книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

вжигания определяют электрические характеристики толсто­ пленочных элементов. Например, пасты, содержащие только металлические частицы, являются проводниковыми, содержа­ щие оксиды металлов (или малую долю проводящих частиц) - резистивными, а состоящие только из диэлектрических ча­ стиц - диэлектрическими.

Проводящие частицы - металлы или оксиды - в процес­ се их производства проходят высокотемпературную реакцию в твердой фазе и контроль их кристаллической структуры и химической чистоты. Для получения требуемого разме­ ра частиц проводят сухой или влажный помол. Несоответ­ ствие размера частиц требуемым порождает ряд проблем - плохие электрические характеристики, нестабильность элек­ тросопротивления после лазерной обработки, плохая однород­ ность структуры в вожженных пленках, изменение ТКЛР и

др.

О степени дисперсности частиц судят по значению “по­ верхностного веса” , оцениваемого в м2/г, т.е. по площади, занимаемой 1 г вещества при равномерном однослойном рас­ пределении частиц.

Связующая компонента паст - фритта - обычно предста­ вляет собой мелкие частицы стекла, имеющего низкую тем­ пературу плавления, например свинцово-боросиликатное сте­ кло. Она содержит активные вещества, которые в процессе вжигания паст в контакте с другими частицами и подложкой обеспечивают их адгезию.

Для получения связующего вещества используют различ­ ные оксиды, которые активно “связывают” частицы металла. Каждое связующее вещество содержит определенное количе­ ство оксидов, свойства которых контролируют. Оксиды сме­ шивают, перемалывают, сплавляют и фриттуют - оплавляют в воде. Стеклянная фритта затем перемалывается до требу­ емого размера частиц. Далее стеклянную смесь подвергают контролю - проводят анализ состава, чистоты, контролиру­ ют размер частиц, плотность и содержание влаги.

Размеры частиц стеклянной фритты влияют на значе­ ние удельного электросопротивления, ТКС и характеристи­ ки стабильности толстоцленочных элементов. Бели стеклян­ ная фритта не будет требуемого качества, то нельзя получить заданные электрические и эксплуатационные характеристики вожженой пасты. Свойства стеклянной фритты оценивают­ ся температурой размягчения и плавления. Для оценки ка­ чества фритты применяют различные аналитические мето­ ды: эмиссионную, рентгеновскую дифракционную или плаз­ менную спектроскопию, рентгеновскую флюоресценцию и др.

Для того чтобы обеспечить сыпучим частицам функци­ онального материала н фритте “печатающие” свойства, ис­ пользуют органические вещества, например такие, как этилцеллюлоза. Основной характеристикой органических связую­ щих является вязкость.

Избыточное присутствие влаги изменяет вязкость паст, в результате чего появляются дефекты в процессе трафаретной печати (поры в отпечатке, “засорение” трафарета и др.) Кро­ ме того происходит недостаточно упругий отход траф арета от поверхности подложки.

И последним элементом пасты является летучий раство­ ритель, или разжижитель, который служит для улучшения текучести пасты при ее прохождении через окна трафаре­ та. Типичным представителем этой группы веществ является терпинеоль.

В табл. 3.1 приведены компоненты состава паст. Проводниковые пасты бывают: фриттовые (содержащие

фритту), бесфриттовые и смешанные.

Фриттовые проводниковые пасты содержат как связую­ щее вещество стеклянные частицы с низкой температурой плавления; обычно температура вжигания их составляет око­ ло 850 °С. Однако образующиеся на поверхности пасты сте­ клянные частицы ухудшают качество приварки к ней прово­ локи или пайки элементов. Кроме того, фриттовые проводни­ ки требуют механической полировки перед операцией привар­ ки проводников.

турой. Частицы-зерна проводящего или диэлектрического ма­ териала со средним размером от нескольких десятков до не­ скольких сотен нанометров расположены в стеклянном связу­ ющем веществе - фритте.

Ф ритта связывает частицы вещества вместе в единую си­ стему; она также осуществляет связь с подложкой.

2.Частицы-зерна находятся в хаотическом контакте друг

сдругом, в процессе вжигания между ними образуются соеди­ нения - “мостики”; одновременно проводящие частицы могут быть отделены друг от друга стеклянными прослойками раз­ личной толщины. Количество частиц, которые контактируют между собой с образованием проводящих “мостиков” , увели­ чивается с увеличением доли частиц в общем объеме пасты.

3.Распределение частиц вещества в объеме пленочного элемента не однородно, так как имеются области, где концен­ трация частиц превышает концентрацию в других областях.

Эти области имеют размеры 1 0 ... 20 мкм.

4.Поры и пустоты являются неотъемлемой частью тол­ стопленочной структуры. Объем, занимаемый частицами основного материала, обычно не превышает 0,85 от общего объема, занимаемого структурой толстопленочного проводни­ ка, и вместе с фриттой он составляет 0,9 5 ... 0,98 общего объ­ ема. Форма и размеры пор могут изменяться в широких преде­ лах в зависимости от технологии получения толстопленочных элементов.

5.Между нанесенной пленкой и поверхностью подложки существует определенная физико-химическая связь, образую­ щаяся в процессе высокотемпературной обработки паст: сте­ клянная фритта расплавляется, смачивает поверхность под­ ложки, при этом происходит взаимная диффузия компонентов материала пасты и подложки. Таким образом формируется переходная область, достигающая 10 мкм и более.

6. У частиц вещества, находящихся в контакте, образу­ ются переходные - диффузионные области, имеющие отлич­ ные от основного вещества микроструктуру и электрические свойства.

Рис. 3.1. Схематичное изображение элементов толстопле­ ночной структуры:

а - расположение частиц в поперечном сечении толстопленочнои структуры; 6 - образование “переходных” областей в местах кон­

такта стеклянной фритты с подложкой и между частицами вещества; в - образование электрической цепи вдоль проводника; г - точки кон­ такта в единице объема; 1 - частица основного материала; 2 - пора; 3 - стеклообразующая связка; 4 ~ подложка; 5 - переходные обла­ сти; 6 - границы проводника; 7 - точки контакта; J - направление

электрического тока

На рис. 3.1 приведено схематическое изображение контак­ тирования частиц в толстопленочных структурах.

Основным положением, определяющим электрические ха­ рактеристики толстопленочных элементов, является взаимо­ связь доли объема, занимаемого частицами в общей массе па­ сты и электросопротивления (рис. 3.2). Можно выделить три области на этом графике: область А в которой количества частиц мало для образования контакта между ними - элек­ тропроводность отсутствует; область В - количество частиц увеличивается, образуются контакты между ними, электро­ сопротивление падает и сильно зависит от числа частиц в

В обеспечения требуемой толщины большая роль принад­ лежит конструкции трафаретов, а наибольшими достоинства­ ми обладают сетки из коррозионно-стойкой стали. Их пре­ имущества по сравнению с сетками из синтетических нитей состоят в высокой упругости материала и малом удлинении (0 ,8 ... 1,2 %) в пределах упругой деформации. На изменение свойств металлических сеток меньше влияет температура и влажность. Они также меньше деформируются (сжимаются) под усилием, передаваемым ракелем.

Важными характеристиками сеток являются: меш пара­ метр - число проволок на линейный дюйм; диаметр и мате­ риал проволоки; толщина сетки; тип переплетения проволоки; способность сетки к очистке.

Важной операцией, определяющей качество отпечатка, является натяжение сетки. Рекомендуемые усилия натяжения в зависимости от характеристик сетки приведены в табл. 3.2.

Т а б л и ц а 3.2. Характеристики сеток из коррозионно-стойкой стали

* На единицу длины трафарета.

Усилие натяжения сетки должно быть таким, чтобы возникающие в проволоках напряжения составляли ( 0 ,3 ...

... 0,5) <тВр, а деформации лежали в упругой области. Рекомендуемый диапазон усилий натяжения сетки опре­

деляется требованиями к процессу печати: обычно натяжение нитей должно быть достаточным, чтобы осуществить хоро­ ший зажим сетки, обеспечивая прохождение пасты и мини­ мальное растяжение сетки. Когда натяжение снижается, мо­ крый отпечаток имеет тенденцию “тянуться” за трафаретом,

в результате в отпечатке, а впоследствии в вожженной пленке, образуются поры. Для того чтобы обеспечить хорошее каче­ ство трафаретной печати, необходимо, чтобы эмульсионный слой трафарета был плотно прижат к поверхности подложки.

Перспективными являются сетчатые трафареты, изгото­ вленные из полимерных материалов, в частности, нейлоновых и полиэфирных нитей, которые имеют низкую стоимость, вы­ сокую эластичность, что обеспечивает нанесение более тонко­ го слоя пасты; они также более долговечны.

Толщина отпечатка является основным параметром, оп­ ределяющим электрические свойства толстолленочных эле­ ментов.

Толщина отпечатка £отп определяется по формуле

^отп = Aktc + »

где А - коэффициент, эквивалентный открытой площади сет­ ки, т.е. площади между нитями; к - коэффициент, зависящий от скорости движения ракеля, его твердости, угла наклона и пр. (определяется экспериментально); tc - толщина сетки; *эм - толщина эмульсионного слоя.

Толщина отпечатка зависит от ряда факторов - зазора между трафаретом и подложкой, угла наклона ракеля, скоро­ сти перемещения его и др.

При малом зазоре трафарет плохо отходит от подложки, при большом зазоре трафарет будет неоднородно деформиро­ ваться. И в том, и в другом случае качество отпечатка будет низкое. При большом зазоре требуется большее усилие, чтобы “оторвать” трафарет от отпечатка.

Для печати узких линий следует устанавливать мини­ мальный зазор трафарет - подложка, величина которого, од­ нако, не исключала бы быстрый отход трафарета от поверх­ ности подложки.

Влияние диаметра проволоки, размера ячейки сетки и толщины эмульсионного слоя на толщину отпечатка проявля­ ется следующим образом. С уменьшением диаметра нитей и возрастанием их числа в единице линейного размера толщина

отпечатка уменьшается. Так, например, трафарет с ячейкой 200 меш обеспечивает получение жидкого отпечатка толщи­ ной 4 5 ... 50 мкм, а с ячейкой 325 меш - 3 0 ... 35 мкм.

Помимо правильного выбора сетки с определенным раз­ мером ячейки и диаметром проволоки необходимо также обес­ печить ориентацию нитей основы и утка под углом 90° ± 0,5°; в некоторых случаях (для получения тонких линий) угол рас­ положения нитей может быть изменен от 20 до 45°.

Материал сетки и диаметр проволоки также влияют на качество отпечатков. Сетки из коррозионно-стойкой стали более предпочтительны для получения тонких линий. При малом диаметре проволоки увеличивается размер открытого пространства. (Так, например, для сетки с числом 325 меш при диаметре проволоки 28 мкм открытая площадь составля­ ет 42 %, а с диаметром 23 мкм - 51 %.)

Большее открытое пространство снижает вероятность появления точечных проколов, пор и дефектов краевых поверх­ ностей линий.

Толщина эмульсионного слоя на сетчатом трафарете ока­ зывает влияние на качество отпечатка, особенно если требу­

сии толстый (более 20 мкм), нарушается профиль отпечат­ ка, появляется вогнутость. Кроме того, при большой тол­ щине эмульсионного слоя затруднено получение узких (менее 150 мкм) линий.

Толщина отпечатка зависит также от угла наклона раке­ ля (рис. 3.4). При малом угле наклона ракеля создается боль­ шее усилие, и при прочих равных условиях отпечаток получа­ ется большей толщины. Твердость ракеля выбирается в связи с углом наклона, усилием прижима, типа и вязкости пасты, плоскостности поверхности подложки.

Мягкий ракель способствует получению более толстого отпечатка. Его следует применять, когда процесс печати про­ водится по неоднородной поверхности; применение твердого ракеля увеличивает разнотолщинность отпечатка.