Изготовление пассивной части плат ГИС СВЧ с использованием толсто- и тонкоплёночной технологий металлизации

Введение

В настоящее время широкое распространение получили гибридные интегральные схемы сверхвысокочастотного диапазона (ГИС СВЧ), которые являются основными изделиями электронной техники СВЧ-диапазона. Конструктивно ГИС СВЧ представляет собой плату с топологическим рисунком из плёночных пассивных элементов и контактных площадок с размещёнными на них навесными элементами [1]. Особенностью ГИС СВЧ является то, что в состав топологического рисунка плат входят компоненты, специфичные для данного диапазона, например направленные ответвители, фильтры, различные согласующие элементы, резисторы, конденсаторы, индуктивности и т.д. Основными путями совершенствования ГИС СВЧ являются улучшение электрических характеристик, снижение массы и габаритов, улучшение тепловых режимов работы, повышение надёжности, технологичности, снижение стоимости. Именно с этих позиций следует оценивать различные конструкции и технологии изготовления ГИС СВЧ, а также их отличия от аналогичных устройств на печатных платах. Очевидно, что ГИС СВЧ резко превосходят устройства на печатных платах по массогабаритным показателям.
В настоящее время разработано и успешно применяется большое количество разнообразных конструктивно-технологических вариантов ГИС СВЧ. Классификация их может осуществляться по различным признакам и критериям: конструктивным, технологическим, по степени интеграции, физическому принципу работы активных элементов, быстродействию, по потребляемой мощности, способу применения в аппаратуре и т.д. ГИС СВЧ обычно представляет собой диэлектрическую подложку, как правило полированную с одной стороны и (с целью снижения стоимости ГИС) шлифованную с другой. На полированной поверхности подложки формируют сосредоточенные элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности и распределённые элементы схемы - микрополосковые линии (МПЛ), а на обратную, шлифованную сторону подложки наносят экранную заземляющую металлизацию. Традиционным для классификации ГИС СВЧ является признак разделения по конструкции МПЛ и их металлизационной структуре [2].

Для изготовления плёночных пассивных элементов и экранной заземляющей металлизации в ГИС СВЧ используют две технологии: толсто- и тонкоплёночную.

Толстоплёночная технология основана на механическом нанесении на подложку проводящих, диэлектрических и резистивных паст через соответствующие трафареты с последующей термической обработкой подложки с нанесёнными элементами схемы при температурах +400…+1350°С в зависимости от состава пасты и назначения термообработки. В процессе нанесения пасты происходит формирование того или иного слоя интегральной схемы. Пасты представляют собой суспензию порошков наполнителя и стекла (фритты) в какой-либо органической связующей жидкости или растворе. Наполнитель является основой пасты и придаёт плёнкам необходимые резистивные, проводящие или диэлектрические свойства. Основные требования, предъявляемые к пастам:

Паста должна обладать определённой величиной вязкости. Слишком большая вязкость приводит к растеканию пасты и искажению рисунка, а слишком малая - к плохому продавливанию пасты через трафарет. В качестве наполнителей проводниковых паст используются порошки металлов и сплавов с размером частиц не более 5 мкм. Размеры и форма частиц оказывают сильное влияние на физические и электрические свойства толстых плёнок. Наполнители паст должны обладать крайне низкой химической активностью при высоких температурах в оксидирующей среде и при соприкосновении с химически активным стеклом, а также быть устойчивы к воздействию припоя, применяемого при монтаже пайкой. В качестве наполнителей чаще всего используются благородные металлы: золото, серебро, сплавы золото/палладий, золото/платина, серебро/палладий и др. Наряду с перечисленными наполнителями из благородных металлов для изготовления проводниковых паст применяются неблагородные металлы: медь, никель, алюминий, вольфрам, молибден. Они обеспечивают не только меньшую стоимость паст, но и, в ряде случаев, лучшие параметры и стабильность при высоких температурах. Медь, например, является единственным металлом с высокой электропроводностью, к которому можно присоединять внешние выводы как сваркой, так и пайкой. Кроме того, медь имеет хорошую адгезию к керамическим подложкам, высокую теплопроводность, стойкость к выщелачиванию и радиации, хорошие свойства в диапазоне СВЧ. В качестве наполнителей резистивных паст применяются серебро, золото, палладий, платина, рений, окислы таллия, рутения, рения, палладия, а также различные композиции: серебро/палладий/оксид палладия, серебро/оксид рутения, висмут/рутений, рутений/иридий, платина/оксид иридия и др. Толстоплёночные резисторы имеют номиналы сопротивлений от 1 до 10 Ом, удельное сопротивление от 1 до 110^-8 Ом·м и широкий диапазон значений ТКС.

При изготовлении диэлектрических паст для конденсаторов в качестве наполнителей применяют смеси порошков керамических материалов и флюсов, а также стёкла и ферроэлектрические материалы. Например, пасты на основе композиции титанат бария / оксид титана / оксид алюминия / легкоплавкое стекло имеют диэлектрическую проницаемость от 10 до 2000.

Диэлектрики для межуровневой изоляции проводников изготавливают на основе стеклокерамических материалов. По сравнению с диэлектриками для конденсаторов они обладают меньшей диэлектрической проницаемостью.

В качестве постоянного связующего в состав паст входят стёкла, которые не удаляются после формирования плёнки и остаются в готовом плёночном элементе. В проводниковой пасте стекло служит для удерживания в контакте зёрен наполнителя и для обеспечения адгезии толстой плёнки к подложке. При выборе состава стекла необходимо учитывать зависимость его вязкости от температуры, смачивание подложки, химическую активность и коэффициент термического расширения. Эти свойства влияют на режим термообработки, образование механических связей между зёрнами металлического наполнителя, удельное сопротивление плёнки и процессы подсоединения выводов к контактным площадкам. От состава стекла в значительной степени зависит стабильность параметров резисторов. В диэлектрике, применяемом для межуровневой изоляции проводников, постоянное связующее является одновременно и основным функциональным компонентом. В диэлектрики конденсаторов стекло не должно вносить дефектов, приводящих к возникновению коротких замыканий между обкладками. В качестве постоянного связующего применяются легкоплавкие стёкла: свинцово-боросиликатные, цинк-боросиликатные и кадмиевые.

В качестве органических связующих и растворителей паст применяется широкий набор материалов: этилцеллюлоза, воски, ланолин, вазелиновое масло, циклогексанол, жидкие смолы и органические растворители. Органические связующие и растворители вводятся для обеспечения равномерного распределения частиц порошков различных компонентов в процессе приготовления пасты, для получения определённой консистенции и для придания пасте необходимой вязкости. При нанесении пасты на подложку органические связующие полностью удаляются в процессе термообработки. При неполном удалении органических связующих в составе диэлектрика, например, остаётся углерод, который резко повышает электропроводность. Специальные добавки вводят в состав паст для улучшения адгезии, паяемости и для придания пастам тиксотропности, т.е. способности под действием механического давления увеличивать текучесть и затем после прекращения этого воздействия снова загустевать. Для придания пастам тиксотропных свойств в их состав вводят высокомолекулярные соединения, например фуранкарбоновую или терефталевую кислоты. Проводники толстоплёночных схем изготавливаются путём нанесения проводниковых паст через трафареты. Проводниковые пасты должны обеспечивать получение следующих характеристик композиции (после вжигания):

Проводники должны изготавливаться предельно короткими, чтобы уменьшить сопротивление схемы. Поверхностное сопротивление толстоплёночных проводников должно изменяться в пределах 0,005…0,1 Ом/⃞ в зависимости от типа применяемой пасты. Для нанесения проводников необходимо использовать только одну сторону подложки. Количество пересечений должно быть минимальным, поскольку для их создания необходимы две дополнительные операции нанесения и вжигания плёнок (нанесение межслойного диэлектрика и второго проводящего слоя). Для современной технологии стандартной шириной проводника считается 0,25 мм, однако, если это необходимо, можно изготавливать полоски шириной до 0,125 мм. Такие же значения допускаются и для расстояний между проводниками.

Толщина слоя проводника, например на основе композиций палладий/серебро, составляет 10…25 мкм, минимальная ширина (длина) проводника колеблется в пределах 0,15…0,20 мм при нанесении пасты на керамику и 0,20…0,30 мм при нанесении на слой диэлектрика. Минимальное расстояние между проводниковыми элементами - 0,05…0,20 мм в зависимости от рецептурного состава пасты. Реальная точность изготовления элементов топологического рисунка по толстоплёночной технологии составляет ±20 мкм [3]. Однако из-за слабой химической связи толстых плёнок с полированной поверхностью ухудшается точность нанесения рисунка схемы, плёнки имеют плохое сцепление с полированной подложкой, при воздействии высокой температуры (+300°) и влажности происходит их отслаивание, при этом возрастают потери, что существенно для применения в СВЧ-диапазоне. Эти явления не наблюдаются при нанесении толстых плёнок и получении топологического рисунка на шлифованной поверхности подложки. Отмеченные недостатки ограничивают использование толстых плёнок для формирования пассивной части, особенно микрополосковых линий ГИС СВЧ в диапазоне частот выше 4 ГГц [2].

Тонкоплёночная технология основана на получении слоёв, используемых для формирования пассивных плёночных элементов, методами термического испарения исходных материалов в вакууме 1,33×10^-3+1,33×10^-4 Па (магнетронное или ионно-плазменное распыление мишени из исходного материала). Определённая конфигурация элементов при тонкоплёночной технологии обеспечивается методом травления [1]. При изготовлении плёночных элементов по обеим технологиям дополнительно применяются методы гальванического осаждения покрытий для обеспечения сварки и пайки в процессе сборки ГИС СВЧ. Тонкоплёночные ГИС СВЧ с толщиной проводников примерно 3…12 мкм, наиболее широко используемые в СВЧ-устройствах, обычно имеют сложную металлизационную структуру проводников (см. рис. 1), изготавливаемых на полированных подложках из таких материалов, как ситалл, поликор, сапфир, кварц и т.д. Тонкоплёночная технология позволяет получать более тонкие линии с шириной <20 мкм и точностью ±3 мкм, что обеспечивает меньшие потери в сравнении с толстоплёночной. В связи с этим они используются на частотах до 30 ГГц и выше. Тонкоплёночные ГИС обеспечивают более высокую плотность монтажа и, следовательно, позволяют получить микросхемы с лучшими электрическими, массогабаритными и другими характеристиками [2].

Технологическая схема формирования пассивной части ГИС СВЧ включает следующие основные операции:

Перечисленные техпроцессы формирования пассивной части ГИС СВЧ позволяют реализовать сложные радиотехнические схемы, содержащие как низкоомные, так и высокоомные резисторы, микрополосковые линии на основе металлизационной структуры Cr, Cu, Ni, Au и контактные площадки для размещения навесных конденсаторов и транзисторов. Однако фотолитографические процессы имеют следующие особенности:

Постановка задачи

Изготовление ГИС СВЧ по толстоплёночной технологии на полированной стороне обеспечивает возможность получения высокоомных (до 100 МОм) резисторов со стабильными параметрами при приемлемом разрешении проводящих линий. Однако данным способом невозможно изготовить схему с хорошими адгезионными свойствами, поскольку для обеспечения высокой адгезионной прочности толстоплёночных покрытий требуется керамика с шероховатой поверхностью с размером микронеровностей 0,63 мкм и большим содержанием стекла (4-6%), а для тонкоплёночных покрытий - полированная керамика, имеющая высокий класс чистоты обработки поверхности подложки, с размером микронеровностей 0,02 мкм и малым содержанием стекла (0,1-0,3%).

Задачей настоящей работы является устранение противоречий между требованиями к тонким и толстым плёнкам при изготовлении ГИС СВЧ за счёт того, что на полированной стороне керамической подложки по тонкоплёночной технологии изготавливаются резисторы, МПЛ, контактные площадки, межсоединения и резисторы требуемых номиналов, а по толстоплёночной - экранный заземляющий слой на обратной шлифованной стороне. Такой метод изготовления ГИС СВЧ предъявляет более жёсткие требования к параметрам материалов, допускающих их совместное использование на одной подложке для получения металлизационных структур из тонких и толстых плёнок. Другой задачей является разработка технологии изготовления ГИС СВЧ, в соответствии с которой нижняя поверхность подложки металлизируется с помощью трафаретной печати (сеткографии) и служит заземляющим экранным слоем, а на верхнюю методом вaкyyмного напыления наносятся тонкоплёночные резисторы, контактные площадки, конденсаторы и межсоединения. Для соединения заземляющей нижней стороны с верхней частью подложки по её краям (торцам) с помощью сеткографии наносится толстоплёночный соединительный проводящий слой.

Экспериментальная часть

В качестве объектов для исследования возможности изготовления плат ГИС СВЧ комбинированным методом были использованы подложки из керамики ВК-94 (22ХС) и ВК-100 размером 30×48×1 мм, у которых лицевая сторона полировалась до получения микронеровностей порядка 0,02 мкм, а обратная до получения микронеровностей 0,63 мкм. На лицевой отполированной стороне подложки при помощи установки магнетронного напыления формировалась металлизационная структура Cr, Cu согласно технологической схеме формирования пассивной части ГИС СВЧ, после чего методом фотолитографии изготавливался топологический рисунок, а на обратную (отшлифованную) сторону подложки методом трафаретной печати наносился сплошной заземляющий металлизационный слой по толстоплёночной технологии. Технологическая схема комбинированнoгo метода изготовления плат представлена на рисунке 2.

Для металлизации обратной стороны плат были опробованы пасты на основе молибдена с различными добавками. Металлизационный слой должен иметь высокую электропроводность и хорошую адгезию к поверхности подложки. Сопротивление МПЛ, изготавливаемых по толстоплёночной технологии методом сеткографии, главным образом определяется электропроводностью компонентов металлизационного слоя. При выборе материалов пасты для МПЛ металлическая составляющая должна гарантировать максимальную электропроводность, а температура плавления слоя должна обеспечивать возможность его вжигания на шлифованной стороне керамической подложки.

В таблице 1 приведены данные о физических свойствах некоторых металлов.

Из тугоплавких металлов наименьшим омическим сопротивлением характеризуется молибден, который и был взят в качестве основного компонента проводящего слоя ГИС СВЧ на шлифованной стороне подложки. Было исследовано влияние добавок в пасту, содержащую Мо, меди с низким удельным сопротивлением, кремния, стекла и MnTiО₃. Серебро и золото характеризуются наименьшим омическим сопротивлением, однако золото повышает стоимость проводников для ГИС СВЧ, а серебро снижает их долговечность, поэтому основная часть экспериментов проводилась с медью. В качестве добавки была использована более дешёвая медь и её закись, которая при обжиге восстанавливается до металла. Паста готовилась следующим образом: порошок Мо с добавкой 15% (вес.) MnTiО₃ и 5-20% (вес.) меди или закиси меди с величиной зерна 1…1,5 мкм смешивали с 20% (вес.) органической связки из смеси ланолина и циклогексанола. Полученные составы наносили на керамическую подложку методом сеткографии в виде дросселя (см. рис. 3) для определения электросопротивления проводников для ГИС СВЧ. Обжиг заготовок проводился в формиргазе при температуре +900°С и окончательно при температуре +1330…+1350°С. Таким же способом наносили пасту на обратную сторону подложки.

Сначала проводилось исследование металлизационных составов с добавкой 5-15% (вес.) закиси меди (процентное соотношение даётся в пересчёте на чистую медь). Проводники в виде дросселя (змейки) готовили из пасты Мо, Mn с 2%-м содержанием Si, Мо-пасты с добавкой MnTiО₃ и добавками закиси меди. Длина дросселя составляла 68 мм, ширина - 180 мкм толщина - около 25 мкм. Замеры сопротивления проводили на приборе типа МО-62 с погрешностью не более 0,1%. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таким образом, как показывают результаты экспериментов, введение меди в состав металлизационной пасты обеспечивает снижение электросопротивления проводникового слоя металлизации в 1,2-2 раза по сравнению с известным составом без этих добавок. При этом электросопротивление проводников остаётся практически неизменным после испытаний в течение 2000 ч при Т=+155°C и напряжении 300 В. Уменьшение электросопротивления проводников при добавлении в металлизационный состав меди можно объяснить следующим образом: медь, обладающая малым удельным сопротивлением, плавится при обжиге и заполняет поры в покрытии, образуя при этом непрерывную проводящую структуру с меньшим сопротивлением.

Увеличение электросопротивления проводника при введении 20% меди, очевидно, связано с тем, что при вжигании пасты при Т=+1360°C происходит более глубокое взаимодействие компонентов керамики в результате увеличения количества легкоплавкого компонента - меди.

На отшлифованную поверхность подложки также методом сеткографии наносили сплошной заземляющий слой из уже описанных паст и определяли адгезионную прочность на отрыв.

В таблице 3 представлены данные по адгезионной прочности металлизационных слоёв из различных паст.

Как видно из таблицы, наибольшей адгезионной прочностью обладает паста на основе Mo, Cu и стекла. В ГИС CBЧ большое значение имеет величина потерь СВЧ-энергии в микрополосковых линиях, в связи с чем проводились измерения этих потерь в металлизационных структурах, полученных толстоплёночным, тонкоплёночным и комбинированным (с лицевой стороны подложки - напыление, с обратной - трафаретная печать) методами. Для создания работоспособных плат ГИС СВЧ потери СВЧ-энергии в металлизационных структурах должны быть минимальными.

Измерения затухания мощности проводились на тест-платах (см. рис. 3) с помощью автоматического измерителя K_CTV типа Р2-47 в диапазоне частот 600-1200 МГц на фиксированных частотах через 200 МГц.

Были изготовлены тест-платы с различной металлизационной структурой, на которых проводились измерение K_CTV и ослабления СВЧ-сигнала в МПЛ (a_изм.). 3атухание СВЧ-энергии вычислялось по формуле:

α=α_изм.-10lg(K_CTV +1)×2/4K_CTV .

Измерялось также сопротивление микрополосковой линии на постоянном токе с помощью цифрового омметра. Результаты измерений представлены в таблице 4.

По комбинированной технологии были изготовлены платы ГИС СВЧ. Металлизация обратной стороны и торцов плат производилась вжиганием пасты Mo, Cu, стекло, лицевой стороны - напылением Cr, Cu. Лицевая cторoнa и торцы плат покрывались золотом, обратная сторона - сплавом олово-висмут. Структура покрытий на торце показана на рисунке 4.

Примечание: 1 - керамика; 2 - металлизационный слой, нанесённый трафаретной печатью (сеткографией); 3 - слой никеля, осаждённый гальваническим способом; 4 - слой золота, осаждённый гальваническим способом.

Сопротивление торцов на изготовленных платах составляло от 0,011 до 0,022 Ом. Адгезия напылённых слоёв находилась в пределах 230 …360 кг/см² и в среднем составляла 300 кг/см². При вжигании пасты подложка подвергается воздействию высокой температуры (до +1350°C), что оказывает влияние на её свойства. В [4] исследовалось влияние высокой температуры (до +1500°C) на свойства подложек. Показано, что при температуре до +1350°C диэлектрическая проницаемость и пpочность керамики остаются без изменений. Класс чистоты обработки поверхности большинства подложек из керамики ВК-100 не изменяется, ухудшение шероховатости поверхности на некоторых подложках происходит в пределах одного класса. Чистота обработки поверхности подложек из керамики ВК-94 (22ХС) ухудшается на 1-2 класса. Таким образом, совмещение толсто- и тонкоплёночной технологий для создания ГИС СВЧ возможно на подложках из керамики ВК-100. На платах, изготовленных комбинированным методом, были собраны ГИС СВЧ с рабочей частотой до 4,3 ГГц, которые обеспечивали необходимые параметры и удовлетворяли требованиям ТУ на данное изделие.

Выводы

Литература

1. Бyшминский И.П., Морозов Г.В. Конструирование и технология плёночных СВЧ-микросхем. - М.: Советское радио, 1978. С.120-132.
2. Климачёв И.И., Иовдальский В.А. СВЧ ИС. Основы технологии и конструирования. - М.: Техносфера, 2006.
3. Хамер Д., Биггерс Дж. Технология толстоплёночных гибридных интегральных схем. - М.: Мир, 1975.
4. Непочатов Ю.К., Борыняк Л.А. Разработка методов повышения адгезии многослойных металлизационных покрытий к диэлектрическим подложкам. Высокие технологии. 2006. № 2. С.16-19.