пасты и этап пайки оплавлением (ИК или другая). Данный конструктивный тип является наиболее универсальным и ему соответствует наибольшая часть конструктивов ПМ. ТИП CM-В - Смешанный монтаж, когда компоненты ПМ в том числе и высокой сложности расположены с 2-х сторон, а компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны. Смешанный монтаж, В

Особенности • На верхней и нижней стороне ПП ПМ ЭРЭ повышенной сложности (QFP, TAB, mini-pack) • Необходима технология импульсной пайки или pick-and-place с машинным зрением. • Из традиционных компонентов остаются DIP, SIP, разъемы, нестандартные компоненты. • Типовой представитель - адаптерные и материнские платы ПЭВМ и рабочих 83

станций. Имеет те же особенности по сравнению с СМ-Б, что и ПМ-В по сравнению с ПМ-Б. Однако если компоненты ПМ высокой сложности расположены на стороне противоположной корпусам компонентов монтируемых в отверстия, то их монтаж возможен только с помощью импульсной групповой пайки. В принципе практически любой конструктивный узел может быть, приведен под любую из описанных конструктивно-технологических схем путем исключения из рассмотрения при проектировании техпроцесса части элементов и монтажа их вторым этапом вручную. Процесс формирования технологического маршрута в практических условиях сводится к выбору одной из описанных схем, приведению к ней реального конструктивного узла и выбора конкретных операций с учетом имеющихся материалов и оборудования, при этом критериями оптимизации данного процесса являются производительность, качество, минимизация материальных и энергетических затрат. Основные конструктивные составляющие (компоненты) узла ПМ и требования к ним. 1. Печатные платы. Особенности ТПМ накладывают ряд конструктивных требований, которые должны быть реализованы при проектировании ПП, что является основой для наиболее эффективного использования преимуществ этой технологии. Результатом хорошего проектирования рисунка ПП (речь идет в первую очередь о рисунке наружных слоев) служит получение максимально возможной плотности расположения компонентов. В то, же время необходимо оптимально располагать проводники с тем, чтобы получить максимальный выход годных при изготовлении ПП, избегая большого числа заужения проводников, близких к пределу разрешения технологии и узких зазоров, близких к минимально допустимым. Набор фотошаблонов (ФШ) для обеспечения всех операций ПМ состоит из 4-х штук для каждой стороны платы: • ФШ рисунка металла наружного слоя. • ФШ рисунка паяльной маски. • ФШ рисунка слоя маркировки. • ФШ трафарета нанесения паяльной пасты. Размеры элементов рисунка на каждом из ФШ должны правильно соотноситься друг с другом. Рекомендуемая геометрия элементов монтажных слоев • проводники ширина/зазор- 0,2 /0,2 мм минимум; • размер КП под вывод микросхем: • для шага 1,25мм (50 mil, где 1 mil = 1/1000 дюйма) - (0,7±0,1)х(1,75±0,1) мм, для шага 0,625мм (25 mil)- (0,35±0,05)x(1,2±0,1) мм, • для шага 0,5 мм (20 mil) - (0,25±0,05)x(1,2±0,1) мм, • диаметр сквозных отверстий - 0,3 - 0,6 мм, • КП сквозных отверстий - 0,7 - 1,5 мм. Для обеспечения оптимального формообразования паяного соединения КП ПМ должны быть отделены от КП сквозных отверстий участком проводника, закрытым слоем паяльной маски, для предотвращения неконтролируемого оттока припоя в отверстия во время операции пайки. Расстояние между компонентами - не менее высоты компонентов, 84

минимальное расстояние от проводника до края платы - не менее толщины платы. При использовании в техпроцессе пайки волной рекомендуются дополнительные контактные площадки - ловители излишков припоя. Для КП отверстий со стороны волны рекомендуется освобождение слоя паяльной маски на 0,1 мм больше диаметра КП, с противоположной стороны - на 0,05 мм меньше. Для реализации автоматизированного процесса размещения компонентов в рисунок платы должны быть внесены специальные реперные знаки, обеспечивающие юстировку в процессе операций на установках с машинным зрением, размер - 1,5 мм минимум; в трех углах на каждом фрагменте. Таким образом, чтобы обеспечить возможность использования при изготовлении узлов ПМ высокопроизводительного оборудования и групповых технологических процессов, ПП ПМ должны отвечать следующим дополнительным требованиям: 1. Печатные платы должны содержать элементы рисунка, обеспечивающие высокопроизводительную работу оборудования: а) реперные знаки для автоматической юстировки платы; б) метки геометрических центров посадочных мест элементов (для программирования в режиме обучения); в) унифицированные размеры КП ПМ для обеспечения автоматизированных методов контроля. 2. Печатные платы должны содержать элементы предварительного базирования, обеспечивающие: а) базирование на столах специального технологического оборудования таким образом, чтобы реперные знаки по п.1 а попали в поле видеокамер машинного зрения - базовые отверстия; б) условия ручного совмещения (в основном при настройке установок трафаретной печати) - реперные кресты особой формы. 3. Печатные платы должны удовлетворять требованиям по термостойкости в части способности их выдерживать тепловые воздействия групповых операций ПМ: а) материал ПП (диэлектрик) должен быть термостойким и выдерживать тепловые воздействия на уровне 220-240°С - до 2-х минут, 150-160° С - до 2-х часов; б) на поверхность ПП должна наноситься паяльная маска, предохраняющая диэлектрик от поверхностной деструкции, промежутки между КП ПМ должны быть закрыты паяльной маской (на сколько это позволяет ее разрешающая способность); в) металлизация отверстий (гальваническая медь) должна иметь пластичность на уровне не менее 10-16% (для разных вариантов техпроцесса), обеспечивая сохранение целостности металлизации при воздействии внутренних напряжений, возникающих при термовоздействии, и связанных с разницей КТР металла и диэлектрика. 2. Компоненты поверхностного монтажа. Компонентами ПМ являются миниатюрные радиоэлементы и микросхемы, конструктивно выполненные в безвыводном исполнении, либо имеющие короткие выводы, и упакованные в носители, позволяющие использовать их в высокопроизводительном оборудовании. Типы компонентов и виды упаковок представлены в таблице на рис.1. Компоненты присоединяются к КП на 85

поверхности ПП и могут быть разделены на 3 большие группы: пассивные, активные, нестандартные. Пассивные компоненты

CHIP

MELF Активные компоненты

SOT 23

SOIC (8,12,16 выв.)

Плоский корпус до 164 выв.

SOT 89 Интегральные схемы

SOLIC (16,20,28 выв.)

SOT 143

PLCC, CLCC (16-28 выв.)

LCCC, LPCC (FPIC) (16-84 выв.) Рис.1. Компоненты поверхностного монтажа. Flat pack (до 64 выв.)

TAB

Пассивные элементы КУБИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ (СHIР-компоненты) - резисторы, конденсаторы, иногда диоды, выполненные в кубической (прямоугольного параллелепипеда) форме с контактными поверхностями на противоположных торцах. По международной номенклатуре они имеют обозначение 0402, 0805, 1206,1210, 1812 и т.д., в котором первые две цифры означают длину, а вторые две ширину в сотых долях дюйма. Поставляются, как правило, в лентах 8 или 12 мм в зависимости от размера. Для неполярных элементов могут использоваться из поставки "навалом" (bulk) при применении специальных загрузчиков (фидеров). ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ (MELF-Metal Electrode Face Bonded) - выполненные в цилиндрической конфигурации с контактными поверхностями по торцам (безвыводная версия обычных аксиальных компонентов). В настоящее время этот вид менее популярен, чем chip- компоненты. Они более дешевы, однако их монтаж может быть затруднен из-за существенно меньшей зоны контактирования с адгезивом, чем у chip-компонентов. Поставляются в упаковке аналогичной chip-компонентам. Активные элементы. МИНИАТЮРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (SOT-Small Outline Transistor) используются для корпусирования дискретных полупроводниковых приборов, имеют 3-4 вывода - плоских или отформованных в виде "крыла чайки". В международной номенклатуре наиболее часто встречаются типы SOT-23,SOT-143, SOT-89 (последний для приборов увеличенной мощности). Поставляются в лентах 86

8 - 12 мм. МИНИАТЮРНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ (SOIC-Small Outline Integratet Circuit). Наиболее распространены типы корпусов SO-8, SO-14, SO-16 по числу выводов, имеющие шаг выводов 1,25 мм (50 mil) . В этих корпусах выпускается большинство типов ИС малой и средней степени интеграции. По сравнению с аналогом - 14-ти выводным корпусом DIP, SO-14 на 70% меньше по объему, на 30% - по высоте, на 90% - по массе. Стандартный корпус имеет ширину 0,15 дюйма (3,81 мм); существует также аналогичный корпус - "увеличенный вариант" - SOL (Small Outline Large) шириной 0,3 дюйма (7,62 мм), с количеством выводов до 28. ПЛАСТМАССОВЫЕ НОСИТЕЛИ (PLCC Plastic Leaded Chip Carrier), Используются для герметизации больших ИС, обычно имеют 18 -84 вывода с шагом 1.25 мм (50 mil) на две или четыре стороны (LCC18 - PLCC84). Форма выводов J-образная - подогнуты под корпус. Этот вид корпусов наиболее распространен для микросхем памяти. Форма вывода не нарушается при технологических манипуляциях, что позволяет использовать эти корпуса на очень высокоскоростных установках монтажа. Поставляются, как правило, в прямоточных кассетах ("пруток", "туб") или широких блистерных лентах. БЕЗВЫВОДНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ НОСИТЕЛИ (LCCC-Leadless Ceramic Chip Carrier) - имеют применение аналогичное PLCC, однако используются значительно реже (как правило, в устройствах повышенной надежности), т.к. значительно дороже и требуют согласования с ПП по КТР. ПЛОСКИЕ КОРПУСА С ВЫВОДАМИ "КРЫЛО ЧАЙКИ" (OFP- Ouard Flat Package, TSOP- Thin Small Outline Plastic)-используются для корпусирования СБИС и высокоинтегрированной памяти, имеют шаг выводов 0,625 мм (25 mil) и 0,5 мм (20 mil) и количество выводов до 364 (QFP-364). Поставляются в линейных и матричных лотках (подносах). Нестандартные элементы. Элементы, имеющие неправильную форму и необходимые для полной функциональной реализации узлов ПМ: индуктивности, трансформаторы, соединители, переходные панельки, выключатели. Индуктивности по форме приближаются к chip- компонентам и поэтому упаковываются и используются аналогично. Остальные элементы применяются в узлах ПМ штучно, поэтому поставляются в специальной таре и монтируются вручную или на специальном оборудовании отдельным этапом. К этому классу элементов следует также отнести новые способы корпусирования микросхем не получившие пока широкого распространения: - ИС на ленточном носителе (TAB- Tape Automatic Bonded); - ИС в корпусах с матрицей выводов, монтируемых на поверхность (BGA Boll Grade Area). Сюда же относятся переформованные корпуса DIP, которые можно использовать для монтажа на поверхность в случае, когда нет возможности получения определенного типономинала микросхемы под ПМ. Использование таких компонентов должно быть ограничено, чтобы не снижать эффективность ТПМ. Важным фактором эффективной автоматизации процесса размещения 87

компонентов является ужесточение допусков на их геометрические размеры, а также унификация и стандартизация их размеров, что позволяет использовать при проектировании ПП стандартную библиотеку посадочных мест и сокращать число типов упаковок и трактов подачи компонентов в установках автоматизированного размещения (pick-and-place). В настоящее время основная масса производимых компонентов соответствуют стандартам JEDEC (Объединенный технический комитет по электронным приборам США) или EIAJ (Японская ассоциация электронной промышленности). Еще одним важным требованием, обеспечивающим использование компонентов, в ТПМ является их термостойкость, способность выдерживать температурные воздействия в процессах групповой пайки. Основные операции технологии ПМ. 1. Трафаретная печать припойной пасты. Применяется для селективного нанесения припойных паст и адгезивов на поверхность ПП. Подобная технология достаточно широко и традиционно используется в технике изготовления толстопленочных плат для ГС. Материал, из которого формируется рисунок, продавливается сквозь отверстия трафарета. Операция формирования рисунка на трафарете достаточно традиционны и выполняются с использованием обычного фотолитографического оборудования. При этом используются трафареты двух типов: а) с металлической маской, - когда на сетку наклеивается шаблон из металлического листа (бронза, нержавеющая сталь) предварительно протравленный по рисунку; б) с полимерной маской, - когда на сетку напрессовывается материал типа СПФ или жидкий фотополимер, и в нем фотолитографией формируется рисунок. Припойные пасты выпускаются сериями и внутри серий отличаются: по металлическому составу припоя (соответствуют практически всему ряду припоев, используемых в традиционном монтаже), по составу флюсов (от активных до не требующих отмывки, а также рассчитанные на различные отмывочные среды), по размерам частичек припоя (для нанесения на обычные посадочные места и на контактные площадки компонентов с малым шагом выводов - "fine -pitch"). Блок трафаретной печати состоит из следующих операций. А. Изготовление трафарета. 1. Натяжение сетки. При использовании сетки из нержавеющей стали 80 меш необходимо обеспечить натяжение 14 Н/м по всей плоскости сетки. Контроль специальным тензометром. 2. Приклейка рамы к натянутой сетке - производится специальными клеями УФ или термического отверждения. 3. Обезжиривание и подтравливание сетки. 4. Полив фоторезистивной маски. 5. Сушка маски. 6. Экспонирование на вакуумной раме через пленочный РФШ. 7. Водное проявление. 8. Визуальный контроль. 9. Сушка. Б. Собственно трафаретная печать. 88

1. Подготовка припойной пасты. Так как припойная паста хранится в холодильнике ее необходимо прогреть до комнатной температуры, проверить вязкость и при необходимости довести вязкость разбавителем до нужной величины 650000 сантипуаз. 2. Нанесение припойной пасты на печатную плату. 3. Промывка трафарета. 2. Нанесение адгезива дозаторами Дозаторы (диспенсоры), как правило, изготавливаются на базе координатных столов, а исполнительным механизмом является пневмоцилиндр с иглой на выходе. Размер капли определяется дозирующим импульсом воздуха и диаметром иглы. В зависимости от размера корпуса компонента под него наносится одна или несколько капель. Используемый адгезив должен удовлетворять следующим качествам: 1. Хорошая наносимость (дозатором или другим устройством). 2. Живучесть (свыше 6 месяцев). 3. Быстрое отверждение при температуре 80-125°С или при УФ облучении (20-30 сек.). 4. Высокая тиксотропность (отсутствие расслоения). 5. Неагрессивность (отсутствие коррозионного воздействия на ПП и компоненты). 6. Сохранение эластичности после отверждения. 7. Температуростойкость (при температурах пайки). 8. Отсутствие газовыделения при отверждении и во время технологических воздействий. 9. Изоляционные свойства (неэлектропроводность). 10. Размягчение при повторном нагреве (обеспечение ремонтопригодности). Дозаторы могут быть как ручными, так и автоматическими, программируемыми. Дозаторами в принципе может наноситься как припойная паста так и адгезив. Однако, как правило, трафаретной печатью наносится припойная паста (т.к. к рисунку ее предъявляются более жесткие требования), а дозаторами - клей (адгезив). Специальными дозаторами клея оснащаются также автоматы установки компонентов на плату. Клеи требуют отверждения, и после операции монтажа (размещения компонентов) платы пропускаются через конвейерные печи, либо сушатся в термостатах или сушильных печах. Иногда эта операция совмещается с операцией ИК пайки. При этом в печь для ИК пайки вводятся дополнительные зоны для ИК и УФ отверждения клея. Либо это отверждение проводят как отдельную операцию на отдельной единице оборудования. 3. Монтаж компонентов Эта операция является одной из центральных во всем технологическом процессе и качество ее выполнения, особенно для многовыводных компонентов, определяет качество собираемого узла. Гибкость системы обеспечивается достаточным количеством фидерных устройств, что достигается либо путем наращивания числа фидеров в одной установке, где их число может доходить до 200; или наращивание числа 89

последовательно устанавливаемых модулей с ограниченным числом фидерных устройств. При этом общее число фидеров практически не ограничено, однако, снижается производительность и увеличивается общая стоимость оборудования, т.к. на каждый модуль приходится свой позиционер и монтажная головка. Основной задачей монтажной машины является точное совмещение выводов компонентов с КП коммутационной платы. Точное выполнение этой операции обеспечит в дальнейшем качественную пайку. Для точного базирования платы используется ее край или базовое отверстие, для базирования компонентов специальные центрирующие захваты на монтажной головке или на специальной позиции автомата. Однако для сложных ПП и компонентов, о которых было упомянуто выше, точности базирования по базовым отверстиям на ПП и внешним габаритам компонентов становится недостаточной. Для обеспечения такой точности в наиболее совершенных автоматах применяются устройства распознавания образов, которые по определенным маркерным знакам корректируют неточность базирования. При их использовании точность базирования платы соответствуют точности рисунка ПП. Кроме того, устройствами подобного же типа производится юстировка и совмещение выводов компонентов непосредственно перед установкой на плату. 4. Пайка Пайка является основной операцией в технологическом процессе ПМ, ибо в процессе именно этой операции происходит формирование соединений, надежность и качество которых определяют в последствии в значительной мере работоспособность и надежность узлов и систем в целом. В технике поверхностного монтажа используют следующие автоматизированные способы пайки: 1. Пайка волной. 2. ИК пайка. 3. Пайка в паровой фазе. 4. Импульсная групповая пайка. 5. Лазерная пайка. Каждый из этих способов имеет определенные преимущества и недостатки, которые ограничивают область их применения и накладывают определенные требования к конструкции узла и стойкости к технологическим воздействиям на узлы и компоненты. Для получения хороших результатов очень важно четко определить эти факторы и реализовать правильный выбор способа пайки для конкретной конструкции. Пайка волной припоя является наиболее производительным и дешевым способом пайки, не требующим предварительного нанесения на контактные площадки дополнительных веществ (флюса, припоя и т. п.). Этот метод применяется, как правило, при смешанной технологии и при монтаже наиболее простых компонентов поверхностного монтажа. При пайке волной обязательно крепление компонентов поверхностного монтажа клеем, а также введение в конструкцию платы специальных элементов (контактных площадок), снижающих вероятность появления перемычек припоя и сосулек. Качество пайки получают, используя устройства определенной конфигурации волны. Кроме того, оборудование оснащается устройствами контроля поддержания плотности флюса и "воздушными ножами". Следует учитывать, что компоненты 90

испытывают сильное термическое воздействие и должны обладать соответствующей стойкостью; для стеклоэпоксидных плат необходимо использование паяльной маски. Блок операций пайки волной состоит из: флюсования, подсушивание флюса, пайки волной, отмывки остатков флюса, визуального контроля. Пайка ИК излучением является наиболее распространенным и относительно дешевым способом групповой пайки в ТПМ. Источником тепла служат специальные лампы, расположенные по зонам; количество зон может достигать 5-8 с каждой стороны. При этом степень нагрева (при одном и том же режиме ламп) сильно зависит от конфигурации детали и ее цвета. Может быть довольно большой градиент температуры по полю платы и по высоте. Для уменьшения разброса температуры в установки такого типа вводят устройства для конвекции перемешивания воздуха или газовой среды. Результатом действия такой системы является сведение разброса температур до весьма низких величин порядка 2°С. В последнее время появились установки в (основном японские), где вообще нет источников, излучающих тепло (ИК ламп тепловых панелей), а платы нагреваются только за счет конвекции воздуха или газовой среды. Обладая преимуществами, связанными с простотой технологии, высокой производительностью, ИК пайка требует использования термостойких компонентов, в некоторых случаях специальных защитных экранов. Кроме того, к ее недостаткам можно отнести необходимость индивидуального подбора режимов в зависимости от конфигурации и конструкции узла. Для некоторых конструкции со сложной конфигурацией узла не удается обеспечить равномерный нагрев из-за экранирования одних деталей другими. При ИК пайке многослойных плат возникают повышенные требования к пластичности меди в металлизированых отверстиях. Блок операций по пайке излучением состоит из: подсушивание ПП, пайки излучением, отмывка остатков флюса, визуального контроля. Пайка в паровой фазе, или конденсационная пайка с точки зрения технологической функции является полным заменителем ИК пайки. При этом способе нагрев осуществляется за счет скрытой теплоты парообразования при конденсации на детали насыщенного пара фтороуглеродистой рабочей жидкости. При этом температура нагрева точно соответствует температуре парообразования рабочей жидкости и зависит только от ее физических свойств. При этом удается поддерживать очень стабильную температуру формирования паяного соединения, т.к. независимо от того какое количество энергии подводится к жидкости, она всегда имеет температуру кипения (при большем количестве энергии только производится больше пара, температура при этом остается постоянной). При пайке в паровой фазе происходит одновременный и совершенно равномерный нагрев независимо от внешней формы и особенностей изделия, т.к. пар контактирует и конденсируется по всем без исключения поверхностями, следовательно передает тепло, также на все элементы и проводники паяемых печатных плат. При этом, естественно, все элементы узла должны выдерживать температуру кипения-пайки. Наиболее распространенными являются рабочие жидкости с температурой кипения 215°С, которые используются с припойными пастами на основе ПОС-61, также наиболее распространенного припоя. Кроме того, имеется целый ряд рабочих жидкостей, охватывающий область температур, 91

соответствующих условиям пайки практически всех мягких припоев. Третьей особенностью пайки в паровой фазе является очень низкая, по сравнению с другими способами, температура источника энергии при эффективной и быстрой передаче тепла. Этот метод дает быструю и равномерную передачу тепла паяемому объекту благодаря асимптотическому нагреву, при этом КПД расходуемой энергии значительно выше, чем при конкурирующих методах. К преимуществам этого метода следует отнести: • контроль температуры обеспечивается самим методом с гарантируемой воспроизводимостью; • нагрев не зависит от формы и цвета объекта; • нагрев осуществляется очень быстро; • все поверхности объекта нагреваются равномерно; • передача тепла осуществляется равномерно на весь объект; • при этом методе не добавляется флюс, имеющийся в припойной пасте флюс не нагревается выше 125°С, при этом не имеет места крекинг и облегчается очистка; • пайка ведется в анаэробной среде. Указанные преимущества обеспечивают очень хорошую воспроизводимость качества пайки. Однако следует учесть, что поскольку при этом методе на ПП не подается дополнительный припой, то не могут быть исправлены дефекты, допущенные на предыдущих технологических операциях (плохая паяемость, недостаточное количество припоя, неверно выбранный припой и т. п.). Кроме того этот метод реализуется достаточно сложными технологическими методами, с использованием дорогих материалов, требует очень внимательного и четкого отслеживания технологии (при перегреве жидкости могут выделяться ядовитые газы). Все это определяет область применения этого метода там, где первым требованием является гарантированное качество и надежность соединений, а требования экономические становятся второстепенными. Конструктивно установки пайки в паровой фазе бывают двух типов маятникового и конвейерного. В маятниковой системе плата опускается в корзине сверху через зону вторичного пара в первичный. Вторичный пар - фреон (хлодон-113). После выдержки в зоне вторичного пара плата опускается в первичный пар и выдерживается там 30-60 секунд. Маятниковая установка при относительно низкой производительности обеспечивает значительно меньший расход дорогостоящей первичной рабочей жидкости. Блок операций аналогичен импульсной пайке. Импульсная пайка занимает с точки зрения методологии промежуточное положение: по отношению к корпусу - это монтаж индивидуальный, и "покорпусной"; по отношению к выводу - это групповая пайка, так как припаиваются одновременно все выводы корпуса. Пайка ведется инструментом, повторяющим конфигурацию контактных площадок, нагрев осуществляется за счет джоулева тепла при пропускании тока через материал инструмента. Наилучшие результаты получаются при предварительном нанесении на КП и выводы припоя толщиной примерно 20 мкм. Основным преимуществом способа является малое термическое воздействие на корпус, что позволяет использовать этот метод для компонентов с пониженной 92

термостойкостью. Локализация зоны нагрева в районе одного корпуса позволяет использовать этот метод для ремонтных операций (замена неисправных БИС). К недостаткам метода следует отнести: • необходимость выполнения требований по выбору оптимальной толщины припоя; • чувствительность к неплоскостности в зоне пайки (как инструмента, так и поверхности КП ); • опасность электрического воздействия на компоненты, связанная с наличием разности потенциала по длине инструмента. Как правило, в установках импульсной пайки совмещены операции монтажа, пайки, флюсования, нанесения клея, подшлифовки инструмента. Качество паяных соединений обеспечивается довольно сложным циклом регулировки трех параметров технологического процесса - вертикальное перемещение, усилие, температуpa Лазерная пайка - пайка сфокусированным лучом квантового генератора. Позволяет производить нагрев в очень локальных зонах, что обеспечивает минимальное тепловое воздействие на области, находящиеся в зоне пайки. Однако, этот метод накладывает специфические требования на обеспечение техпроцесса. 1. Для лазерной пайки необходимы специальные пасты, т.к. очень высокая скорость нагрева в зоне пайки приводит к интенсивному испарению растворителей и других составляющих припойных паст, что увеличивает их склонность к разбрызгиванию капель припоя. 2. Зоны пайки (КП и диэлектрик) должны иметь очень равномерные свойства по взаимодействию с лазерным излучением, ибо они определяют температуру в зоне пайки. Лазерное оборудование из-за своей сложности имеет очень высокую стоимость и требует для эксплуатации очень высококвалифицированные кадры. Все это приводит к тому, что на сегодняшний день в производстве этот метод является наиболее экзотичным и по стоимости и технологическим характеристикам не может конкурировать с описанными выше методами. К методу лазерной пайки примыкает метод пайки световым лучом. Он отличается тем, что источником излучения служит не квантовый генератор, а лампа (как правило ксеноновая). Обладая преимуществами лазерной пайки, этот метод менее чувствителен к цвету и оттенку подложки и требует менее дорогостоящего оборудования. 5. Очистка (отмывка флюса) Операция очистки не является специфической для поверхностного монтажа и использует те же методы и средства, что и в традиционной технологии объемного монтажа ( монтажа в отверстия) . Эти средства зависят от типов применяемых флюсов или припойных паст. Для изделий, к которым применяются повышенные требования по надежности и стойкости к климатическим и механическим воздействиям, при отмывке необходим контроль качества отмывки ( например, по степени загрязнения отмывочной среды на выходе процесса). 6. Контрольные операции До недавнего времени основным видом контроля правильности монтажа и качества паяных соединений был визуальный контроль оператора с применением оптических средств увеличения (проекторы, микроскопы). С уменьшением размера компонентов, значительным увеличением числа паяных соединений на плате такой 93

контроль становится все более затруднительным и менее эффективным. Высокая трудоемкость и большое количество субъективных ошибок ухудшают экономические характеристики оборудования, приводят к отказам в эксплуатации, затрудняют анализ причин появления брака. На смену визуальным методам контроля приходят методы автоматизированного видеоконтроля на базе устройств распознавания образов, а также методы объективного контроля качества пайки на базе лазерной техники. Для автоматического видеоконтроля используется оборудование, анализирующее 3-х мерное отображение образа смонтированного узла и сравнивающее его с эталонным образцом ("золотой платой") или запрограммированным идеальным образцом. Оборудование подобного типа несколько раньше появилось для контроля двухмерных рисунков фотошаблонов и слоев ПП. Использование более совершенных систем освещения (лазерных источников, бестеневых ламп) позволяет вести анализ трехмерных отображений смонтированных узлов. Такого рода устройства в качестве встроенных узлов используются также в монтажных установках для контроля правильности совмещения. Одним из новых объективных методов контроля качества паяных соединений является метод лазерного контроля. Паяные соединения облучаются импульсом твердотельного лазера. Время импульса обычно 30 мсек., длина волны излучения 1,0 мкм. После окончания импульса температура исследуемого соединения поднимается на несколько градусов, затем снижается. Контроль за интенсивностью остывания проводится с помощью ИК арсенид-индиевого детектора. Кривая остывания (в зависимости от времени) анализируется в автоматическом цикле и дается заключение - находится исследуемая пайка в рамках выбранных критериев или выходит за них, т. е. является бракованной. На рис.2 показаны виды соединений, доступные для контроля на этом оборудовании, и виды обнаруживаемых дефектов.

Рис. 2. Виды соединений и дефектов пайки. Установка имеет очень высокие потенциальные возможности в части объективной оценки паяных соединений. Но реализация их возможна лишь при правильном выборе и установке критериев разбраковки . Для выбора этих критериев должна быть определена корреляция их с уровнем надежности, что может быть осуществлено только в результате достаточно объемных и кропотливых исследовательских работ. Кроме того, критерии сильно зависят от 94

массы и конструкции паяных соединений, поэтому для эффективного использования такого контроля необходимо унифицировать конструкцию паяных соединений до 3 - 4 типов и для каждого установить свои критерии. Производительность оборудования 10 паек/сек. Описание лабораторного макета Лабораторный макет состоит из лупы и образца - фрагмента типового узла ПМ (смешанного типа) с установленными компонентами различного типа.

1. 2. 3. 4. 5.

Требования к отчету Отчет должен содержать: Титульный лист; Цель работы; Краткие сведения по компонентам, материалам и технологии ПМ; Результаты выполнения заданий в виде таблиц и эскиза; Выводы по работе.

Лабораторное задание Домашняя работа: 1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы. 2. Подготовить 1 экземпляр формы таблицы 1. Форма таблицы 1 Для записи результатов определения конструктивного типа компонентов смонтированных на образце Данный вариант техпроцесса соответствует № Обозначение группы 1. 2. 3. Подготовить эскизы узла ПМ.

95

типу производства Конструктивный Вид тип монтажа

4. Выполнить пункты 1-4 требований к отчету. 5. Изучить теоретические сведения. 6. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы. Работа в лаборатории: 1. Определить конструктивный тип компонентов узла ПМ по номенклатуре принятой в мировой практике (см. теоретическое введение). 2. Выявить дефекты монтажа элементов поверхностного монтажа. Порядок выполнения работы 1. Ознакомьтесь с вариантами техпроцессов. 2. Выпишите обозначения установленных компонентов на образце в таблицу 1 и определите их конструктивный тип по номенклатуре принятой в мировой практике. 3. На эскизе узла ПМ отметить обнаруженные дефекты. 4. Для компонента указанного в варианте вашего задания сделайте эскиз посадочного места произведя замеры с помощью микроскопа с мерительным окуляром (для многовыводных компонентов - фрагмент посадочного места) и определите насколько посадочное место соответствует рекомендациям изложенным в теоретической части. Контрольные вопросы 1. Какова история возникновения ТПМ? 2. Назовите основные преимущества ТПМ. 3. Каковы условия оптимальной реализации преимуществ ТПМ? 4. Опишите основные конструктивные варианты узлов ПМ, их особенности. 5. Назовите основные требования к печатным платам для ПМ. 6. Назовите типы пассивных компонентов используемых в ПМ и их конструктивные особенности. 7. Назовите типы активных элементов малой и средней степени сложности используемых в ПМ и их конструктивные особенности. 8. Назовите типы активных элементов высокой степени сложности используемые в ПМ и их конструктивные особенности. 9. Каковы основные типы нестандартных компонентов используемых в ПМ? 10. Каковы основные материалы трафаретной печати для нанесения припойной пасты? 11. Какие типы трафаретов используются для трафаретной печати? 96

12. Как классифицируются припойные пасты? 13. Назовите основные требования к адгезивам ПМ. 14. Каковы основные особенности операции монтажа компонентов? 15. Назовите основные способы пайки используемые в ПМ. 16. Опишите операцию пайки волной припоя. 17. Опишите операцию пайки излучением. 18. Каковы физические основы пайки в паровой фазе? 19. Каковы преимущества и недостатки пайки в паровой фазе? 20. Назовите особенности операции лазерной пайки. 21. Опишите основные принципы операции автоматизированного контроля.

97

видео

Лабораторная работа 6

Методы контроля толщины пленочных структур Цель работы 1. Ознакомится с методами контроля толщины оксидных, полупроводниковых и металлических пленочных структур. 2. Определить толщину металлической и оксидной пленок оптическим методом. 3. Определить глубину залегания p-n перехода методом сферического шлифа. Теоретические сведения Определение толщины окисной пленки. Наиболее простым способом измерения толщины пленки SiO2 является метод цветовых оттенков Ньютона, основанный на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете, которые обусловлены двойным отражением и преломлением белого света. При этом за счет геометрической разности хода лучей возникает интерференция лучей, тонкие прозрачные пленки кажутся в отраженном свете окрашенными. Величина разности хода лучей зависит только от толщины и показателя преломления: Δ=2·n·d·sinα, где Δ-разность хода лучей, мкм; n-показатель преломления (для SiO2 n=1.5); α-угол отражения; d-толщина пленки, мкм. Если наблюдение отраженного света проводить под прямым углом, то Δ=2·n·d, откуда d= Δ/3 (для SiO2). Цветовые оттенки повторяются примерно через каждые 0,22 мкм, проходя весь спектр от фиолетового к красному. Поэтому для однозначного определения толщины необходимо знать порядок интерференции, т.е. какое по счету повторение цветов наблюдается. С этой целью на поверхность пластинки наносится капля плавиковой кислоты и в окисле вытравливается лунка до поверхности кремния. Например, зеленый цвет окисла на четвертом кольце (полностью выявлено три) соответствует толщине SiO2 0,72 мкм, а на втором кольце (полностью выявлено одно) - 0,33 мкм. Метод позволяет определять толщину окисной пленки до 1 мкм c точностью 5-10%. Соотношение толщины пленок SiO2 и цветовых оттенков приведены в табл. 1. Таблица 1. Определение толщины пленок SiO2 методом цветовых оттенков Ньютона d, мкм Оттенок 0,0500 бежевый 0,0700 коричневый 0,0960 темно-красно-коричневый 0,1020 индиго 0,1433 голубовато-серый I 0,1500 светло-голубой 0,1688 зелено-голубой 0,1700 металлический 0,1786 бледно-зеленый 0,1836 желто-зеленый 0,1883 светло-зеленый 98

d, мкм 0,1916 0,1963 0,2000 0,2200 0,2216 0,2490 0,2500 0,2700 0,2753 0,2810 0,2886 0,3000 0,3033 0,3100 0,3160 0,3200 0,3400 0,3500 0,3760 0,3830 0,3900 0,4100 0,4193 0,4200 0,4400 0,4476 0,4586 0,4600 0,4757 0,4800 0,4900 0,4983 0,5000 0,5200 0,5403 0,5526 0,5606 0,5703 0,5800 0,5813 0,6000 0,6038 0,6300 0,6423 0,6690

Оттенок зелено-желтый золотисто-желтый светло-золотистый золотистый оранжевый. светло-красный красный красно-фиолетовый пурпурный пурпурно-фиолетовый фиолетовый фиолетово-голубой индиго голубой темно-голубой зелено-голубой светло-зеленый зеленый желтовато-зеленый грязно-зеленый желтый светло-оранжевый телесный темно-розовый красный фиолетово-красный фиолетовый красно-фиолетовый голубовато-фиолетово-серый голубоватово-фиолетовый голубой

II

зелено-голубой голубовато-зеленый зеленый туcкло-зеленый желто-зеленый зелено-желтый желто-серый светло-оранжевый сиреневато-серовато-краcный темно-розовый карминово-красный фиолетово-красный серовато-красный голубовато-серый

III

IV 99

d, мкм Оттенок 0,6800 голубоватый 0,6826 голубовато-зеленый 0,7200 зеленый 0,7700 желтоватый 0,7793 бледно-розовый 0,8000 оранжевый 0,8200 желтовато-розовый 0,8500 светло-красновато-фиолетовый 0,8600 фиолетовый 0,8700 голубовато-фиолетовый 0,8893 бледно-зелено-голубоватый V 0,8900 голубой 0,9200 голубовато-зеленый 0,9500 желто-зеленый 0,9700 желтый Определение толщины металлических и оксидных пленок оптическими методами. Оптическая плотность пленки определяется выражением: D = lg( I 0 / I1 ) , где I0 и I1 – интенсивность излучения, падающего на пленку, и прошедшего сквозь нее. Интенсивность прошедшего через пленку излучения в случае достаточно толстой пленки выражается соотношением Бугера-Ламберта:

I1 = I 0 exp(−

4πnkd ) , где λ

d – толщина пленки, n и k – коэффициенты, характеризующие затухание световой волны в материале, λ – длина волны. Таким образом, зная коэффициенты n и k, и измерив экспериментально оптическую плотность пленки, можно рассчитать ее толщину. Значения коэффициентов n и k для ряда материалов приведены в таблице 2. Таблица 2. Материал λ=500 нм n k Cu 1.06 2.55 Fe 1.46 2.17 Mo 3.15 1.18 Ni 1.54 2.01 V 2.65 2.56 В случае, если пленка была получена в учебной лаборатории в процессе реактивного распыления, определить степень окисления точно не представляется возможным. Однако можно провести оценку степени окисления по цвету пленки. Таблица 3. Окисел Цвет V2 O5 оранжевый V2 O3 черный VO2 синий VO светло-черный 100

Fe2O3 красный FeO черный Для определения толщин пленок оптическим методом в лаборатории используется прибор "Specord UV-VIS". "Specord UV-VIS" - автоматический двулучевой спектрофотометр, регистрирующий линейно пропускание или экстинкции проб как функцию волнового числа. Представление спектров через волновое число является удобным, так как по соотношению: E=hν=hc/λ=hcω, где Е-энергия; h-постоянная Планка; c-скорость света; ν-частота; λ -длина волны; ωволновое число - энергия прямо пропорциональна волновому числу. В качестве источника света в ультрафиолетовой области спектра используется дейтериевая лампа, в видимой - лампа накаливания. Световой пучок попадает на входную щель монохроматора, откуда монохроматический пучок направляется на зеркальный прерыватель, где он разделяется на два потока, образующие канал образца (измерения) и канал сравнения. На приемник излучения, в качестве которого используется сурьмяно-цезиевый фотоумножитель, падает свет то из канала образца, то из канала сравнения. Регистрация спектров производится пером на специальном бланке. Отсчет волнового числа осуществляется по нониусу. При работе используются следующие масштабы ординат: 0-100% - стандартная область; 0-20% - растяжение ординат для образцов с малой проницаемостью; -0,1÷ +1,4 - экстинкция. Определение глубины залегания p-n перехода. Для экспериментального измерения глубины диффузионного слоя на практике и в лабораторных условиях применяется метод сферического шлифа. На установке, где инструментом является вращающийся шар, с помощью алмазной пасты на поверхности полупроводниковой платины вышлифовывается лунка полусферической формы. d1 d2 d1 γ

p n

d2

l

Рис. 1. Принцип определения глубины залегания p-n перехода. Для выявления n и p областей в лунку наносятся капля одного из подходящих для этой цели травителей, в результате чего p-область либо окрашивается, либо становится более темной. После промывки и сушки образец 101

подвергается микроскопическому исследования, где с помощью шкалы в окуляре, цена деления которой известна, измеряются диаметры лунки d1 и нижней границы перехода d2. Зная диаметр шлифующего шара D можно рассчитать глубину залегания перехода:

d − d2 xγ = 1 4D 2

2

В случае, если в расчет берется длина хорды лунки l расчетная формула имеет вид:

l2 xγ = 4D

Для оценки достоверности экспериментальных результатов измерения глубины залегания перехода можно использовать приближенное эмпирическое уравнение: xγ = 5,4 Dt , где D-коэффициент диффузии примеси, t - время диффузии. Описание лабораторного макета Лабораторный макет состоит из лупы, микроскопа, набора образцов и спектрофотометра "Specord UV-VIS". Для выполнения лабораторной работы берутся уже готовые образцы, либо полученные самостоятельно на различном напылительной оборудовании. Порядок работы на спектрофотометре "Specord-UV VIS". 1. Включить вилку прибора в сеть. Нажать кнопку "Сеть". 2. Включить лампу (источник света) для соответствующего участка спектра. 3. Вставить перо самописца. 4. Используя кнопки "Быстро вперед" и "Быстро назад", по нониусу против нуля установить целое число (например 21000 см-1). Положить регистрационный лист на каретку самописца так, чтобы при закрытом канале измерения перо самописца находилось в точке пересечения горизонтальной нулевой линии и вертикальной черты. 5. Проверить положение нуля и правильность установки регистрационного листа, проведя пробную регистрацию (нажать кнопку "Пуск"). 6. Установить 100%-ю линию. Открыть канал измерения и провести пробную регистрацию. Если регистрируемая линия проходит параллельно 100%, то она выводится на 100%-ю ручкой 100%-й коррекции. 7. Нажать кнопку "Быстро назад". Каретка быстро движется вправо, а регистрирующее устройство занимает крайнее левое крайнее. 8. Поместить измеряемый образец в кюветный отсек в ближний канал. 9. Нажать кнопку “Пуск”. Начатая таким образом регистрация может быть прервана в любом месте нажатием клавиши “Стоп”. 10. Вынуть регистрационный лист, выключить лампу кнопку "Сеть".

102

Кнопочное управление на лицевой панели:

~

Сеть Быстро вперед. Каретка быстро двигается влево, одновременно происходит прогон волнового числа. Быстро назад. Каретка быстро двигается вправо. Регистрация с автоматическим возвратом каретки. Пуск. Начало записи спектра. Стоп. Регистрирующее устройство останавливается. Источник излучения.

1. 2. 3. 4. 5.

Требования к отчету Отчет должен содержать: Титульный лист; Цель работы; Краткие сведения о методах определения толщин тонких пленок Результаты выполнения заданий в виде таблиц; Выводы по работе.

1. 2.

Лабораторное задание Домашняя работа: Ознакомиться с описанием лабораторной работы. Подготовить 1 экземпляр формы таблицы 1. № образца

Пропускание T, %

Форма таблицы 1 Оптическая Толщина плотность D пленки d, мкм

1. 2. Выполнить пункты 1-4 требований к отчету. Изучить теоретические сведения. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы. Работа в лаборатории: 1. Получить у преподавателя образцы пленок. 2. Определить толщину пленок SiO2 методом цветовых оттенком Ньютона. 3. Определить толщины металлических и оксидных пленок металла на прозрачной подложке, используя оптический метод. Для выполнения данного пункта задания использовать пленки, полученные методом 3-х электродного распыления в лабораторной работе 4. 4. Определить глубину залегания p-n перехода в кремниевой подложке. 5. Оформить результаты выполнения пунктов 2 и 4 в произвольной форме, результаты выполнения пункта 3 в виде таблицы (Форма 1). Порядок выполнения работы 1. Ознакомьтесь с выданными пленочными образцами на подложках. 2. Используя таблицу цветовых оттенков Ньютона, определите толщину пленки SiO2, зарисуйте интерференционные кольца. 3. Ознакомьтесь с порядком работы на приборе Specord UV-VIS.

3. 4. 5.

103

4. Определите пропускания пленок на прозрачной подложке на длине волны 500 нм, результаты занесите в таблицу. Для пересчета пропускания в оптическую плотность воспользоваться формулой D=ln (100/T). 5. Используя микроскоп, определите глубину залегания p-n перехода в кремниевой пластине.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Контрольные вопросы Назовите известные вам методы получения тонких пленок. Расскажите сущность метода определения толщину пленок оксида кремния методом цветовых оттенков Ньютона. Для чего необходимо знать порядок интерференции в методе цветовых оттенков? Запишите закон Бугера-Ламберта для интенсивности света, прошедшего через материал. Назовите физический смысл коэффициентов k и n, входящих в уравнения Бугера-Ламберта. Сущность метода определения глубины залегания p-n перехода с помощью сферического шлифа

104

Приложение 1. Основные материалы и операции, используемые при изготовлении печатных плат Фольгированные диэлектрики. Одним из основных факторов, определяющих качество и надежность печатных плат, является материал, из которого они изготовлены. Используются диэлектрики марок: ФТС, СТФ, СТАРГОФ, FR4, СТАЛ, СТПА, СОНФ, ПБМИ, полиимид ПФ, арилокс, фторопласт, стеклоткани СПТ-3-0,03 (0,06) и СТП-4-0,03 (0,06) и др. В производстве проводится всесторонний входной контроль и отбраковка диэлектриков перед запуском в работу. 1. Контроль состояния поверхности. Диэлектрик для печатных плат не должен иметь дефектов, вносящих брак при производстве ДПП, т.е. трещин, складок, пятен, раковин, царапин. Пластмассовая поверхность под фольгой не должна иметь участков с отсутствием смолы, выхода сплетенных волокон, ожогов, инородных материалов. 2. Контроль толщины. Толщина листа диэлектрика измеряется на индикаторной головке по периметру в 10 точках. За толщину листа принимают среднее арифметическое значение, при этом предельные отклонения не должны превышать ±5%. 3. Проверка устойчивости стеклотекстолита к воздействию расплавленного припоя для оценки термостойкости партии. Проводится на 2-х образцах, изготовление рисунка - методом травления фольги. Образец не должен расслаиваться, а на фольгированной поверхности не должно быть пузырей после погружения в припой при температуре 260°С. 4. Определение диэлектрической проницаемости. Из испытуемого листа фотохимическим методом изготавливают 4 образца и замеряют приведенную емкость на приборе типа Е8-4. Затем стравливают фольгу, измеряют толщину диэлектрика и по формуле подсчитывают диэлектрическую проницаемость. 5. Температура стеклования. Определяется методом термоанализа. Кроме этих, обязательных для каждой партии анализов, периодически проверяются поступившие диэлектрики на следующие параметры: • прочность на отслаивание фольги, • стабильность линейных размеров, • сопротивление изоляции на электродах-гребенках, • поверхностное и объемное удельное сопротивления. Поверхность медных слоев со временем под воздействием примесей воздуха может окисляться и поэтому может отличаться от светло-розового цвета, наблюдающегося в реальном производстве ОПП. Препреги Препрег представляет собой пропитанную специальными эпоксидными смолами стеклоткань, применяемую при производстве многослойных печатных плат в процессах сборки и прессовки пакетов. Анализ поступившего со склада препрега начинается с проверки паспортных данных каждого рулона. 105

1. Содержание летучих веществ. 3 образца взвешиваются на аналитических весах и помещаются в сушильный шкаф на 10 минут при t = 163°С, а затем сразу же взвешиваются. Процент содержания летучих веществ определяют по формуле:

потеря в первон.

весе ⋅ 100% вес

2. Содержание смолы. Окончательный вес, полученный в предыдущем анализе, используют в качестве начального веса в этом. Тигель с образцом прокаливают в муфельной печи t = 5380 С до постоянного веса (~15 мин.), чтобы сгорели все углеродные остатки. Когда тигель остынет до комнатной температуры, снова взвешивают.

%

содержания

смолы =

потеря в первон.

весе ⋅ 100% вес

3. Текучесть смолы. Образцы в форме квадрата со стороной 100 мм вырезаются таким образом, что одна диагональ параллельна основе стеклоткани, а другая диагональ параллельна утку. Образцы скрепляются вместе и взвешиваются. Масса навески должна быть -20 г. Собранный пакет помещают в предварительно нагретый пресс и выдерживают 15 мин. Из середины полученного образца вырубается квадрат со стороной 70 мм и взвешивается. Текучесть вычисляется по формуле:

T=

M 1 − 2M 2 , где M1

Ml - первичный вес образцов, М2 - вес после прессования. Значения всех анализируемых 3-х параметров должны быть в пределах требований технических условий. Наиболее важным технологическим параметром является время гелеобразования связующего, т.е. период, в течение которого смола переходит из твердого состояния через жидкое к гелеобразному. При выборе режима прессования главное - правильно определить момент приложения высокого давления. В противном случае неизбежны дефекты прессования: • плохая связь между слоями; • вздутие внутри печатной платы; • мелкие пузырьки. Первоначально широкое распространение получил метод, рекомендованный МЭК по вытягиванию нитей смолы при нагреве пакета препрега в прессе. Разработан метод определения времени гелеобразования, основанный на измерении активного сопротивления смолы в препреге, помещенном между двумя датчиками, изготовленными из фольгированного диэлектрика. Результаты измерений обрабатываются персональным компьютером и выводятся на принтер. На кривой виден четкий минимум - это время гелеобразования. После всех анализов по результатам выбирают режим прессования и проводят опытную запрессовку. Состав опытной запрессовки: 3 листа препрега с заранее промеренной толщиной, 3 листа, облицованные фольгой с 2-х сторон. После прессования проводится анализ спрессованного препрега. При правильно выбранном режиме прессования, полностью отвердевший препрег 106

обладает всеми свойствами базового диэлектрика, а по некоторым параметрам (сопротивление изоляции, стабильность линейных размеров) превосходит его. Проверяют: • процент усадки по толщине для обеспечения прецизионной толщины пакета; • диэлектрическую проницаемость, определяющую волновое сопротивление линий связи пакета; • процент содержания смолы, не менее 45%; • температуру стеклоперехода для корректировки в случае необходимости режима прессования МПП. Визуально определяют монолитность, отсутствие микропустот и пузырей. Пленочные фоторезисты Пленочный фоторезист применяется в производстве печатных плат для получения защитных изображений при формировании проводящего рисунка печатных плат способами: травлением по защитному изображению в медной фольге на диэлектрике, гальваническим и химическим осаждением по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. Пленочный фоторезист представляет собой сухой фотополимерный слой заданной толщины, заключенный между двумя прозрачными пленками: лавсановой - основой и полиэтиленовой - защитной, толщиной 25 мкм каждая. Толщина фотополимерного слоя задается в пределах от 15 до 72 мкм. Поставляется пленочный фоторезист в рулонах, готовый для использования. Основные достоинства пленочных фоторезистов - это способность: • наслаиваться на плоские подложки с отверстиями без попадания в последние; • обеспечивать воспроизведение четких изображений с глубоким рельефом; • обеспечивать гальваническое формирование проводящего рисунка в толще фоторезиста без разрастания в ширину, тем самым, сохраняя высокое разрешение; • образовывать защитные завески «тентирование» над металлизированными отверстиями. Эти фоторезисты имеют одинаковую структуру - фотополимерные слои негативного действия, чувствительные к экспозиции в ультрафиолетовом диапазоне спектра (320-400 нм). По способу проявления фоторезисты подразделяются на органопроявляемые и водощелочного проявления. При формировании рисунка слоев ПП пленочный фоторезист может иметь цвет от светло-голубого до темно-синего и темно-зеленого оттенка. Паяльные маски Введение в конструкцию ПП паяльной маски является обязательным условием, т.к. обычная стеклоэпоксидная основа ПП не обладает достаточной теплостойкостью к температурам пайки ПМ (220-240 0С), и без паяльной маски за время необходимое для проведения техпроцесса пайки (0,5 - 2,5 мин.) может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика. По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа: 1. Паяльные маски, рисунок которых формируется методом трафаретной 107

печати. Как правило, это составы на эпоксидной основе, отверждаемые термически или УФ излучением. При относительной дешевизне основным их недостатком является низкая разрешающая способность и необходимость использования сеткографического трафарета. 2. Паяльные маски, рисунок которых формируется фотолитографическим методом (их еще называют фоторезистивные паяльные маски). Эти паяльные маски позволяют формировать рисунок любой сложности и в последнее время получили наибольшее распространение. В свою очередь фоторезистивные паяльные маски по методу нанесения делятся на два типа: а). сухие паяльные маски; б). жидкие паяльные маски. Сухая паяльная маска (СПМ). СПМ выпускается в виде пленки толщиной 50, 75, 100 и 150 мкм и по свойствам и методам использования очень похожа на сухой пленочный фоторезист (СПФ), используемый для получения рисунка печатной платы. СПМ имеет, однако, два существенных отличия, определяющие особенности ее нанесения, формирования и использования: СПМ является конструкционным материалом и должна выдерживать не только технологические, но и эксплуатационные воздействия во время всего срока эксплуатации ПП. СПМ наносится на рельеф, образованный сформированным наружным слоем ПП. Для нанесения СПМ необходимо специальное оборудование - т.н. вакуумный ламинатор - особое устройство с вакуумной подогреваемой камерой, обеспечивающее плотное прилегание толстой пленки СПМ на рельеф ПП. Толщина СПМ выбирается из условия прокрытая необходимой высоты рельефа. hСПМ = 0,7 hрельефа Следует всегда иметь в виду, что основной проблемой при нанесении СПМ является ее адгезия к поверхности ПП, поэтому перед ламинированием поверхность ПП должна быть тщательно очищена от всякого рода органических и неорганических загрязнений. Надо также помнить, что адгезия СПМ к покрытиям, изменяющим агрегатное состояние в процессе технологических обработок или эксплуатационных воздействий может резко ухудшаться. Речь идет в первую очередь о покрытиях оловянно-свинцовыми и другими легкоплавкими припоями. Предпочтительным является нанесение СПМ на «голую» медь, допустимым - на никель, золото. После ламинирования следуют стандартные операции экспонирования и проявления. Существуют СПМ, как органического, так и водно-щелочного проявления. Последние получают все более широкое распространение в связи с более простой процедурой регенерации промывочных вод и утилизации проявочных растворов. После формирования рисунка паяльная маска подвергается операции задубливания, которая заключается в окончательной полимеризации материала СПМ для набора им в полном объеме защитных свойств, обеспечивающих механическую, термическую и климатическую защиту поверхности ПП от 108

технологических и эксплуатационных воздействий. Окончательное задубливание может быть термическим или смешанным: термическим и УФ. К недостаткам СПМ можно отнести ограничение по разрешающей способности: • 0,3 мм - для толстых (100-150 мкм) пленок СПМ; • 0,2 мм - для тонких (50-75 мкм) пленок СПМ. Этого недостатка лишены жидкие паяльные маски. Жидкие паяльные маски (ЖПМ). От СПМ ЖПМ отличается только способом нанесения, обеспечивающим покрытие ПП равномерным тонким слоем. Для ЖПМ применяют два способа нанесения: • методом трафаретной печати через чистую (без маски) сетку - этот метод является мало производительным и используется в мелкосерийном производстве; • методом полива в режиме «занавеса» - этот метод требует специального оборудования, создающего падающий ламинарный поток «занавес», и используется в крупносерийном производстве. ЖПМ наносится тонким слоем 20-30 мкм и в связи с этим практически не имеет ограничений по разрешению при всех рисунках монтажного слоя. Остальные операции: экспонирование, проявление, окончательное задубливание - аналогичны СПМ. Резист-защита (паяльная маска) на ПП может иметь цвет от светло-зеленого до изумрудного в зависимости от марки резиста и фирмы изготовителя. Цвет на функциональные характеристики не влияет, поэтому не может быть браковочным признаком. Система базирования От системы базирования во многом зависит выбор величины элементов рисунка, зазоров между ними, типа и габаритов платы и, в конечном счете, надежности и стоимости изделия. Оснастка участка прессования выбирается с точки зрения возможности с ее помощью собирать МПП с максимальной точностью. Она включает: • оснастку сверления и пробивки базовых отверстий в заготовках (кондуктора, штампы); • оснастку для прессования МПП (пресс-формы). В кондукторах выполняются сверлением отверстий во вспомогательных материалах, точность сверления может быть не выше d + 0,1 мм. Пробивка баз в кондукторах и штампах выполняется с точностью d (+0,005..+0,015) мм. Межцентровое расстояние при этом между двумя отверстиями - ±(0,01-0,02) мм. Неперпендикулярность осей двух пар отверстий ±(0,03..0,04). Следует отметить, что сборка может вносить дополнительную погрешность ±(0,01.. 0,02) мм. При размере баз диаметром 5 мм в штампах выполняется: • пуансон диаметром 5,01-0,002 • матрица диаметром 5,01+0,002 В пресс-формах точность совмещения прессуемых в пакет слоев зависит от 109

каленых втулок, запрессованных в нижнюю плиту пресс формы. Внутренний диаметр во втулках выполняется диаметром 5,01+0,005. Внешний диаметр 10 мм под запрессовку в плиту выполняется диаметром 10 и 6 для стальной плиты или диаметром 10 и 8 для дюралевой плиты пресс-формы. Штифты при этом диаметром 10-0,005. При запрессовке диаметр втулки усаживается в среднем на 7-9 мкм, после чего внутренний диаметр укладывается в размер диаметром 5 (+0,012). Пресс-формы со стальными плитами эксплуатируются для габаритов не более 250х300 мм, штифты в них разнесены по контуру. При этом втулки выполнялись диаметром 5, а штифты диаметром 4,95-0,01. Для прецизионных МПП снизить величину несовмещения слоев можно за счет изменения положения нулевого базового отверстия. Таким положением «0» целесообразно выбирать центр слоя. В результате величина несовмещения будет в два раза меньше усадки материала, так как последняя распространяется от центра во все стороны к периферии слоя. Все три базовые отверстия располагаются на продольной оси симметрии. Центральное отверстие выполняется диаметром 5 (+0,012), центральный штифт диаметром 5 -0,005, -0,01. Два краевых отверстия - пазы с шириной 5 при плоских штифтах. Теперь при прессовании слои имеют свободу перемещения от центра к периферии по X и Y, поворот слоя гарантированно ограничен по большой стороне. Кроме прессования такое же базирование принято на операциях изготовления рабочих фотошаблонов, экспонирования и сверления, т.е. сквозное базирование на весь техпроцесс. Базирование имеет ряд преимуществ: • снижение влияния усадки материала в два раза; • можно ввести поправку при изготовлении фотошаблонов или сверловке, условно усадка изменяется по линейному закону от центра «0», • облегчена сборка пакета при прессовании, • прост процесс контроля погрешностей фотошаблона и слоя, т.к. «0» микроскопа совмещается с центром центральной базы; Кроме названной оснастки, при изготовлении прецизионных МПП применяется сквозная оснастка метода «ПАФОС» - носитель. Для слоев габаритом 200х250 мм применим носитель габаритом 260х340 мм из нержавеющей стали толщиной 1 мм, в котором расточены три базовых отверстия: центральное - диаметром 5 и два крайних паза шириной 5. Введение в техпроцесс «ПАФОС» новой оснастки - носителя потребовало создания нового оборудования: • установки щелочной очистки носителей от эпоксидной смолы; • станка зачистки поверхности носителей; • станка зачистки фольги с торцов носителя; • штампов изготовления базовых шайб. Прессование МПП. Основной отличительной технологической операцией изготовления МПП от ДПП является операция склеивания отдельных слоев прессования. 110

Склеивание отдельных слоев в монолитную структуру является наиболее ответственным моментом в процессе изготовления многослойных плат. Качество выполнения этой операции определяет как механические характеристики МПП, так и ее функциональную надежность при последующей эксплуатации. В процесс склеивания слоев входят основные операции: • подготовка слоев перед склеиванием; • формование пакета, т.е. сборка слоев по чертежу с определенным количеством листов препрега; • склеивание. Последовательность прессования представлена на рисунке. Рассмотрим более подробно весь процесс и исходные компоненты, а также факторы, влияющие на качество склеивания. Анализ препрега Подбор режима прессования Нарезка препрега и пробивка базовых отверстий

Кондиционирование диэлектрика Визуальный контроль Изготовление слоев

Нарезка вспомогательных материалов, пробивка базовых отверстий Очистка пресс-форм, штырей, прокладок

Очистка слоев перед прессованием Оксидирование поверхности слоев Комплектование, сборка пакетов в пресс-форме Выемка пресс-форм из пресса

Прессование с малым давлением

Снятие напряжений

Прессование с давлением отверждения (высоким)

Удаление заготовок из пресс-форм Обрезка облоя кромок

Охлаждение под давлением

Контроль качества

Процесс склеивания

Для склеивания отдельных слоев применяется прокладочная стеклоткань препрег: стеклянная ткань, пропитанная связующим, состоящим из эпоксидной смолы и отвердителя. Потребители получают полуполимеризованную стеклоткань в стадии «В», т.е. подсушенную до отлипа, но сохраняющую свою склеивающую способность. Смола, пропитывающая стеклоткань, при нагревании разжижается, превращается в гель, а затем наступает полимеризация, после которой смолу уже невозможно расплавить нагреванием. Препрег, поступающий с заводов-изготовителей, имеет ряд технических характеристик: содержание летучих, нанос смолы, текучесть, но в настоящее время 111

практически нет показателя времени гелеобразования - важнейшего фактора выбора режима прессования. Время гелеобразования - это время перехода смолы, расплавленной из жидкого состояния в твердое, т.е. начало образования химических связей смолы и отвердителя. В зависимости от задач технологии, оборудования, можно проводить «горячее» или «холодное» прессование, т.е. помещать пресс-формы с пакетами МПП в горячие или холодные плиты пресса. Время геля при анализе препрега определяют по выбранному методу прессования. Соответственно выбирается режим прессования. Момент приложения второго давления является определяющим для качества изоляции МПП. Необходимо производить приложение второго давления в момент перехода смолы в состояние геля. Если приложить давление, когда смола находится в жидком состоянии, то значительное количество смолы будет выдавлено и прокладочная стеклоткань будет обессмолена, что не обеспечит качественной склейки МПП. Если приложить второе давление после геля, то будет много пустот от неушедших летучих соединений и плохая связь между слоями. Температура прессования выбирается в зависимости от скорости отверждения и колеблется от 165°С до 185°С. Увеличение времени выдержки прессования до 2-х часов, поднимает температуру стеклования диэлектрика на 10-15°С, дальнейшее увеличение времени прессования улучшения качества изоляции не дает. Недостаточная продолжительность прессования ведет к увеличению брака готовые изделия обладают способностью к вздутию, короблению, пониженной влагостойкости и наволакиванию смолы в отверстиях на медные торцы при сверлении. Прокладочная стеклоткань, применяющаяся для склеивания МПП, должна храниться в холодильнике или камере с температурой 10-120С и влажностью 25%. Принято хранящуюся в холодильнике стеклоткань перед прессованием выдерживать на воздухе (~2 часов) при относительной влажности 50%, но этим не достигается полное удаление влаги. Остатки влаги внутри склеивающих прокладок являются причиной относительно частых расслоений МПП, кроме того, влага вскипает во время прессования и выталкивает размягченную смолу в облой. Таким образом, одной из причин увеличенного и вспененного облоя (помимо раннего времени подачи 2 давления) является повышенная увлажненность препрега и диэлектрика. Для сушки прокладываемой стеклоткани нельзя применять нагрев, т.к. он изменяет технологические свойства связующего - текучесть и время геля. Можно использовать лишь способы сублимации: выдержка в сухих камерах и вакуумирование. Наилучший вариант - после нарезки и пробивки базовых отверстий поместить препрег в камеру и изымать непосредственно перед сборкой MПП, т.к. ресорбция влаги препрегом и внутренними слоями МПП происходит очень быстро, ~30 минут. Слои для МПП представляют собой обычные печатные платы, выполненные на тонких ф/диэлектриках с 1 или 2-х сторонним расположением проводников. МПП состоят из экранных слоев (слоев питания) и слоев сигнальных с 112

переходными соединениями или без них. Подготовка слоев перед склеиванием обычно состоит из очистки поверхности от возможных органических и неорганических загрязнений путем обработок в декапирующих и моющих растворах или растворителях с тщательной последующей промывкой в дистиллированной или деионизованной воде и термообработки с максимально возможной температурой для данного диэлектрика. После подготовки слои подвергаются обязательной сушке в сушильном шкафу при t – 900С в течение 2-х час. Для повышения прочности сцепления слоев с препрегом производится дополнительная обработка слоев. Для односторонних слоев - обработка пемзой для создания шероховатой поверхности со стороны диэлектрика, т.к. односторонний диэлектрик с полимерной стороны имеет глянцевую поверхность, которая имеет тенденцию к отслоению при изготовлении МПП на последующих операциях. На слоях, имеющих большую поверхность меди, проводится оксидирование, повышающее адгезионные свойства медной фольги. После проведения всех операций идет выборочный контроль чистоты отмывки - на сопротивление изоляции. Окончательная сушка слоев проводится непосредственно перед прессованием, особенно во влажные дни. Нарезка вспомогательных материалов - кабельной бумаги и триацетатной пленки может производиться заблаговременно. Кабельная бумага режется в габарит прессформы, а триацетатная пленка на 3-4 см больше с каждой стороны для предотвращения затеков смолы на прессформу и плит пресса при растекании смолы. Базовые отверстия в бумаге пробиваются заранее, а в триацетатной пленке незадолго до прессования, т.к. она усаживается и при посадке на штыри базовые отверстия подрываются и на поверхности МПП получаются деформированные базовые отверстия, которые препятствуют получению качественного рисунка наружного слоя. Точность пробивки базовых отверстий в пленке, бумаге и стеклоткани различна. Для триацетатной пленки требуется большая точность, т.к. они деформируют качество базовых отверстий. А стеклоткань формирует отверстие в соответствии с имеющейся оснасткой - точностью посадки прокладочных листов на фиксирующие штыри. Прессформы и прокладочные листы должны быть очищены от натеков смолы в отверстиях и по поверхности, что гарантирует от наличия неплоскостности (клина) при прессовании. Данные операции должны проводиться после каждой запрессовки. Формирование пакета, состоящего из слоев, листов прокладочной стеклоткани, формирующей изоляцию межслойную, и вспомогательных деталей, обеспечивающих условия нормального склеивания, производится с учетом требуемой толщины будущей MПП. Расчет толщины МПП обычно выполняют предварительно замерив: • толщины слоев ф/диэлектрика, т.к. он имеет разброс по номинальной толщине в соответствии с ТУ до ±30%; • толщины основы прокладочной стеклоткани; 113

• определив число листов прокладочной стеклоткани. При этом соблюдается следующее правило: для формирования межслойной изоляции следует использовать, как минимум, два листа прокладочной стеклоткани. Толщина листов прокладочной стеклоткани, толщина слоев и число листов прокладочной стеклоткани между слоями должны быть указаны в чертеже МПП. При сборке пакета необходимо выполнить следующие переходы: • на нижнюю плиту со штифтами установить съемную плиту, для предупреждения прилипания смолы к штифтам необходимо смазать их противоадгезионным составом, например раствором ЕКГ; • на поверхность съемной плиты уложить триацетатную пленку; пакет кабельной бумаги - служит «подушкой», выравнивающей давление при склеивании; • триацетатная пленка; • полированную плиту из нержавеющей стали - служит основой, формирующей поверхности, изъяны которой воспроизводятся на поверхности наружных слоев МПП, поэтому контроль чистоты ее поверхности должен производиться особенно тщательно; • триацетатная пленка; • пакет МПП, собранный по структуре с учетом толщин слоев; • триацетатная пленка; • полированная плита; • триацетатная пленка - кабельная бумага – триацетатная пленка; • съемная плита. В зависимости от толщины МПП в одну пресс-форму можно поместить до 2-х МПП, если позволяет высота штырей, но больше нежелательно, т.к. будет неравномерный прогрев пакетов МПП и особенно при горячем прессовании, средний пакет МПП прогреется несколько позже и приложение второго давления произойдет при различных состояниях расплавленной смолы в пакетах. Все вспомогательные материалы, слои, прокладочную стеклоткань надевают фиксирующими отверстиями на штыри пресс-формы. Необходимо следить, чтобы прокладочная стеклоткань, листы триацетатной пленки и слои одевались на штыри с небольшим натягом и ни в коем случае не изгибались. Допускается подрезка отверстий на листах кабельной бумаги и прокладочной стеклоткани с целью устранения гофра. После сборки пакета в пресс-форму идет загрузка в пресс. Для получения качественно спрессованных МПП необходимы прессы: • с высокой точностью поддержания температуры плит пресса; • с высокой точностью поддержания давления в процессе прессования; • с возможностью автоматического многоступенчатого поднятия давления. Более качественно осуществляется прессование на вакуумных прессах. К преимуществам вакуумного прессования относятся: • удаление воздуха, содержащегося между слоями и препрегом; • более полное удаление летучих при более низкой температуре, что дает возможность удалить их до начала загустевания смолы (при вакууме снижается точка кипения растворителей); • снижение удельного давления на 20% (увеличивается % содержания 114

смолы в спрессованном препреге). В качестве общих положений процесса склеивания можно отметить следующие: 1). Равномерность нагрева пакета, более высокая при его загрузке в холодные плиты, т.к. прогрев происходит по мере повышения температуры на обогревных плитах и неравномерность температуры плит пресса сглаживается теплопроводностью плит и приспособления для склеивания. Но производительность процесса склеивания снижается. 2). Во время прогрева пакета не следует допускать максимального давления, т.к. при достижении температуры начала текучести смолы ее течение (под высоким давлением) может вызвать сдвиг проводников. Правильнее, если на период прогрева пакета до температуры на 10-15°С выше начала размягчения смолы плиты пресса просто сомкнуть на пресс-формах или дать минимальное давление. 3). Верхний предел температуры нагрева пакета определяет скорость реакции полимеризации. Он должен быть ниже температуры деструкции полимера не менее чем на 10-20 С. С увеличением верхнего предела температуры возрастает скорость отверждения и получается более рыхлая структура. 4). Величина давления, прикладываемого к пакету, определяет течение смолы и равномерность заполнения ею пустот между проводниками слоев. Излишне высокое давление вызывает слишком большое выдавливание смолы при достижении ею максимума текучести, на недостаточном давлении не обеспечивается равномерность заполнения пустот рельефа. Оптимальным считается давление, при котором в процессе прессования величина облоя 5-10 мм. 5). Суммарное время склеивания определяется временем достижения максимальной температуры склеивания, временем выдержки при максимальной температуре и скоростью охлаждения пакета. Время выдержки при максимальной температуре зависит от скорости полимеризации смолы. 6). Охлаждение склеенного пакета рекомендуется выполнять, не снимая давления (даже на короткое время). Скорость охлаждения выбирается производителем. Температура, при которой производится разъем пресс-форм должна быть не выше 40°С. Для снятия напряжений в МПП после прессования используется либо дополнительное термокондиционирование, либо проводится длительное охлаждение в прессе и разъем пресс-форм через 12 часов после съема с пресса. Обрезка облоя производится по шаблону, для сохранения постоянных размеров спрессованной МПП, что необходимо участкам сверления и гальваники. Контроль качества спрессованных МПП невозможен без разрушения пакета, в связи с чем большое значение приобретает контроль и соблюдение режима склеивания, т.е. технологическая дисциплина. В качестве косвенного контроля рекомендуется контроль величины облоя и замеры толщины спрессованной МПП, которые должны соответствовать расчетной. Сверление отверстий. Для сверления слоев и пакетов ПП предпочтение отдается станкам, имеющим 80 000 - 110 000 об/мин шпинделя с воздушным подшипником. Биение такого шпинделя не превышает 3 мкм. Для уменьшения вибрации станки устанавливаются на воздушные подушки. Сверление отверстий малых диаметров (от 0,5 до 0,3 мм) требует 115

выполнения некоторых условий: • Печатная плата должна быть надежно закреплена. • Вакуумный отсос стружки эффективно убирает стружку не только с поверхности платы, но и из отверстия. • Подкладка снизу должна быть предварительно рассверлена. • Подкладка сверху (лист алюминия 0,2 мм) подкладывается только при наличии большого инструментального разброса. • Временная пауза между сверлильными циклами должна быть увеличена с 32 миллисекунд до 90 миллисекунд. • Режим резания должен точно соответствовать конструктивным особенностям печатной платы. Требования к качеству просверленных отверстий малого диаметра в сигнальных слоях МПП: • величина заусенца на краях просверленных отверстий не более 35 мкм; • не допускаются разрывы контактных площадок просверленными отверстиями; • количество отверстий для смены сверла определяется путем измерения величины притупления режущих кромок сверла, которая должна быть не более 25 мкм. Обычный сигнальный слой имеет толщину 0,25 мм. Таким образом, при сверлении, например, 800 отверстий общая длина сверления составляет 0,2 м; • после окончания сверления всех отверстий, заложенных в программу, на технологическом поле сигнального слоя по специальной программе сверлятся 8 контрольных точек, по которым производятся измерения после каждой из технологических операций, вплоть до склеивания сигнального слоя в пакете МПП; • общая сумма погрешностей после сверления металлизируемых переходных отверстий в сигнальном слое не должна превышать 60-80 мкм. Базовые технологические отверстия диаметром 5 мм растачиваются в сменной подкладке на расточном станке. Базовые технологические отверстия изделия (сигнальный слой МПП) формируется на пресс-форме. Подкладка и сигнальный слой МПП совмещаются при помощи технологических штырей на базовых элементах стола сверлильного станка. Метод универсален. Применяется для сверл всех диаметров. Глубина сверления выбирается минимальной, чтобы уменьшить количество поломок сверл. Для сверления сквозных отверстий требуется специально изготовленная постоянная подкладка. Постоянная подкладка подвергается сквозному предварительному сверлению сверлом диаметром на 0,2 мм больше, чем это предусмотрено в рабочей программе сверления самого изделия. Требуется также подкладка одноразового применения из фольгированного диэлектрика 0,25 мм толщиной. Для сверление диэлектриков с особо тонкой фольгой применяется защитная маска, предохраняющая поверхность фольги от воздействия прижимного башмака сверлильного станка 25 - 30 кг/см2. Защитная маска - это подкладка толщиной 0,5 мм из фольгированного диэлектрика, просверленная предварительно по рабочей программе. Может быть изготовлена из органического стекла. Если есть проблемы с инструментальным разбросом, то под маску 116

подкладывается тонкий (0,1 мм) алюминиевый лист. Такой метод позволяет получить качественное сверление особо тонких диэлектриков, не увеличивая существенно толщины сверления. Требования к качеству отверстий малого диаметра, просверленных в ПП с соотношением толщина платы - диаметр сверла более чем 10:1: • перпендикулярность отверстия должна гарантировать отсутствие разрыва контактной площадки на противоположной стороне печатной платы; • качество стенки просверленного отверстия может быть неодинаковым на входе и выходе отверстия из печатной платы, однако оно должно быть приемлемым и достаточным для последующей обработки отверстия в плазме; • шероховатость стенок просверленных отверстий должна быть не более 30 мкм; • величина заусенцев на контактных площадках медных слоев не более 10 мкм; • метод извлечения обломка сверла из отверстия должен гарантировать сохранность этого отверстия для дальнейшей его обработки; • при двухстороннем сверлении отверстий величина несовпадения двух просверленных навстречу друг другу отверстий не должна препятствовать вставлению в отверстие стального калибра диаметром на 50 мкм меньше диаметра сверла; Глубина внедрения в материал платы твердосплавного сверла должна быть меньше длины нарезной части сверла на 2 диаметра сверла. Разрушение сверла происходит при внедрении его в материал платы на глубину в 13 раз превышающую диаметр сверла. Сверло ломается при закупоривании стружковыводящей канавки и, таким образом, в большинстве случаев глубина сверления ограничивается длиной нарезной части сверла. Методы глубокого сверления, которые ограничиваются длиной нарезной части сверла: • Метод обычного сверления всех отверстий, заложенных в программу, до определенной глубины. • Метод двухстороннего сверления плат. • Метод многоразового сверления одного и того же отверстия. • Метод сверления, последовательно наращиваемой толщины печатной платы: для первого сверления выбирается толщина, которая надежно, без поломок сверл просверливается на сверлильной станке. Для второго сверления сверху приклеивается плата (или ее часть) такой же толщины и просверливается по той же программе, и так далее. Достоинством метода является очень большая (до 50:1 и больше) глубина сверления и возможность сверхглубокого сверления обычными стандартными сверлами. При сверлении до глубины 15:1 двухлезвийными сверлами наблюдается инструментальный разброс по поверхности до 20 - 15 мкм и увод сверла на противоположной стороне платы до 15 - 25 мкм. Инструментальный разброс хорошо компенсируется алюминиевым листом 0,15 - 0,2 мм, накладываемым сверху. Увод сверла полностью компенсируется применением трехлезвийных сверл. 117

Сложные платы с большими толщинами сверлятся поодиночке. Базовые отверстия многослойных плат формируются на пресс-форме. Базовые отверстия двухсторонних плат могут изготавливаться в кондукторах и непосредственно на сверлильных станках. В платах с большими толщинами смена сверла - через 600 -400 отверстий. Качество стенок просверленных отверстий трехлезвийными сверлами мало отличается от качества отверстий, просверленных двухлезвийными сверлами. Трехлезвийные сверла имеют прочную перемычку, хорошо выдерживают обороты шпинтеля в 11000 -120000, практически бесшумные в работе, но сложны в перезаточке, массового применения не получили. Подготовка поверхности стенок отверстий. Подготовка сквозного межслойного перехода включает следующие этапы: • удаление рыхлых, слабосвязанных с поверхностью стенки сквозного межслойного перехода продуктов сверления, • очистка от загрязнения («наволакивания») полимерным связующим изоляции диэлектрика контактирующих поверхностей проводников, входящих в сквозной межслойный переход, • обеспечение адгезии меди с диэлектрической поверхностью сквозного межслойного перехода в процессе формирования металлизированного проводника, • сохранение изоляционных свойств диэлектрика в зоне сквозного межслойного перехода. Появление загрязнения в сквозном переходе обусловлено различными процессами физико-механического характера, сопровождающими процесс сверления ПП. Условия резания стеклопластика с различными полимерными связующими обладают характерными одинаковыми недостатками: • плохая теплопроводность, • высокое адгезивное воздействие на сверло, • неоднородность структуры (полимерное связующее, медь, стеклоткань). Удаление рыхлых, слабосвязанных с поверхностью стенки сквозного межслойного перехода продуктов сверления не вызывает большого затруднения, поскольку имеется много методов и оборудования для выполнения данной операции. Намного сложнее обстоит дело с очисткой от полимерного связующего контактирующих поверхностей. Необходимость удаления «наволакивания» обусловлена следующими основными причинами: • «наволакивание» препятствует электрическому контакту между проводниками, выходящими в сквозной межслойный переход, и формируемым цилиндрическим проводником, • полимерное «наволакивание» в процессе пайки или оплавления может подвергнуться деструкции с выделением газообразных продуктов. Для всех полимерных материалов существует характеристика, которая для термопластов называется» температура стеклования», а для реактопластов • «температура размягчения»: Тст. Для большинства эпоксидных композиций отечественного производства Тст лежит в диапазоне 80-120°С, а 118

деструкция эпоксидных полимеров начинается со 180°С. В процессе сверления МПП сверло может достигать температуры 3600С, в результате этого полимерное связующее разогревается, приобретает высокую эластичность и адгезионную способность. В ходе разогрева полимерное связующее может быть модифицировано, что приведет к изменению химических связей и изменению структуры, и может вызвать большие осложнения при удалении «наволакивания». Помимо очистки контактирующей поверхности проводника, входящего в сквозной межслойный переход, необходимо удалить часть полимерного связующего с диэлектрической стенки сквозного межслойного перехода, поскольку в момент сверления тонкий слой изоляции диэлектрика подвергается термическому воздействию. Другим аспектом подготовки контактирующих поверхностей является обеспечение адгезии химической меди к поверхности сквозного перехода. Это достигается с помощью механических методов, поскольку после удаления полимерного связующего образуются рыхлые продукты. Использование любых методов подготовки контактирующих поверхностей не должно ухудшать сопротивление изоляции в зоне сквозного межслойного перехода за счет возникновения металлизированных капилляров. Имеющиеся в настоящее время методы подготовки контактирующих поверхностей можно разделить на следующие группы: 1). Механическая подготовка, 2). Химическая подготовка, 3). Плазмохимическая подготовка. С появлением плазмохимической очистки все эти методы условно можно разделить на «мокрые» и «сухие». Для MПП механические методы подготовки применяются только в комплексе либо с «мокрыми», либо с «сухими» методами. Наибольшее распространение из механических методов получил метод гидроабразивной обработки, суть которого заключается в создании водной пульпы электрокорунда или пемзы в определенном соотношении и подачи их с помощью сжатого воздуха или насоса через форсунки на обрабатываемые отверстия. Сама очистка осуществляется за счет кинетической энергии абразивных частиц. Этот метод хорошо применять в тех случаях, когда сквозные межслойные переходы имеют большой диаметр и толстую медную фольгу наружных слоев. Однако, в случае перехода к МПП с малыми сквозными переходами и тонкой фольгой наружных слоев появляются явления «наклепа» фольги, создающие экранирующий эффект над отверстием межслойного перехода. Это приводит к следующему: • трудно полностью удалить абразивные частицы; • при химической обработке растворы труднее удалимы. Прогрессивным методом считается применение струй воды высокого давления (более 60 бар), поскольку здесь отсутствует эффект «наклепа», нет необходимости удаления абразивного порошка. Этот метод наиболее применим для глубоких сквозных отверстий. Но в случае тонкомерной фольги, толщиной 512 мкм, необходимо контролировать состояние фольги наружных слоев с тем, чтобы избежать необратимых разрушений. Из химических методов в настоящее время наибольшее развитие и распространение получили следующие: Подготовка поверхностей с помощью серной и фтористоводородной кислот 119

как в смеси, так и раздельно; Подготовка с использованием хромового окислителя; Подготовка с использованием щелочного раствора перманганата калия. В России наибольшее распространение получил метод с использованием кислот, тогда как за рубежом большое распространение получил метод с использованием хромосодержащего окислителя. Однако, необходимо отметить, что в настоящее время усиленно рекламируется перманганатный метод, который пока широкого распространения не получил. Однако, необходимо помнить, что химические методы не являются универсальными, а направлены на один, или максимум на два типа полимерных связующих, что существенно снижает их эффективность, особенно при создании МПП на новых материалах. Помимо этого выявлено, что химические методы очень сложно использовать при очистке глубоких отверстий. Это обусловлено тем, что глубокие отверстия приобретают свойства капилляров, а это в свою очередь, затрудняет удаление из них раствора и приводит к различным дефектам. Кроме того, скорость травления в кислотных травителях является трудно управляемым процессом, так за несколько секунд может быть стравлено свыше 60 мкм эпоксидного диэлектрика. На скорость травления влияет плотность и концентрация кислот, температура и степень полимеризации связующего изоляции диэлектрика. При этом может происходить проникновение травящего раствора за счет капиллярных сил внутрь изоляции диэлектрика по границе раздела полимерное связующее - стеклоткань. Здесь предположителен следующий механизм: во время сверления происходит расщепление между полимерным связующим и стеклотканью, из -за плохого удаления аппрета в эту полость проникают сначала насыщенные пары травителя, которые и увеличивают размеры этого капилляра. В процессе металлизации по этому капилляру осаждается медь, что приводит к образованию паразитных емкостей, снижению сопротивления изоляции диэлектрика в зоне сквозного перехода вплоть до образования короткого замыкания. Аналогичные дефекты просматриваются и у других химических методов очистки, поэтому они не пригодны при изготовлении высокоплотных МПП с большим отношением толщины к диаметру. Кроме этого, все эти методы являются очень токсичными для персонала и требуют соблюдения специальных условий работы и оборудования. Вследствие высокой коррозийной активности срок службы оборудования ограничен. Помимо этого, встает много проблем с утилизацией отработанных растворов, которые обладают высокой экологической опасностью: как кислотные травители содержат фенолы, а другие соли тяжелых металлов, такие как хром и марганец. Исходя из всего сказанного выше, более безопасным и более технологичным является метод плазмохимической подготовки. Начиная с 1975 года, идет постоянный поиск улучшения оборудования и технологии подготовки контактирующих поверхностей плазмохимическим методом. Но побочные эффекты не дали возможность сразу и широко применить этот метод. Плазма образуется при внешнем электрическом воздействии с помощью различного рода газовых разрядов в сильных постоянных и переменных электрических и постоянных магнитных полях. Характерная частота переменного электрического поля - от единиц килогерц до единиц гигагерц. В зависимости от 120

фирмы и типа оборудования используются все эти частоты. Так фирма «ТехниксПлазма» ФРГ для моделей (3017Е; 3027Е; 3067Е) использует частоту 40 - 45 кГц, а в моделях 3007S - 2,45 ГГц. Использование тех или иных частот обязывает внимательно относиться к времени обработки, поскольку увеличение частоты приводит к резкому разогреву диэлектрика за счет диэлектрических потерь. При протекании плазменного процесса в ограниченном объеме реактора происходит как ионизации, так и рекомбинация. Кроме того, плазма обладает различными видами излучений, где не последнее место занимает ультрафиолет. Суть плазмохимической очистки или подготовки составляет процесс плазмохимического травления полимерного связующего диэлектрика: основу процессов плазмохимического травления составляют химические реакции энергетических частиц плазмы с материалом на его поверхности. Инициирование таких реакций возможно только при наличии высокой химической активности частиц плазмы. Для проведения этой очистки применяется газоразрядная плазма, использующая в качестве газовой среды кислород и фреон. Под действием высокочастотного электрического поля молекулы кислорода и фреона переходят из стабильного состояния в возбужденное и при этом образуются: активные молекулы, активные атомы, свободные радикалы, ионы, электроны. В процессе плазмохимического травления более 90% активных частиц составляют свободные радикалы, которые и представляют собой главный источник реакционной способности плазмы. Число ионов, участвующих в процессе, не превышает нескольких процентов от числа радикалов, следовательно, процесс протекает по радикальному механизму. Подготовка контактирующих поверхностей заключается в следующем: 1 механическое удаление рыхлых, слабосвязанных остатков продуктов сверления; 2 разрушение полимерного связующего на контактирующих поверхностях; 3 механическое удаление остатков полимерного связующего после разрушения. Обычно в России для исполнения этой схемы используют гидроабразивное оборудование и установки кислотного травления. Однако, наиболее оптимальным является оборудование, использующее струи высокого давления, фирм «Шмид» и «Реско». Помимо модуля струй высокого давления в эти установки входят модули с абразивными валками и блоком ультразвуковой отмывки и блоком сушки на выходе. Эти установки позволяют снимать заусенцы после сверления и удалять окисленный или ингибирированный слой с поверхности фольги. Для разрушения полимерного связующего и подготовки контактирующих поверхностей используется установка 3067Е фирмы «Техникс-Плазма». Эта установка обладает высокими технологическими характеристиками. Разработаны методики для подбора оптимального технологического режима. Суть методик заключается в том, что при разных технологических режимах полимерное связующее удаляется с разной скоростью и по разнице веса, переведенного на процент потери массы дается заключение об его эффективности. Существенным является то, что процент потери массы должен превышать процент влагопоглощения на данный конкретный диэлектрический материал. . Плазмохимическая обработка обладает универсальностью. За счет подбора 121

режима травлению подвергаются эпоксидные композиции, метилметакрилаты, полиимиды, а также фторопласты. При определении технологических режимов, куда входит определение соотношения рабочих газов кислород/фреон 14, мощность, передаваемая в реактор, время обработки, установлено, что для большинства эпоксидных композиций максимум травления приходится на соотношение кислорода к фреону, как 80% к 20%, рабочее давление 0,2 - 0,3 Мбар, мощность 3,0 - 3,3 кВт и время от 15 до 40 минут. Выбор времени плазмохимической подготовки зависит от толщины наволакивания полимерного связующего. В связи с этим разработана классификация качества сверления: величина наволакивания. Оценка качества сверления • до 2 мкм - отлично • до 5 мкм - хорошо • до 6 мкм - удовлетворительно • до 8 мкм - неудовлетворительно • свыше 8 мкм - совершенно неудовлетворительно. Наволакивание свыше 5 мкм нежелательно. В реальном производстве бывают случаи, когда величина наволакивания превышает толщину 5 мкм, тогда цикл повторяют и, как правило, все очищается. После разрушения полимерного связующего на контактирующих поверхностях необходимо удалить остатки продуктов реакции и подготовить поверхность стенки сквозного перехода под химическую металлизацию. Для этой цели используется установка «Комби-Браш». Создаваемое ею давление воды около 100 бар позволяет эффективно очищать сквозной межслойный переход от различных видов загрязнений. Современные методы подготовки контактирующих поверхностей в высокоплотных МПП базируются на комбинированном методе с применением гидромеханической очистки струями высокого давления и плазмохимической очистки. Гальваническая металлизация. Трудности процесса гальванической металлизации заключаются в том, что сложно сохранить хорошее отношение распределения толщины слоя от середины отверстия до поверхности в 0,8:1 и обеспечить малый разброс толщины покрытия на всей поверхности. В этом процессе работают с обычными сернокислыми медными электролитами с типичным составом: • 180-200 г/л серной кислоты • 20-25 г/л меди • 60-100 мг/л хлорида • блескообразователь и т.д. Плотность тока 2-6 А/дм . Для ПП с малыми диаметрами сквозных отверстий (большим отношением толщины платы к диаметру отверстия) требуются модифицированные электролиты с типичными показателями 200-220 г/л серной кислоты: • 15 г/л меди • 30-80 мг/л хлорида • специальные органические добавки 122

Плотность тока 0,3-1 А/дм. Чтобы достичь хорошего результата нужна оптимизация (проводящие - непроводящие) и распределения катодов и анодов.

экранов

Химическая металлизация. Первоначально медные растворы были так называемого типа тонкого наращивания, разработанные для температурного интервала 25-30°С, и осаждения от 0,25 до 0,5 мкм. На платах затем гальванически наращивалась медь от 5 до 7 мкм перед формированием рисунка. В настоящее время введены системы среднего наращивания - от 2,0 до 3,0 мкм меди, вследствие чего исключается необходимость гальваники перед формированием рисунка. Для получения такой меди необходимо не только мастерство химического осаждения, но и знание инженерных деталей процесса. Ключевые из них следующие: • Применение системы стабилизирования. • Хорошая циркуляция раствора ванны. • Использование чистых химикатов и концентратов. • Применение автоматизированного дозирования для добавления химикатов. • Непрерывная автоматизированная система анализа. • Точный контроль плотности раствора. Система стабилизирования включает в себя: • фильтрацию раствора; • барботаж воздухом; • охлаждение раствора химического меднения после работы и нагрев его перед работой; • использование эффективных стабилизаторов. Добиться высококачественного контроля и обеспечить стабильность ванны без эффективной фильтрации практически невозможно. Грязь или нерастворимые частицы могут действовать как центры кристаллизации, на которых инициируется беспорядочное выделение меди, ведущее к самопроизвольному разложению раствора. Непрерывная фильтрация является одним из действенных способов предотвращения этого разложения и сокращения времени на последующую очистку ванн и коммуникаций. Для снижения энергии активации и, соответственно, замедления скорости реакций металлизации полезно охладить раствор меднения на 2-3°С. Во время хранения ванны желательна непрерывная циркуляция или легкая аэрация ванны воздухом. Как показывает опыт работы, на каждые 190-200 л раствора, как минимум, необходим один фильтрующий патрон высотой 250 мм и размером пор не более 15 мкм. Важным моментом, контролирующим реакцию химического меднения, является применение стабилизирующих компонентов, предотвращающих разложение раствора. Относительное удлинение высококачественной меди составляет 6-8%, прочность на разрыв 35 - 40 кг/см2, после сушки в течение 1 часа при температуре 120°С относительное удлинение возрастает до 12 - 15%. Такую медь можно получить при скорости осаждения 3-4 мкм/час. Для этого необходима комбинация таких свойств, как устойчивость, 123

предельная плотность загрузки и постоянная скорость осаждения. Предельную загрузку можно менять в довольно широких пределах путем изменения кратности циркуляции раствора. Для этого корректировку ведут не в рабочей ванне, а в отдельном отсеке рабочей ванны (вспомогательная или циркуляционная ванна), через который циркулирует определенная часть раствора из рабочей ванны. В нем раствор аэрируется сжатым воздухом, освобождается от растворенного в нем водорода, подпитывается корректирующими растворами и после фильтрации возвращается в рабочую ванну. Это дает возможность увеличить адгезию слоя химической меди в 1,5-2 раза и скорость металлизации в 2-2,5 раза. Циркуляция раствора способствует и лучшему удалению водорода из зоны реакции, что уменьшает степень наводораживания покрытия и повышает его качество. Это особенно важно при щелочном активаторе, когда адсорбируется органический комплекс палладия и формирование ядер палладия последует за восстановительной деструкцией водородной связи с выделением водорода. В этом случае палладиевая частица, обильно заряженная водородом, вводится в ванну меднения и ускоряет процесс рекомбинации и десорбции, особенно в начальной фазе меднения, значительно снижая время индукционного периода начала реакции. Конечно, такая ванна с комбинированной системой активатора и восстановителя дает металлизацию высшего качества при условии быстрого удаления водорода из зоны реакции. Поэтому очень важно, чтобы все частички палладия были покрыты медью, так как в обнаженном состоянии они выделяют абсорбированный водород. Количество частиц палладия размером 5 - 30 нм может достигать 10-15 на 1 см2 и непрерывное газообразование, в свою очередь, приведет к образованию микроканалов по всей толщине гальванического покрытия. Это усилит проникновение влаги к внутренней поверхности покрытых отверстий и слою химической меди, вызывая окисление ее и образование окисной пленки. При этом общее поперечное сечение проводников уменьшается и увеличивается их электрическое сопротивление. После продолжительных термоциклов в некоторый момент сопротивление изменится от долей миллиома до десятков миллиом и электрическая цепь отказывает. Наличие изолированного водорода (так называемая окклюзия) возникает вследствие повышения скорости осаждения. Тогда водород до начала десорбционного процесса окружается растущей пленкой меди. Пузырьки водорода, во-первых, препятствуют сплошному осаждению меди и, во-вторых, когда они лопаются на этих микроучастках, образуются солевые включения. При эксплуатации под воздействием атмосферной влаги на этих участках образуется электролит, который распространяется по микроканалам стеклопластика, снижая сопротивление изоляции вплоть до отказа платы. Там, где медь полностью покрывает палладий, микропустоты не образуются и, следовательно, раствор не попадает между осаждаемой медью и стенкой отверстия. Поэтому пайка в этом случае будет протекать быстрее, так как нагревается только медь. А там, где имеется захваченная влага, она будет удлиняться. Интенсивная хорошая циркуляция раствора ванны, снижение скорости осаждения, «отжиг» путем горячей промывки или сушки-меры, которые помогают достичь необходимого качества химической меди. Весьма существенное влияние на качество металлизации оказывает чистота воды и химических реагентов. Недопустимо применение для приготовления и пополнения технологических растворов водопроводной воды. Для промывки печатных плат рекомендуется применять дистиллированную или деионизованную 124

воду. Горячее лужение (оплавление). Операция заключается в нанесении паяемого покрытия на контактные площадки (КП), к которым в дальнейшем будут присоединены выводы компонентов. Покрытие должно быть равномерным, чтобы не нарушить дозировку припоя на КП, и сохраняющим паяемость в течение всего времени межоперационного хранения ПП. Производится эта операция окунанием ПП в расплавленный припой (как правило, оловянно-свинцовую эвтектику - ПОС-61) на несколько секунд, а затем протаскиванием платы между двумя узкими соплами, через которые продувается горячий воздух, сдувающий излишки припоя с поверхности ПП и из отверстий. Толщина покрытия и равномерность его определяется правильным выбором расстояния до сопел и их наклоном относительно плоскости платы. При субтрактивном способе изготовления платы, с использованием оловосвинца в качестве металлорезиста, то же назначение имеет операция оплавления, которая производится до нанесения паяльной маски. При описываемых операциях ПП подвергается значительному термическому воздействию, близкому к термоудару, что приводит к проявлению скрытых дефектов, заложенных на предыдущих этапах изготовления. Т.о. эти операции можно считать методом 100% технологических испытаний, обеспечивающих отбор плат с повышенной надежностью и эксплуатационной стойкостью. Маркировка. Операция, заключающаяся в нанесении на поверхность ПП специальной краской обозначений компонентов и их посадочных мест. Наносится методом трафаретной печати. Качество определяется допустимым разрешением по толщине линий (0,15 мм минимум), размером выполняемых шрифтов (1,3 мм минимум) и достигается оптимальным выбором вязкости краски и параметров сетки. По содержанию маркировка необходима в большей степени при наладке, ремонте, визуальном контроле узлов, собранных на ПП. Однако, в малосерийном производстве, когда размещение компонентов на ПП (особенно плотной) производится полуавтоматически или вручную, наличие маркировки существенно облегчает процедуру размещения компонентов Электрический контроль ПП. Основные требования к системам контроля связей плат нового поколения сводятся к следующим: • универсальность контактного устройства, т.е. возможность контроля плат с расположением контрольных точек в любых узлах заданной координатной сетки в пределах максимального поля контроля; • параметрический контроль сопротивлений связи и изоляции цепей с индивидуальным заданием допустимых значений этих параметров для каждой цепи в программе контроля (таблица цепей); • полное, исчерпывающее диагностическое описание выявленных дефектов, т.е. указание номера дефектной цепи (по конструкторской документации) и реальных координат всех точек, разъединенных в результате обрыва цепи, указание номеров цепей, между которыми имеется короткое замыкание и т.д.; 125

• объем контролируемого монтажа системы должен соответствовать максимально возможному количеству контрольных точек на плате; • достаточно высокая производительность контроля, обеспечивающая требуемый уровень производства; • высокие эксплуатационные качества, надежность, технологичность, удобство технического обслуживания. Качество металлизированных переходов определяется измерением сопротивления проводника (RМО)- металлического цилиндра перехода. Для этого с помощью одной пары контактов пропускается ток, а с помощью второй пары контактов измеряется падение напряжения:

Испытания ПП. Изучение причин отказов связей в МПП показывает, что в основном эти отказы вызваны разрывами в районе соединений межслойных переходов. Наиболее часто разрывы появляются в сквозных металлизированных отверстиях. По частоте возникновения разрывов на первом месте стоят районы углов на выходах отверстий, на втором месте - районы соединения внутренних слоев с металлизацией стенок отверстий. Не редки также случаи разрыва самой металлизации на стенках отверстий. Последний вид отказов обусловлен, как правило, сильной шероховатостью стенок, недостаточной выравнивающей способностью электролита меднения, наличием непрокрытых или со значительно протяженным или местным утоньшением металлизации, а также низкой пластичностью меди. Указанные причины также способствуют образованию отказов и в первых двух видах. Рассмотрим конструктивные особенности критических районов межслойных переходов и способы увеличения их надежности. Основное внимание должно быть уделено увеличению площади контактов и совершенствованию их формы с целью увеличения устойчивости к механическим нагрузкам. В широко используемом в последнее время способе увеличения площади контактных поверхностей на стенках в просверленных отверстиях стравливается не только смола, но также стекловолокна на глубину до 30 - 50 мкм. Этим стремятся открыть боковые поверхности контактных площадок и образовать замковое соединение контактной площадки и металлизации стенки отверстия. Совершенствования конструкции переходов проводится в обеспечение: • уменьшения толщины диэлектрика, сквозь который осуществляется переход, для уменьшения величины расширения; 126

• увеличения площади контактирования внутренних проводников и металлизации отверстия; • увеличения толщины металлизации в отверстии и в проводящих слоях, выступающих в отверстия; • согласования толщины соединяемых элементов конструкции перехода; • стабилизации структуры стенок отверстий на стадии подготовки под металлизацию; • увеличения содержания стеклоткани в зоне сквозных отверстий; • увеличения степени полимеризации смолы во всем объеме диэлектрика. Уменьшение напряжений в элементах переходов использованием метода ПАФОС достигается не только увеличением толщины площадок, но также за счет: • увеличения жесткости контактных площадок введением слоев никеля; • увеличения толщины металлизации стенок отверстия до 40 -50 мкм без ухудшения точности сигнальных проводников, так как они формируются до металлизации отверстий; • утапливания части КП в изоляцию, что уменьшает объем смолы под ними; • электрохимического формования высокопластичных контактных площадок. Автоматизация испытаний печатных плат. Испытание ПП на устойчивость к тепловым воздействиям проводятся с целью определения степени ухудшения качества межслойных переходов во время и после тепловых воздействий, аналогичных реальным воздействиям на платы в процессе изготовления, наладки и эксплуатации изделий. Другая цель таких испытаний - выявить дефекты, которые снижают надежность переходов в ПП, и определить конструктивно-технологические способы повышения надежности с учетом существующего уровня качества материалов и оборудования. Объективность оценки качества металлизации межслойных переходов ПП в значительной степени определяет правильность оценки уровня надежности и экономические показатели производства. Такие испытания необходимо проводить систематически в процессе изготовления высоконадежных ПП, а также как специспытания. Увеличение объема и оперативности получения информации о качестве металлизированных переходов может дать автоматизация испытаний. Наибольшая эффективность достигается автоматизацией контроля и регистрации состояния цепей с металлизированными переходами в течение всего периода испытаний, а также автоматизацией дозирования и смены видов воздействий на ПП, т.е. заданием программ испытаний. Для контроля целостности цепей и регистрации разрывов непосредственно во время термовоздействий на ПП используется специальное устройство контроля цепей. Это устройство обеспечивает непрерывное наблюдение одновременно за 180 цепями ПП, помещенными в камерах тепла и холода, и позволяет регистрировать кратковременные и постоянные разрывы цепей. Разрывом считается увеличение сопротивления цепи более 230 Ом при постоянном разрыве или 120 Ом при кратковременном разрыве цепи. 127

Для автоматизации испытаний ПП на термоциклирование применяется установка, в которой используется терморадиационный нагрев плат и охлаждение потоком воздуха, продуваемого через рабочий объем камеры, что позволяет нагревать и охлаждать ПП в автоматическом режиме. Платы могут испытываться в интервале температур от комнатной до +200°С. Время нагрева платы до предельной температуры 4 минуты, время охлаждения платы до комнатной температуры 7 минут. Циклы нагрева-охлаждения повторяются в зависимости от заданной программы, определяющей режим работы установки. Предусмотрено три режима работы: • нагрев платы до установленной температуры и выдержка заданное время; • нагрев платы до установленной температуры, выдержка заданное время и охлаждение до комнатной температуры; • автоматическое отключение нагрева платы и включение охлаждения в момент появления в испытуемой цепи разрыва и включение нагрева в момент восстановления цепи при охлаждении. Последний режим, названный условно «самоциклы» автоматически управляется характером поведения места отказа в цепи при термовоздействиях. Такое «самоциклирование» продолжается до тех пор, пока кратковременный разрыв связи, т.е. такой, когда связь восстанавливается (при определенной более низкой температуре), не перейдет в постоянный разрыв, т.е. когда связь не восстанавливается при охлаждении до комнатной температуры. Изучение характера изменения сопротивления цепи с металлизированными переходами в режиме самоциклирования на большом числе плат позволяет выявить особенности механизма перемежающихся отказов сквозных и внутренних переходных отверстий, а также сделать вывод о возможности локализации кратковременных отказов с помощью устройства, работающего в режиме нагрева платы до температуры, несколько превышающей температуру разрыва цепи. Последняя определяется во время работы устройства в режиме самоциклов. Применяется также установка испытания плат на термоциклирование, работающая на принципе конвекционного нагрева плат в воздушном пространстве между двумя горячими плитами, нагреваемыми распределенной системой электронагревателей. Охлаждение ПП осуществляется выдвижением их из зоны нагрева и обдувом воздухом из окружающей среды. В блоке управления имеется счетчик термоциклов, регистратор текущей и заданной температуры в камере. Блок регистрации разрывов в цепях испытуемых ПП контролирует появление отказов и фиксирует отдельно кратковременные и отдельно постоянные разрывы, с указанием адреса цепи. Устойчивость металлизированных переходов в ПП к воздействию термоударов эффективно исследовать на автоматизированной установке испытаний тепловыми ударами. Тепловые воздействия осуществляются с использованием иммерсионной теплопередачи в двух ваннах с кремнеорганической жидкостью. Цикл испытаний заключается в автоматическом перемещении платы из ванны с холодной жидкостью и погружения ее в ванну с горячей жидкостью термоудар нагрева, далее перемещение платы из горячей ванны и погружение ее в ванну с холодной жидкостью - термоудар охлаждения. Практически осуществляется пара термоударов. 128

Температурный диапазон горячей ванны задается программно в диапазоне от +20°С до +280°С, а холодной ванны 25±2°С. Время выдержки в горячей ванне можно задавать от 5 сек до 35 сек с интервалом 5 сек, а в холодной ванне от 1 мин до 8 мин с интервалом 1 мин. Время автоматического переноса из горячей ванны в холодную не более 16 сек. Надежность МПП. В обеспечение высокой надежности печатных плат требуется особая программа обеспечения качества печатных связей как на этапе разработки конструкции и технологии, так и на этапе изготовления опытного образца и серийного производства. Необходимо постоянно проверять правильность принятого решения в части: плотности и геометрии проводников; плотности и геометрии переходов; размера ПП; количества слоев; рисунка экранов; уровня технологических проблем при выбранной плотности; требований к необходимым материалам и состояния их разработки и изготовления, возможности обеспечения; контроля качества ПП в процессе изготовления или при сборке и эксплуатации; возможности создания такой же системы межсоединений (с эквивалентными электрическими и топологическими свойствами) при другой, более простой, конструкции и технологии изготовления; сведение до минимума расхода материалов и количества операций при изготовлении; технической реализуемости закладываемых допусков; выполняемости и степени обоснованности отступлений от требований стандартов; компетентности требований нормативных документов; какими средствами или методами обеспечивать установленные показатели технологичности и надежности; степени сложности в освоении технологии изготовления новых конструктивных решений; использования новой технологии; технологической базы предыдущих устройств; этапности перехода на новую технологию; сравнение (процент выхода годных, процент отказов и т.д.) разных способов аппаратной реализации операций и определения степени критичности операций. В конструкции связей используется много разнородных материалов (медь, стекло, смола), а в технологии изготовления много процессов. Многостороннее взаимодействие между материалами, процессами и внешними воздействиями влияет на надежность связей. Обеспечение высокой надежности связей должно базироваться на определении физических и химических причин ненадежности. Требуется проводить анализ механизмов образования дефектов и отказов, их взаимовлияние и зависимость от конструкции, технологии, условий испытаний и эксплуатации. По результатам анализа необходимо формировать конкретные конструктивно-технологические методы устранения или существенного уменьшения ненадежности. Сопоставление статистических данных о дефектах и отказах на разных этапах совершенствования конструкции, технологии и эксплуатации связей должно служить средством количественной оценки эффективности выбранных методов и средств нововведений. Оценивать интенсивность отказов многослойной печатной платы с внутренними металлизированными переходами (λпп) можно с помощью модели, представленной в виде: λпп = Nск·λск + Ncп·λсп + Nвн·λвн + Nkи·λки + Ncв·λсв, где Nск - количество контактов с внутренними слоями в сквозных 129

металлизированных отверстиях; Nвн - количество переходов через внутренние металлизированные отверстия; Ncп - количество сквозных металлизированных отверстий; Nkи - количество кольцевых изоляционных зазоров между слоями землипитания и металлизацией сквозных отверстий; Ncв - количество связей; λск - интенсивность отказа соединения торца контактной площадки внутреннего слоя с металлизацией сквозных отверстий; λсп - интенсивность отказа перехода через металлизированное сквозное отверстие; λвн - интенсивность отказа перехода через металлизированное внутреннее отверстие; λки - интенсивность отказа изоляции между проводником земли питания и металлизацией сквозного отверстия; λсв - интенсивность отказа связи из-за искажения формы сигнала выше допустимого. Основной вклад в надежность МПП вносят металлизированные переходы и изоляционные зазоры, В радиоэлектронных устройствах сложность печатных плат увеличивается. Соответственно растет число структурных элементов, определяющих надежность. Для сохранения надежности МПП на требуемом уровне необходимо значительно увеличивать надежность каждого структурного элемента. Высокая надежность многослойных печатных плат может быть обеспечена путем: оптимизации конструкции; оптимизации процессов изготовления; жесткого контроля материалов и процессов; испытания тест-свидетелей (тест-плат, тесткупонов); достоверной корреляцией надежности плат и результатов испытаний тест-свидетелей.

Приложение 2. Технологические маршруты изготовления печатных плат Технологический маршрут изготовления ОПП субтрактивным негативным методом с использованием пленочного фоторезиста (Процесс 1) Односторонний фольгированный диэлектрик Операция 1 Изготовление заготовок с базами Операция 2 Подготовка поверхности заготовок Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон экспонирование, проявление)

Негатив)

Операция 4 Операция 5 Операция 6

Контроль рисунка схемы Травление меди в освобождениях рисунка фоторезиста Удаление фоторезиста

Операция 34 Операция 14 Операция 7

Горячее лужение проводников Сверление крепежных отверстий Выходной контроль ОПП Готовые ОПП (без паяльной маски) 130

Операция 14 Операция 27 Операция 28 Операция 29

Сверление крепежных отверстий Подготовка поверхности ОПП под паяльную маску Нанесение паяльной маски Экспонирование паяльной маски

(Фотошаблон)

Операция 30 Проявление паяльной маски Операция 31 Дубление паяльной маски Операция 33 Флюсование Операция 34 Горячее лужение контактных площадок, не защищенных ПМ Операция 10 Отмывка ОПП Операция 36 Маркировка Операция 38 Сушка Операция 39 Выходной контроль ОПП Операция 40 Упаковка ОПП ГОТОВЫЕ ОПП С ПАЯЛЬНОЙ МАСКОЙ И МАРКИРОВКОЙ Технологический маршрут изготовления ОПП субтрактивным позитивным методом с использованием металлорезиста олово-свинец (Процесс 2) Односторонний фольгированный диэлектрик Операция 1 Нарезка заготовок фольгированного диэлектрика Операция 2 Пробивка базовых отверстий Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон экспонирование, проявление)

Позитив)

Операция 4 Операция 21

Контроль и ретушь рисунка схемы Электрохимическое осаждение сплава олово-свинец в окна фоторезиста Операция 6 Удаление фоторезиста Операция 22 Контроль, ретушь и подчистка по сплаву олово-свинец Операция 23 Травление меди, незащищенной олово-свинцом Операция 34 Оплавление сплава олово-свинец Операция 9 Отмывка ОПП Операция 37 Выходной визуальный контроль Операция 38 Мехобработка по контуру Операция 40 Упаковка ОПП ГОТОВЫЕ ОПП Технологический маршрут изготовления ОПП субтрактивным негативным методом с трафаретной печатью рисунка (Процесс 3) Односторонний фольгированный диэлектрик Операция 1 Изготовление заготовок с базами Операция 2 Подготовка поверхности заготовок Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон экспонирование, проявление)

Негатив)

Операция 4 Операция 5

Контроль и ретушь рисунка схемы Травление меди в освобождениях рисунка, незащищенных краской 131

Операция 6 Операция 34 Операция 7

Удаление краски с заготовок Горячее лужение проводников Выходной контроль ОПП Готовые ОПП Технологический маршрут изготовления ДПП позитивным методом с металлорезистом олово-свинец (Процесс 1) Фольгированный диэлектрик Операция 1 Нарезка заготовок фольгированного диэлектрика Операция 14 Сверление базовых отверстий Операция 14 Сверление металлизируемых отверстий Операция 15 Контроль качества и позиционной точности отверстий Операция 16 Подготовка к металлизации Операция 17 Химическая и предварительная электрохимическая металлизация всей поверхности и отверстий Операция 18 Выравнивание микронеровностей поверхности после металлизации Операция 2 Подготовка поверхности под СПФ Операция 19 Контроль металлизации Операция 3 Получение рисунка схемы наружных слоев из СПФ (Фотошаблон Позитив)

Операция 4 Операция 20 Операция 21 Операция 6 Операция 22 Операция 23 Операция 24 Операция 9 Операция 25 Операция 26 Операция 14 Операция 27 Операция 28 Операция 29 (ФШ) Операция 30 Операция 31 Операция 32 Операция 33 Операция 34 Операция 10 Операция 35 (Трафарет) Операция 36 Операция 37 Операция 38

Контроль и ретушь Электрохимическое меднение окон в СПФ Электрохимическое осаждение сплава олово-свинец Удаление СПФ Контроль, ретушь, подчистка по сплаву олово-свинец Травление меди, незащищенной олово-свинцом Химическое удаление сплава олово-свинец Отмывка ДПП Контроли ДПП визуальный и размерный Контроль ДПП электрический Сверление неметаллизируемых отверстий Подготовка поверхности ДПП под паяльную маску Нанесение паяльной маски Экспонирование паяльной маски Проявление паяльной маски Дубление паяльной маски, визуальный контроль Термо-вакуумная обработка ДПП Флюсование Горячее лужение контактных площадок, незащищенных паяльной маской Отмывка ДПП Маркировка Сушка Выходной визуальный контроль Мехобработка по контуру 132

Операция 39 Операция 40

Выходной электрический контроль Оформление и упаковка ДПП ГОТОВЫЕ ДПП Технологический маршрут изготовления ДПП методом “Тентинг” (Процесс 2) Фольгированный диэлектрик Операция 1 Нарезка заготовок фольгированного диэлектрика Операция 14 Сверление базовых отверстий Операция 14 Сверление металлизируемых отверстий Операция 15 Контроль качества и позиционной точности отверстий Операция 16 Подготовка к металлизации Операция 17 Химическая и предварительная электрохимическая металлизация всей поверхности и отверстий Операция 19 Контроль металлизации Операция 20 Электрохимическое меднение всей поверхности и отверстий до установленной толщины Операция 18 Выравнивание микронеровностей поверхности после металлизации Операция 2 Подготовка поверхности под СПФ Операция 3 (Фотошаблон Позитив)

Операция 4 Операция 5 Операция 6 Операция 7 Операция 9 Операция 25 Операция 26 Операция 14 Операция 27 Операция 28 Операция 29 (ФШ) Операция 30 Операция 31 Операция 32 Операция 33 Операция 34 Операция 10 Операция 35 (Трафарет) Операция 36 Операция 37 Операция 38 Операция 39

Получение рисунка схемы наружных слоев из СПФ (наслаивание, экспонирование, проявление) Контроль и ретушь Травление меди в освобождениях рисунка СПФ Удаление СПФ Контроль и подчистка ДПП Отмывка ДПП Контроли ДПП визуальный и размерный Контроль ДПП электрический Сверление неметаллизируемых отверстий Подготовка поверхности ДПП под паяльную маску Нанесение паяльной маски Экспонирование паяльной маски Проявление паяльной маски Дубление паяльной маски, визуальный контроль Термо-вакуумная обработка ДПП Флюсование Горячее лужение контактных площадок, незащищенных паяльной маской Отмывка ДПП Маркировка Сушка Выходной визуальный контроль Мехобработка по контуру Выходной электрический контроль 133

Операция 40

Оформление и упаковка ДПП ГОТОВЫЕ ДПП Технологический маршрут изготовления ДПП без металлизируемых переходов субтрактивным негативным методом (Процесс 3) Фольгированный диэлектрик Операция 1 Нарезка заготовок фольгированного диэлектрика Операция 2 Подготовка поверхности под СПФ Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон экспонирование проявление) Негатив) Операция 4 Контроль и ретушь рисунка схемы из СПФ Операция 5 Травление меди в освобождениях рисунка СПФ Операция 6 Удаление СПФ Операция 7 Контроль и подчистка проводников Операция 27 Подготовка поверхности ДПП под паяльную маску Операция 28 Нанесение паяльной маски Операция 29 Экспонирование паяльной маски (Фотошаблон) Операция 30 Проявление паяльной маски Операция 31 Дубление паяльной маски, визуальный контроль Операция 32 Термо-вакуумная обработка ДПП Операция 33 Флюсование Операция 34 Горячее лужение контактных площадок, незащищенных паяльной маской Операция 10 Отмывка ДПП Операция 35 Маркировка (Трафарет) Операция 36 Сушка Операция 37 Выходной визуальный контроль Операция 38 Мехобработка по контуру Операция 39 Выходной электрический контроль Операция 40 Оформление и упаковка ДПП ГОТОВЫЕ ДПП Технологический маршрут изготовления слоев МПП субтрактивным негативным методом (Процесс 1) Фольгированный диэлектрик Операция 1 Изготовление заготовок с базами Операция 2 Подготовка поверхности заготовок под СПФ Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон экспонирование, проявление) Негатив) Операция 4 Контроль и ретушь рисунка схемы из СПФ Операция 5 Травление меди в освобождениях рисунка СПФ Операция 6 Удаление СПФ с заготовок Операция 7 Контроль и подчистка слоев Операция 8 Оксидирование поверхности проводников на слоях ГОТОВЫЕ СЛОИ 134

Технологический маршрут изготовления МПП субтрактивным позитивным методом с металлорезистом олово-свинец (Процесс 2) Операция 9 Комплектование слоев МПП для прессования Операция 10 Финишная отмывка комплекта слоев Операция 11 Прессование пакета МПП Операция 12 Контроль спрессованной МПП Операция 13 Снятие оксидного слоя Операция 14 Сверление металлизируемых отверстий Операция 15 Контроль качества и позиционной точности отверстий Операция 16 Подготовка к металлизации Операция 17 Химическая и предварительная электрохимическая металлизация всей поверхности и отверстий Операция 18 Выравнивание микронеровностей поверхности после металлизации Операция 2 Подготовка поверхности под СПФ Операция 19 Контроль металлизации Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон) экспонирование, проявление) Операция 4 Контроль и ретушь Операция 20 Электрохимическое меднение Операция 21 Электрохимическое осаждение сплава олово-свинец в окна СПФ Операция 6 Удаление СПФ Операция 22 Контроль, ретушь и подчистка по сплаву олово-свинец Операция 23 Травление меди, незащищенной сплавом олово-свинец Операция 24 Химическое удаление сплава олово-свинец Операция 10 Отмывка МПП Операция 25 Контроль МПП визуальный и размерный Операция 26 Контроль МПП электрический Операция 14 Сверление неметаллизируемых отверстий Операция 27 Подготовка поверхности МПП под паяльную маску Операция 28 Нанесение паяльной маски (Фотошаблон) Операция 29 Экспонирование паяльной маски Операция 30 Проявление паяльной маски Операция 31 Дубление паяльной маски и визуальный контроль Операция 32 Термо-вакуумная обработка МПП Операция 33 Флюсование Операция 34 Горячее лужение монтажных площадок, незащищенных паяльной маской Операция 10 Отмывка МПП Операция 35 Маркировка (Трафарет) Операция 36 Сушка Операция 37 Выходной визуальный контроль Операция 38 Мехобработка по контуру Операция 39 Выходной электрический контроль Операция 40 Оформление и упаковка ГОТОВЫЕ МПП 135

Технологический маршрут изготовления слоев МПП полностью аддитивным методом (“ПАФОС”) (Процесс 3) Склеивающая стеклоткань (препрег) Операция 2 Подготовка поверхности носителей (листов нержавеющей стали) Операция 20 Электрохимическое осаждение сплошного тонкого слоя меди на поверхность носителей Операция 3 Получение рисунка схемы слоев из СПФ (наслаивание, (Фотошаблон экспонирование, проявление) Позитив) Операция 4 Контроль и ретушь рисунка схемы из СПФ Операция 21 Электрохимическое осаждение тонкого слоя никеля в окна рисунка из СПФ Операция 20 Электрохимическое осаждение слоя меди заданной толщины в окна рисунка из СПФ Операция 11 Прессование носителей с проводниками с набором склеивающих прокладок (препрега) Операция 38 Механическое расслаивание носителей от слоев с проводниками, утопленными в изоляцию Операция 5 Травление сплошного тонкого слоя меди с поверхности слоев ГОТОВЫЕ СЛОИ

Приложение 3. Технологический маршрут изготовления фотошаблонов для производства печатных плат (ПП). Типы фотошаблонов, применяемые для изготовления ПП Маршрут технологического процесса изготовления фотошаблонов для производства МПП современными методами ЭВМ Оборудование Наименование операции Подготовка управляющей информации Вывод информации на носитель Наименование изделия 2 Лазерный генератор изображений (ЛГИ) Оборудование Наименование операции Формирование латентного изображения на фотопленке Фотооригинал Наименование изделия 3 Процессор Оборудование обработка латентного Наименование операции Фотохимическая изображения Фотооригинал Наименование изделия 4 Микроскоп, денситометр Оборудование Наименование операции Контроль качества и геометрических размеров Наименование изделия

Фотооригинал 136

5 Оборудование Наименование операции Наименование изделия 6 Оборудование Наименование операции Наименование изделия 7 Оборудование Наименование операции Наименование изделия 8 Оборудование Наименование операции

Рабочее место ретушера Ретушь дефектов Фотооригинал Установка контактной печати Печать фотооригинала (формирование латентного изображения) Рабочий ФШ: 1. на фотопленках; 2. на диазопленках Процессор для проявления Фотохимическая обработка Рабочий ФШ Микроскоп, денситометр Контроль качества и геометрических размеров

Наименование изделия 9 Оборудование

Рабочий ФШ

Наименование операции

Изготовление базовых отверстий на рабочих ФШ Рабочий ФШ

Наименование изделия 10 Оборудование Наименование операции Наименование изделия 11 Оборудование Наименование операции Наименование изделия 12 Оборудование Наименование операции

Устройство для пробивки базовых отверстий

Микроскоп, денситометр Контроль параметров рабочих ФШ Рабочий ФШ Рабочее место ретушера Ретушь дефектов Рабочий ФШ

Комплектация рабочих ФШ, сопроводительных документов

Наименование изделия

137

оформление

Типы фотошаблонов, изготавливаемые на фотоэмульсионной пленке, для производства слоев ПП негативным методом. № слоя Наименование слоя Тип фотооригинала Тип рабочего ФШ ПП ПП 1 2 * * 15

Наружный верхний Прямой, позитивный Зеркальный, негативный Внутренний Прямой, позитивный Зеркальный, негативный -//-//-//-

Зеркальный, Прямой, негативный позитивный 16 Резист-защита Зеркальный, Прямой, позитивный нижнего наружного негативный слоя Типы фотошаблонов, изготавливаемые для производства слоев ПП негативным методом, с применением рабочих фотошаблонов на диазопленке. № слоя Наименование слоя Тип фотооригинала Тип рабочего ФШ ПП ПП 1 Наружный верхний Прямой, негативный Зеркальный, негативный 2 Внутренний Прямой, негативный Зеркальный, негативный * -//-//-//* 15 Наружный нижний Зеркальный, Прямой, негативный негативный 16 Резист-защита Зеркальный, Прямой, позитивный нижнего наружного позитивный слоя Типы фотошаблонов, изготавливаемые для производства слоев ПП позитивным способом. № слоя Наименование слоя Тип фотооригинала Тип рабочего ФШ ПП ПП 1 2 * * 15 16

Наружный нижний

Наружный верхний Прямой, негативный Зеркальный, позитивный Внутренний Прямой, негативный Зеркальный, позитивный -//-//-//Наружный нижний

Зеркальный, негативный Резист-защита Зеркальный, нижнего наружного негативный слоя

138

Прямой, позитивный Прямой, позитивный

Типы фотошаблонов, изготавливаемые для производства внутренних слоев ПП методом ПАФОС № слоя Наименование слоя Тип фотооригинала Тип рабочего ФШ ПП ПП 3 Внутренний Зеркальный, Прямой, позитивный негативный * -//-//-//* 12 Резист-защита Прямой, негативный Зеркальный, нижнего наружного позитивный слоя

Приложение 4. Изучаемые ИМС. Описание, электрические схемы Обозначение

133ЛА3

Описание изучаемых ИМС Технология Выполняемая Кол-во изготовления функция элементов

Размеры корпуса, a×b×c, (мм)

Планарноэпитаксиальная

6,5 × 9,8 × 2,3

132РУ6

n-МДП

134ЛА2 134ЛА8 134КП9

Планарноэпитаксиальная

134ТМ2 140УД6 140УД8 142ЕН5

Планарноэпитаксиальная Планарноэпитаксиальная

564КТ3 564ЛЕ5 564ЛЕ10 564ТЛ1 564РУ2

КМДП

К590КН8

n-ДМДП

К590КН9

КМДП

4 элемента 2И-НЕ

56

Оперативное ЗУ на 122802 16 Кбит Элемент 8И-НЕ 9 4 элемента 2И-НЕ 24 Сдвоенный коммутатор 56 на 4 канала Д – триггер 28 Операционный 64 усилитель 43 Стабилизатор 39 напряжения 5В 4 двунаправленных 52 ключа 4 элемента 2ИЛИ-НЕ 48 3 элемента 3ИЛИ-НЕ 54 4 триггера Шмитта 88 Оперативное ЗУ на 1 2067 Кбит 4 ключа 8 без управления 2 ключа 62 с управлением

139

13 × 12 × 2,5

6,5 × 9,8 × 2,3 ∅ 9,5 × 4,6 ∅ 9,5 × 4,6 9 × 25 × 3

6,5 × 10 × 2 9,4 ×12 × 2,5 9,4 × 12 × 2,5

Обозначение микросхемы

Выполняемая функция

Общее Размеры Размеры количество подложки, корпуса, элементов мм мм

Частотноимпульсный модулятор

49 64 56 66 56

32x20

39x29

23ОИК

Цифровое устройство комбинированное

30

34x23

36x24

221ЛР1

Логический элемент И-ИЛИ-НЕ

19

16x9

16,2x9,2

218ТК1

Триггер с комбинированным запуском Видеоусилитель

27

16x8

19,5x14,5

20

21x16

30x20

20

22x16

30x20

41

22x16

30x20

32 41

22x16 22x16

30x20 30x20

ЧИМ-1-012-С, ЧИМ-6-12.100М-В ЧИМ- 1-009-У ЧИМ-7-22.910М-36 ЧИМ-1-013-У

МЦ-Э-081-001 ВУ МЦ-Э-027 ГУ МЦ-Э-081-002 ОП МЦ-Э-081-007 МЗ МЦ-Э-081-008 УЧ

Генератор универсальный Ограничитель поднесущей Модулятор звуковой Усилитель

Варианты элементов ПИМС для изучения топологии № варианта Микросхема Элемент Значение параметра Микросхема Элемент Микросхема Элемент

1 140УД6 С1

2 140УД6 R5

3 134ЛА2 R3

4 140УД8 С1

5 564ЛЕ5 R1

35 пФ 140УД6 VT7 К590КН9 VT2 Меандр 134ЛА2 VD1

4,2 кОм К142ЕН5 VT2 564ТЛ1 Тестовый n- МДП Прямоуг. 140УД8 VD1

30 пФ 134ЛА2 VT1 564РУ2 Тестовый nМДП Прямоуг. К590КН8 VD1

1 кОм 134ТМ2 VT3 140УД8 VT3,VT4

Форма затвора Микросхема Элемент

40 кОм 134ЛА2 VT4 564РУ2 Тестовый р- МДП Прямоуг. 134ТМ2 VD1

140

Кольцо 564КТ3 VD3

Принципиальные электрические схемы ИМС

Рис. 1. ИМС 134ЛА2

Рис.2. ИМС 134ЛА8.

Рис. 3. Фрагмент ИМС 134ТМ2

Рис. 4. ИМС 140УД6.

Рис. 5. Фрагмент ИМС 140УД8.

Рис. 6. Фрагмент ИМС 564ЛЕ5 и 564КТ3

Рис. 6. Фрагмент ИМС 142ЕН5

Рис. 7. Фрагмент ИМС К590КН9

141

Рис. 8. Фрагмент ИМС К590КН8

Список рекомендуемой литературы 1. Ф.П. Галецкий. Печатные платы быстродействующих устройств. Москва, Санкт-Петербург, 1993 г. 2. Ф.П. Галецкий. Многослойные монтажные платы связей ЭВМ. Сборник «Электронная вычислительная техника». Выпуск 1, Москва, «Радио и связь», 1987 г. 3. Конструкция и технология изготовления многослойных печатных плат быстродействующих ЭВМ. Сборник докладов. Москва, 1991г. 4. Общий курс фотографии. Москва, «Легкая индустрия», 1978г. 5. Фото-кино-техника. Москва, 1981 г. 6. В.Н.Черняев. Физико-химические процессы в технологии РЭА, Москва, «Высшая школа», 1987 г. 7. Ч-Г. Мэнгин, С. Макклелланд. "Технология поверхностного монтажа" М. Мир. 1990 г. 8. ГОСТ 17021-88. Микросхемы интегральные. Термины и определения. 9. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. М. “Радио и связь”, 1989, с. 44. 10. Симонов Б. М., Митрофанов О. В. Изучение материалов, деталей, элементов и конструкции интегральных микросхем. М. МИЭТ, 1991, с. 5.

142