книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Завершающей операцией является отмывка платы от остатков органического связующего, входящего в состав па­ сты. Для этого используют спиртофреоновую смесь, изопро­ пиловый спирт и др.

Р ези сти в н ы е пленки, применяемые в МПП, создают­ ся на основе серебряно-палладиевых, рутениевых, боридных и других паст.

Резисторы из серебряно-палладиевых паст представля­ ют собой такие же структуры, что и приводящие серебряно­ палладиевые системы, только с другим процентным соотно­ шением входящих компонентов: уменьшается доля функцио­ нальных составляющих (частиц серебра и палладия) и увели­ чивается доля диэлектрической компоненты. В резистивных пастах роль функционального материала выполняют не толь­ ко частицы металлов или оксидов, но также диэлектрики и полупроводники. Все эти компоненты вносят вклад в фор­ мирование электрических характеристик, которые зависят от физических свойств частиц функционального материала, их размеров, концентрации и распределения по объему пасты.

На рис. 3.15 приведены зависимости удельного поверх­ ностного электросопротивления резистивных пленок от про­ центного содержания различных компонентов. Из рисунка видно, что изменение электросопротивления резистивной па­ сты на основе соединения рутената висмута при увеличении концентрации происходит более замедленно по сравнению с серебряно-палладиевыми пастами.

Существуют два вида серебряно-палладиевых паст: пер­ вый - статические системы, у которых проявляется мини­ мальная зависимость удельного поверхностного электросопро­ тивления и ТКС от времени вжигания; второй - динамические системы, в которых электрические характеристики являются функцией времени вжигания.

Серебряно-палладиевые составы включают частицы се­ ребра, палладия, оксида палладия, боросиликатного стекла и органического связующего.

Рис. 3.15. Зависимость удельного поверхностного электросопротивления />а толстопленочных рези­ сторов от процентного содержания элементов:

стеклянная фритта Р Ъ О - В 2 О 3 - S1O2

Характер поведения пасты при вжигании определяется наличием оксида палладия. Так, в статических системах при­ сутствуют оксиды палладия, а реакция происходит по следу­ ющей схеме:

PdO + Pd + Ag + стекло ВЖ5Е51И€ PdO + PdAg + стекло

Вэтой реакции происходит полное окисление свободного палладия, и полученная структура вожжекной пленки практи­ чески не изменяет своих свойств при изменении времени вжигания. Недостаток этого состава состоит в том, что многие электрические параметры, такие, как ТКС, ЭДС шумов, ко­ эффициент напряжения, зависят от удельного поверхностного электросопротивления. Этот недостаток затрудняет исполь­ зование пленок в широком диапазоне удельного поверхностно­ го электросопротивления.

Вдинамических системах электрические характеристики сильно зависят от времени вжигания и температурного про­ филя.

Химические превращения проходят по схеме

Pd + Ag + стекло вж2Е5?ие р <1+ pdO + PdAg + стекло

В этой реакции изменение удельного электросопротивле­ ния происходит экспоненциально по формуле

р —ТАе^ЯТ,

где А и а - константы, зависящие от природы пасты и условий вжигания; к - постоянная Больцмана; Т - температура в К.

Серебряно-палладиевые резисторы динамической систе­ мы, вожженные за короткий период времени, имеют низкое удельное поверхностное электросопротивление, содержат ма­ ло оксидов палладия; значение ТКС в этом случае положи­ тельное. Т а же самая паста, вожженная за относительно дли­ тельный период времени, имеет более высокое электросопро­ тивление, более высокий процент содержания оксидов палла­ дия и, соответственно, отрицательный ТКС.

При вжигании серебряно-палладиевых резистивных паст происходят следующие процессы и химические реакции: раз­ ложение оксида серебра, окисление металлического палладия, упорядочение структуры твердого раствора серебро - палла­ дий, разложение оксида палладия.

Изменение процентного содержания компонент в серебря­ но-палладиевой пасте после вжигания приведено в табл. 3.11. Как видно из этой таблицы, отношение Pd в оксиде к Pd в соединении практически неизменно для всех типов паст.

Изменение состава соединения Ag-Pd в вожженных плен­ ках для различных паст свидетельствует о неоднородности происходящих химических реакций при вжигании.

В свою очередь изменение удельного поверхностного элек­ тросопротивления связано с температурой вжигания серебря­ но-палладиевых паст (рис. 3.16).

Режимы сушки и вжигания серебряно-палладиевых паст приведены в табл. 3.5 и 3.7.

Более стабильные электрические свойства имеют рези­ стивные пленки на основе рутения. Пасты, используемые

/

ю2 -

Рис. 3.16. Зависимость удельного поверхностного электросопротивления серебряно-палладиевых паст от температуры вжигания 1» для следующих составов паст:

1 - Ag - 8,8 %, Pd - 5,5 %; 2 - Ag - 10,5 %, Pd - 7,6 %;

3 - A g - 7 , 9 % , P d - 1 7 , 3 %

для получения резисторов, получают на основе диоксида ру­ тения или его соединений, например рутенатов висмута или свинца. Оксид рутения, имея высокую термическую устойчи­ вость, позволяет в широких пределах изменять условия терми­ ческой обработки; поверхностное электросопротивление пле­ нок из оксида рутения можно изменять за счет количества стеклосвязки в исходной пасте. В качестве стеклосвязки ис­ пользуют свинцово-боросиликатные стекла с различными до­ бавками, такими, как PbO, MgO, ZnO, SrO, BaO, SiО2 и др.

Электрические характеристики и стабильность рутение­ вых резисторов зависят от размеров резистивных частиц и той доли объема, которую они занимают в пасте. Существует вза­ имосвязь этих параметров: чем меньше размер функциональ­ ных частиц, вступающих во взаимодействие, тем меньшая их доля может содержаться в пасте для получения одной и той же величины электросопротивления. Микроструктура пленок

Как видно, электросопротивление увеличивается по мере роста объема продиффундированного серебра до 5, 5 ... 6,5 %. Когда количество серебра превышает 7%, в резистивной пленке образуются относительно большие гранулы серебра, которые, превращаясь в проводящие “мостики”, снижают об­ щее электросопротивление.

Изменение удельного поверхностного электросопротивле­ ния резистора при диффузии серебра в рутениевую пленку зависит от ее состава и геометрических размеров резистора (рис. 3.18).

9 а ,КОМ

Рис. 3.18. Зависимость удельного поверхност­ ного электросопротивления р а резисторов из оксида рутения от длины резистора I для со­

четаний:

1 - резистор R112O; 2 - резистор RuOa + 2 вес % Au; 3 - резистор RuOa + 4 вес % Au; 4 - резистор RuOa (1, 2, 3 - проводники из паст на основе Ag и 4 - про­

водник из паст на основе Au и Pt толщина пленки - 12 мкм)

Для ослабления миграции серебра из материала контакт­ ной площадки в резистивную пленку в состав рутениевой па­ сты вводят золото 2 ... 4 X.

Изменить электросопротивление резистивных паст на основе рутения можно за счет введения различных добавок, например пентаоксида ванадия V2O5.

Для пасты с содержанием 30% активного вещества (R11O2 ~ V2O5) и 70 % боросиликатного стекла растворителем служит 8 %-ный раствор этилцеллюлозы в смеси бутилцеллюлозы, терпинеоля и бутилкарбинолацетата.

Зависимость изменения удельного поверхностного элек­ тросопротивления резистивных пленок на основе оксида ру­ тения, насыщенных пентаоксидом ванадия для различных концентраций V2O5 и температур вжигания, приведена на рис. 3.19. Из графика видно, что повышение температуры на­ грева способствует процессу более полного спекания частиц и уменьшению электросопротивления.

Рис. 3.19. Изменение удельного поверхностно­ го электросопротивления pQ пленок на ос­ нове двуоксида рутения, насыщенного V2O5, от его концентрации:

температура вжигания 700(1) и 800(2) °С

Увеличение проводимости с ростом концентрации V2O5 может быть связано с потерей кислорода при соединении мо­ лекул V2O5 и RU0 2.

Для снижения стоимости паст и улучшения эксплуата­ ционных характеристик используют вместо чистого рутения его соединения: рутенаты свинца, висмута. Функциональный материал в этом случае необходимо специально готовить, т.е. получить мелкодисперсный порошок за счет высокотемпера­ турной твердофазной реакции оксидов рутения и висмута или свинца.

Режимы сушки и вжигания паст на основе рутения при­ ведены в табл. 3.5 и 3.7.

В настоящее время изготовляют резисторы из паст на основе боридов следующих металлов: никеля, молибдена, вольфрама, тантала и др. Резисторы на основе этих ме­ таллов не уступают по своим характеристикам серебряно­ палладиевым и рутениевым резисторам.

Некоторые характеристики толстопленочных резисторов приведены в табл. 3.12.

Д и эл ек тр и ч еск и е пленки применяют в качестве ди­ электрических слоев конденсаторов и изолирующих слоев. Для получения диэлектрических паст применяют стекла, ке­ рамические и сегнетоэлектрические функциональные матери­ алы.

Основные требования, предъявляемые к диэлектриче­ ским слоям толстопленочных конденсаторов ГИС СВЧ - ста­ бильное значение относительной диэлектрической проница­ емости, малые потери мощности и высокая электрическая прочность.

Поскольку диэлектрические пасты помимо основного функционального диэлектрического вещества содержат еще и связующие стекла, также являющиеся диэлектриком, полу­ чение требуемого и стабильного значения относительной ди­ электрической проницаемости является сложной задачей. Ди­ электрическая проницаемость смеси диэлектрических частиц не просто пропорциональна объемам составляющих частиц и диэлектрической проницаемости каждой частицы. Небольшое добавление стекла с малым значением диэлектрической про­ ницаемости снижает диэлектрическую проницаемость смеси.

150

* Допустимая мощность рассеяния резистивных пленок на подложках из керамики ВК 94-1 не более 5 Вт/см2. ** В интервале температур —60... + 125 °С. *** После воздействия относительной влажности

95 ± 3 % при температуре окружающей среды 40°С в течение 10 суток.