Лазерная резка металлизирующей плёнки
Формирование топологического рисунка в слое из пасты состава Мо, Mn, Si осуществлялось путём лазерной вырезки его в полосках металлизирующей плёнки, нанесённой на полимерную основу длиной 50 см. Для получения рисунка согласно чертежу была использована управляющая программа CorelDRAW X6. Для формирования топологического рисунка путём лазерной резки будущий металлизационный рисунок был преобразован в рисунок резки (см. рис. 6) в программе управления станком лазерной резки.
Лазерная резка выполнялась на станке Laser Cutting Machine СМА1610 (см. рис. 7).
На рабочий стол установки укладывалась плёнка майлара, фторопласта или полиимида с нанесённым слоем металлизирующих плёнок толщиной 30–40 мкм. С помощью калибровочной пластины толщиной 5 мм выставлялся зазор между головкой лазера и плёнкой, а затем устанавливалась скорость резки 15 мм/с. Вырезанные заготовки (см. рис. 8) с топологическими рисунками укладывались в полиэтиленовый пакет, выдерживались под грузом для выравнивания и предотвращения деформирования, после чего передавались для нанесения металлизирующей плёнки на подложку.
Технические характеристики лазерного станка представлены в таблице 4.
Нанесение рисунка на керамические подложки из оксида алюминия
Перед нанесением рисунка с помощью заготовок из металлизирующей ленты керамическая подложка из оксида алюминия, как было описано выше, сначала шлифовалась для обеспечения адгезии металлизационного покрытия, а затем очищалась от загрязнений. Очистка проводилась в 3 цикла в деионизированной воде в УЗ-ванне при температуре +50°С. Процесс нанесения металлизационной плёнки на керамическую подложку выполнялся поэтапно.
На установке теплового переноса УМП-1 (см. рис. 9) располагалась полиуретановая пластина, на которую устанавливалась оправка для теплового переноса (см. рис. 10, 11).
Сначала путём совмещения отверстий с выступающими штифтами оправки накладывалась заготовка из фторопластовой (майларовой или полиимидной) плёнки с металлизационным слоем, расположенным сверху. Затем устанавливался трафарет и закреплялась подложка. На подложку с помощью совмещения отверстий с выступающими штифтами оправки помещалась вторая заготовка с верхним топологическим рисунком плёнки с металлизационным слоем, расположенным снизу. Далее сверху накладывался силиконовый коврик, нагретый до температуры +150±20°С, поверх которого укладывалась вторая полиуретановая пластина. Затем осуществлялся прижим стальной плиты установки УМП-1 к верхней полиуретановой пластине с усилием 0,6 МПа и выдержкой в течение 20 с. Оправка вынималась из-под плиты установки, после чего фторопластовая (майларовая, полиимидная) плёнка удалялась с подложки. При этом на керамической подложке оставался отпечаток перенесённого топологического рисунка, который после сушки при температуре 160°С в течение 90 мин вжигался. Наилучший перенос рисунка получался с плёнки ПЭТ (лавсан, майлар), наихудший – с использованием полиимидной плёнки. Вжигание металлизационного рисунка осуществлялось в среде влажного формиргаза при температуре +1320±20°С, время нахождения деталей в зоне с максимальной температурой в печи ЦЭП-214 составляло 30 мин, в результате чего достигалось сцепление металлизационного покрытия с керамикой. После термической обработки подложек качество сцепления металлизационного покрытия, составляющего топологический рисунок, оценивалось с помощью алмазной иглы.
Нанесение металлизирующей плёнки на керамические подложки из нитрида алюминия
Подложки из нитрида алюминия после шлифовки оксидировались для формирования на их поверхности слоя окиси алюминия толщиной 10–20 мкм. Перед нанесением металлизирующей плёнки подложка предварительно очищалась для защиты объёма керамики от окисления во время вжигания пасты и предотвращения пузырения металлизационного покрытия. Очистка проводилась в 3 цикла в деионизированной воде в УЗ-ванне при температуре +50°С. Оксидирование осуществлялось в водородной электропечи ЦЭП-214 при температуре +1100°С в среде влажного формиргаза. После этого на подложки наносилась металлизирующая плёнка с топологическим рисунком. Данный процесс выполнялся аналогично описанному выше процессу для подложки из оксида алюминия.
Вжигание перенесённого металлизационного рисунка осуществлялось в печи ЦЭП-214 в 2 стадии: сначала в окислительной атмосфере при температуре +1100±20°С, а затем в восстановительной атмосфере (в среде влажного формиргаза) при температуре +1320±20°С.
Режимы процессов металлизации нитрида алюминия приведены в таблице 5.
Рихтовка подложек с металлизационным молибден-марганцево-кремниевым подслоем
По причине малой толщины подложки (0,38 мм) и большой толщины каждого из слоёв вожжённой металлизации на лицевой и обратной сторонах (20 мкм), а также из-за разницы в коэффициентах теплового расширения керамики и металлов пасты в процессе вжигания возникают термомеханические напряжения, которые приводят к деформации подложек (см. рис. 12).
Прогиб подложек измерялся с использованием калиброванных лепестковых щупов, размещаемых в щелях, образованных при установке деформированных подложек на шлифованную плоскую плиту. Результаты измерений прогибов деформированных подложек из различных партий показали, что стрела прогиба составляет 0,02–0,5 мм. Для устранения деформации проводилась рихтовка в водородной электропечи ЦЭП-214 в режиме вжигания металлизационной пасты при температуре +1320±20°С путём размещения деформированных подложек на шлифованных керамических плитах размером 50´50´8 мм с прижимом такими же плитами весом 90 г. Проведение терморихтовки позволило полностью устранить деформацию подложек (см. рис. 13).
Внешний вид подложек с рисунками на лицевой и обратной сторонах после теплового переноса представлен на рисунке 14, а после вжигания – на рисунке 15.
Технологические перемычки между элементами топологического рисунка на этапе лазерной резки выполняли роль механического соединения элементов друг с другом и сохраняли целостность рисунка. На этапе нанесения гальванического покрытия эти перемычки обеспечили гальванические контакты к элементам рисунка, что позволило значительно упростить оснастку для осаждения гальванических слоёв никеля, меди, золота и сплава олово–висмут, исключив множество контактирующих устройств. После нанесения гальванических слоёв перемычки удалялись с помощью лазерной установки МЛ-1.
Опытные образцы подложек для силовых модулей с металлизационными рисунками, полученными бестрафаретным методом с последующим осаждением методом ХГН толстого слоя меди (200–300 мкм), выдержали воздействие 100 термоциклов в режиме -60 ...+150°С.
Заключение
Поскольку размеры электронных устройств продолжают уменьшаться за счёт повышения степени интеграции, возможности толстоплёночной технологии с использованием трафарета ограничены физическим пределом печати. Трафаретная печать может воспроизводить линии и зазоры между ними только с шириной более 100 мкм. Использование бестрафаретной печати с нанесением рисунка лазерным лучом позволяет выполнять линии и зазоры с шириной менее 100 мкм, приблизив разрешающую способность этого метода к разрешающей способности сложной и дорогой тонкоплёночной технологии, использующей фотолитографические методы получения рисунков плат.
В результате выполнения данной работы создана технология, которая позволяет получать рисунки с размерами элементов в промежуточном диапазоне между толсто- и тонкоплёночной технологиями без использования трафаретов и дорогостоящего фотолитографического оборудования. Разработанная технология является более простой и менее дорогой, чем тонкоплёночные методы получения рисунков, что позволяет исключить ряд трудоёмких операций, упростить технологический процесс, сократить себестоимость и длительность рабочего цикла изготовления платы. Бестрафаретный метод с использованием ленты для металлизации позволяет получить плотное прочное покрытие с контролируемой толщиной и быстро наладить выпуск металлизированных подложек. Вышеперечисленные достоинства данного метода делают его особенно актуальным и полезным при мелкосерийном производстве.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
