книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Т а б л и ц а 3.7. Режимы высокотемпературной обработки паст

ЭРК и полупроводниковых приборов к контактным площад­ кам проводников.

П роводниковы е пленки получают из составов, содер­ жащих металлические частицы с высокой электропроводно­ стью: серебра, золота, палладия, меди и др.

В зависимости от составов исходного вещества и физико­ химических процессов, происходящих в них при высокотемпе­ ратурной обработке, их можно разделить на две группы: ме­ таллосодержащие пасты и металлоорганические соединения (МОС).

Проводники из паст, содержащих серебро и палладий - серебряно-палладиевых, - имеют наибольшее применение в

толстопленочных ГИС СВЧ. Эти материалы являются пред­ почтительными по сравнению с чисто серебросодержащими пастами, так как они имеют лучшую способность к пайке, по­ ниженную электромиграцию и диффузию в резистивные слои; по сравнению с золотыми пастами они дешевле.

Используя пасты, содержащие серебро до 64 %, палладия - до 14 %, получают проводники с удельным поверхностным электросопротивлением от 0,003 Ом.

Режимы сушки и высокотемпературной обработки сере­ бросодержащих паст приведены в табл. 3.5 и 3.7.

При сушке и высокотемпературной обработке серебряно­ палладиевых паст происходит сгорание органической связки (циклогексанол, ланолин, вазелиновое масло) с выделением продуктов горения: оксида углерода, угарного газа и воды.

Зависимость содержания компонентов в серебряно-палла­ диевой пасте от температуры обработки приведена в табл. 3.8.

Т а б л и ц а 3.8. Зависимость содержания компонентов в серебряно-палладиевой пасте от температуры обработки

От температуры вжигания зависит характер химических превращений в пасте и ее электрические свойства.

На рис. 3.11 приведен график взаимосвязи температуры вжигания и удельного электросопротивления проводника из серебряно-палладиевой пасты. Как видно, образцы, пожжен­ ные при температуре менее 350°С, имеют высокое удельное электросопротивление за счет присутствия органического рас­ творителя, который создает изолирующие “прослойки” между металлическими частицами. При температуре свыше 4 0 0 °С

Рис. 3.11. Зависимость удельного электросопротивления р проводника из серебряно-пал­ ладиевой пасты от температуры вжигания <вж

органический растворитель полностью удаляется и удельное электросопротивление резко падает. В диапазоне температур от 450 до 700° С происходит окисление Pd, увеличение раз­ меров гранул и областей контактов между ними. При тем­ пературе свыше 700 °С происходят спекание и перестройка внутренней структуры, приводящие к изменению электросо­ противления. В диапазоне температур 700 ... 850 °С удельное электросопротивление уменьшается в два раза. Это измене­ ние электросопротивления происходит за счет следующих эф­ фектов: сжатия структуры (что приводит к сближению ме­ таллических частиц и увеличению площади контакта между ними), увеличения размеров самих гранул (что приводит к уменьшению рассеяния электронов в местах контакта гранул) и сегрегации частиц стекла к поверхности подложки.

От температуры вжигания зависит также адгезия про­ водника с подложкой: при температуре ниже 60Q°C адгезия пленки мала, при температуре 650 °С она составляет 8 МПа, а свыше 700 °С - 1 5 ... 20 МПа.

Среди проводниковых паст, используемых для создания ГИС СВЧ, определенный интерес представляют пасты на основе золота. Они имеют хорошую электропроводность, адгезию к керамической подложке, обладают способностью к приварке золотых проводников. Высокие показатели свойств золотосодержащих паст обеспечиваются прежде всего за счет использования мелкодисперсного порошка золота, состояще­ го из монодисперсных частиц сферической формы диаметром 0 ,4 ...2 ,5 м к м . Гомогенность, форма и размеры частиц силь­ но влияют на реологические свойства паст и процесс их вжигания. Например, паста, состоящая из частиц размером менее 0,5 мкм, которые являются типичными для золотых паст, при вжигании имеют большую степень сжатия. Золотые пасты с размером частиц от 0,5 до 2 мкм в диаметре имеют хоро­ шие характеристики текучестей и дисперсии. Однако с увели­ чением размера частиц возникают реологические трудности, снижается также плотность вожженной пленки. С использо­ ванием мелкодисперсного золотого порошка можно получить пленки с высокой плотностью при толщине 7 ... 10 мкм.

Пасты на основе золота совместимы с большинством ди­ электрических и резистивных паст. Их недостаток - высо­ кая стоимость и растворимость в оловяно-свинцовых припоях. Процентное содержание золота в пастах меняется в пределах 7 8 ... 84 %. Пасты имеют различную растекаемость и способ­ ность к пайке..

Режимы сушки и вжигания золотосодержащих паст при­ ведены в табл. 3.5 и 3.7.

Определенные перспективы для создания проводников толстопленочных ГИС СВЧ - снижение стоимости и удельного сопротивления, имеют проводниковые пасты на основе меди. Медные пасты вжигают при температуре около 900 °С; при этой температуре медь является активным металлом даже в нейтральной атмосфере. Удельное поверхностное электросо­ противление большинства медных пленок составляет около 0,002Ом,.что ниже, чем для самых плотных пленок золота,

ного электросопротивления рп пленок меди от температуры вжигания t9M(пленки получены

трафаретной печатью с использованием сталь­ ных сеток: 325(1) и 200(2) меш

при этом оно зависит от температуры вжигания пасты и ее состава.

На рис. 3.12 приведена зависимость удельного поверх­ ностного электросопротивления пленок меди от температуры вжигания. С увеличением температуры вжигания удельное поверхностное электросопротивление уменьшается; это мо­ жет быть объяснено превалированием процессов уплотнения структуры над процессом окисления.

От температуры вжигания зависит также значение ад­ гезии медных пленок (рис. 3.13). Из данных рис. 3.13 видно, что адгезия увеличивается с ростом температуры вжигания, что может быть связано, очевидно, с большей подвижностью фритты и образованием более прочной связи с поверхностью подложки.

Для припайки к медным проводникам может быть ис­ пользован практически любой оловянно-свинцовый припой, для удаления оксидов и лучшего качества пайки необходимо использовать флюс. Смачивание медной пленки припоем за­ висит от типа припоя и составляет для оловянно-свинцового (61 % Sn, 39 % Pb) припоя 1 ... 3 с, а для припоя состава оловосвинец (10 % Sn, 90 % Pb) 2 .. .5 с.

Рис. 3.13. Зависимость адгезии Р пленок меди к

подложке из оксида алюминии от температуры вжигания Uя при трафаретной печати исполь­

зована стальная сетка: 325(1) и 200(2) меш

Т а б л и ц а 3.9. Характеристика толстопленочных проводников из различных паст

Сравнительные характеристики проводников толстопле­ ночных ГИС СВЧ приведены в табл. 3.9.

Металлоорганические соединения (МОС), используемые для получения проводников, представляют собой новый вид материалов, которые имеют следующие достоинства: возмож­ ность нанесения малой толщины проводника и использования техники фотолитографии для получения рисунка. В отличие от рассмотренных выше металлосодержащих паст, в которых при высокотемпературной обработке происходит спекание ча­ стиц пасты, в МО С при высоких температурах происходит термораспад металлоорганических соединений.

Растворы металлоорганических соединений наносятся на поверхность платы в виде капли с последующим ее центрифу­ гированием для получения ровной пленки по всей поверхности.

Для изготовления пленок серебра можно использовать со­ став, в который входят соль смоляных кислот - резинат сере­ бра и органические связующие: дибутилфталат, терпинеоль и этилцеллюлоза; содержание серебра в резинатах составляет до 35 %.

МОС могут содержать и неорганическое связующее, на­ пример, стекло или ситаллоцемент. Их присутствие способ­ ствует улучшению адгезии с поверхностью подложки.

В процессе нагрева МО С в интервале температуры 2 5 0 ...

... 450°С происходит разложение резината, выгорание органи­ ческого связующего и образование пленки из металлического серебра.

Режимы сушки и вжигания МОС типа 4783 приведены в табл. 3.5 и 3.7.

Используя МОС, можно получить пленки с удельным по­ верхностным электросопротивлением 0,004 ...0,06 Ом.

П ри п ой н ы е п асты - пастообразные припои - играют важную роль в снижении трудоемкости монтажа ЭРК, так как позволяют осуществлять процесс их нанесения автома­ тизированным способом. Использование припойных паст да­ ет следующие преимущества в технологии пайки и монтажа ЭРК: возможность механизации процесса нанесения, равно­ мерность толщины нанесенного слоя, незначительные потери пасты. Обладая определенной “липкостью”, припойная паста позволяет “погружать” в нее выводы ЭРК и временно закреп­ лять их в определенном положении без использования допол­ нительных составов. Припойные пасты представляют собой пастообразные припои, размещенные в органическом связую­ щем веществе, в состав которого входят флюсы. В зависи­ мости от типа паст размер частиц порошка припоя составля­ ет 0, 02... 0,06 мм. Флюсы в припойной пасте аналогичны флюсам, применяемым при обычной пайке. Наибольшее при­ менение имеют канифольные флюсы типа ФКСп - спиртовой

раствор сосновой канифоли или ФКТС - с добавлением сали­ циловой кислоты и триэтаноламина.

Связующее вещество придает пасте необходимую вяз­ кость и клеящую способность. Оно должно быть инертным по отношению к частицам припоя в период хранения н при нагреве в процессе оплавления.

Для придания пасте определенных реологических свойств в ее состав вводят растворители, например триэтаноламмоний.

Обычно припойная паста состоит на 70 ... 88 % из метал­ лического порошка, 2 ... 8 % флюса и остальное - связующее вещество.

При выборе рецептуры припойной пасты необходимо учи­ тывать свойства металлизируемой поверхности, наличие ок­ сидов или других загрязнений, присутствующих на ней, раз­ меры контактной площадки, время между моментом ее на­ несения и установкой ЭРК, условия хранения и оплавления и др.

Для получения припойных паст чаще применяют смеси: олово - свинец, олово - свинец - серебро, олово - свинец - вис­ мут.

Некоторые характеристики низкотемпературных припой­ ных паст приведены в табл. 3.10.

Припойные пасты могут наноситься на контактные пло­ щадки пленочных плат с использованием дозатора или тра­ фаретной печати. Трафаретная печать является наиболее перспективным способом нанесения припойных паст. Обыч­ но используют сетчатые трафареты с размером ячейки 80 ...

... 200 мкм; более мелкая сетка используется* для нанесения более тонкого слоя припоя.

После нанесения припойной пасты на контактные пло­ щадки платы устанавливают навесные ЭРК. После этого проводят операцию сушки. Назначение сушки - удаление органического растворителя. Режимы сушки приведены в табл. 3.5. Сушку следует проводить в таких условиях, что­ бы исключить окисление частиц металла, входящих в состав

пасты; процесс окисления активизируется за счет того, что растворитель, выполняющий защитную роль, частично испа­ ряется.

Время и условия хранения пасты от сушки до оплавления влияют на ее свойства (рис. 3.14), особенно это заметно, если паста имеет способность к усадке и, как следствие, способ­ ность к “свертыванию”. Образцы нанесенной пасты, выдер­ жанные в относительно сухой атмосфере (45 % относительной влажности), имеют минимальную “свертываемость” .

Рис. 3.14. Зависимость относительной поте­ ри массы Дш/ш припойной пасты от време­ ни хранения г при относительной влажно­ сти 45(1) и 82(Я) % (паста была нанесена спо­ собом трафаретной печати и высушена при температуре 80°С в течение 15 мин)

Последующей операцией является оплавление. Э та опе­ рация может проводиться одним из методов нагрева: нагре­ вательной плитой, горячим газом, индуцированной высокоча­ стотной энергией или инфракрасным теплом.

Температура нагрева платы, с установленными Э РК , не должна превышать температур, приведенных в табл. 3.10, а время выдержки при температуре оплавления не должно пре­ вышать 5 с.