книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И Е П Р О Ц Е С С Ы И Т О Ч Н О С Т Ь Р А З М Е Р Н О Й О Б Р А Б О Т К И П О Д Л О Ж Е К

Процессы размерной обработки подложек занима­ ют важное место в технологии изготовления МЭИ СВЧ, определяя технические и экономические характе­ ристики изделий.

Повышенные требования к расположению пленоч­ ных элементов относительно края микрополосковой платы и отверстий относительно элементов схемы, а также к расположению плат в корпусе предъявляют, в свою очередь, высокие требования к точности исполне­ ния габаритных размеров и форме платы.

С другой стороны, диэлектрическая подложка, по­ ступающая на операции разделения, содержит практи­ чески полностью сформированный рисунок элементов, т.е. в ее изготовление вложены значительные тру­ довые и материальные затраты, что предопределяет необходимость обеспечения малых технологических по­ терь на этой операции.

К операциям размерной обработки относятся: рез­ ка подложек на отдельные платы, получение отверстий (круглых или другой формы) в платах.

5.1. Способы разделения подложек

Требования к операции разделения подложек на платы формируются в соответствии с требованиями, предъявляе­ мыми к микрополосковым платам и установке их в корпус. Основными из них являются:

-допустимое отклонение габаритных размеров в преде­ лах ± 0,1 мм;

-сколы, трещины, раковины по периметру размером не более 0,5 мм на расстоянии не более 0,8 мм от края подложки.

Способы размерной обработки делятся на механические, ультразвуковые и лазерные.

Механические способы включают скрайбирование и резку алмазными кругами.

Скрайбирование. При разделении подложек на платы с использованием способа скрайбирования первоначально ал­ мазным резцом наносят неглубокую риску, около которой кон­ центрируются напряжения (рис. 5.1, в). Затем подложку ло­ мают по нанесенным рискам, приложив изгибающее усилие (рис. 5.1, б).

При алмазном скрайбировании качество обработки зави­ сит от непрерывности и однородности нанесенных рисок, т.е. в процессе нанесения риски необходимо обеспечить постоянное давление и глубину проникновения алмазного резца в подлож­ ку.

Скрайбирование небходимо проводить непосредственно по поверхности диэлектрической подложки, оставляя для это­ го свободное от металлического слоя поле между платами.

При нанесении алмазным резцом риски на поверхности диэлектрической пластины появляется углубление - “бороз­ да”, размеры которой (ширина и глубина) зависят от усилия прижима резца, твердости обрабатываемой пластины.

При нагрузке на резец от 0,5 до 0,8 Н глубина и ширина полученных рисок не превышает 10 ... 15 мкм, а сколы на по­ верхности составляют 10 ... 20 мкм; увеличение нагрузки свы­ ше 1 , 2 ... 1 ,5 Н приводит к появлению сколов на поверхности до 4 0 ... 50 мкм.

Рис. 5.1. Способы разделения подложек на платы:

а - поперечный разрез; б - после разламывания; в - после шлифовки торцев; г - резкой алмазным диском; резкой лазерным лучом соот-

вественно при многократном (д) и однократном (е) следовании им­ пульсов; ж - вид сверху линии реэа; А /п - расстояние от края до ли­ нии реза; С - ширина скрайбирования; t - глубина скрайбирования;

Да - глубина неровностей после скрайбирования; Aai - отклонение от осевой линии после шлифовки торца; Ь- ширина прорези при резке алмазным диском; 1 - подложка; 2 - неровности после разламывания; 3 - фоторезист; 4 ~ вылет материала за счет испарения при обработке лазерным лучом; 5 - последовательные этапы лазерного взаимодей­ ствия; 6 - лазерный след

Одновременно в процессе скрайбирования часть материа­ ла “выжимается” на поверхность подложки, образуя выступы с двух сторон риски, высота этих выступов для керамики ВК 100-1 составляет 0, 8.. . 1,5 мкм.

Алмазы, используемые в резцах для скрайбирования, име­ ют форму трехгранной или четырехгранной пирамиды.

Высокую стойкость имеют резцы, рабочая часть кото­ рых выполнена в виде четырехгранной усеченной пирамиды. В этом случае скрайбирование проводят последовательно че­ тырьмя режущими кромками. Резец устанавливают таким образом, чтобы угол наклона составлял с плоскостью подлож­ ки 10. ..15°.

Затем следует разделение диэлектрических подложек на отдельные платы после скрайбирования - разламывание. По­ тери на операции ломки из-за образования больших сколов на кромках платы, нарушения целостности и геометрической формы из-за произвольного разламывания могут достигать 10 . . . 1 5 . .

Производительность и качество скрайбирования зависят также от скорости перемещения резца. Рекомендуемая ско­ рость составляет 2 0 ... 50 мм/с.

При скрайбировании диэлектрических подложек приме­ няют алмазные резцы, изготовленные как из природных, так и из синтетических алмазов. Стойкость резцов зависит от материала подложки и режимов скрайбирования и составляет 100 .. . 125 м длины линии скрайбирования.

Операция разламывания подложек после скрайбирования не обеспечивает требуемого качества боковых сторон, обра­ зуются выступы, впадины, величина которых от средней ли­ нии составляет до 0,2 мм; т.е. габаритный размер обеих раз­ деленных плат будет всегда больше номинального размера (см. рис. 5.1, б). Для повышения точности габаритных раз­ меров и улучшения качества торцев плат обычно использу­ ют дополнительную операцию шлифования (рис. 5.1, в). Шли­ фование проводится методом групповой технологии, т.е. по 10 . . . 20 плат, собранных в пакеты.

Недостатками дополнительного шлифования являются высокая трудоемкость процесса и засорение образивом поверх­ ности плат.

Режа алмазными кругами. Большое применение име­ ет способ разделения диэлектрических подложек с использо­ ванием алмазных отрезных кругов (рис. 5.1, г). Этот способ обеспечивает резку подложек и пластин из всех материалов, применяемых в производстве МЭИ СВЧ: керамики, ситаллов, кварца, сапфира, полупроводниковых пластин и др. толщиной от 0,25 до 2 мм.

Этим способом может проводиться резка подложек с ме­ таллизированной обратной стороной. При разделении подло­ жек (пластин) на платы с использованием алмазных дисков

необходимо предусмотреть свободное поле между платами, удаляемое в процессе резки.

Ширина реза b (см. рис. 5.1, г) при разделении диэлек­ трических подложек:

6 = ( Я ± Д Я ) К,

где Я - номинальная ширина круга; Д Я - наибольшее от­ клонение ширины режущей кромки абразивного круга; К = = 1 —1,3 - коэффициент, учитывающий увеличение ширины канавки за счет радиального биения, неточностей перемеще­ ния стола, упругих деформаций круга и прочее, определяют экспериментальным способом, исходя из типа материалов под­ ложки (пластины), круга и режимов резания.

Алмазные круги марки 2726-021A3 80/6350 с концен­ трацией алмазов в круге 50 % имеют отклонения толщины до

0,02 мм.

Резку подложек этим способом обычно проводят набором параллельно установленных алмазных кругов. Для этого под­ ложки при помощи клеящих составов (например, пицеина) за­ крепляются на вспомогательном держателе, который устано­ вленном на столе станка.

Станки, на которых выполняют операции резки алмаз­ ными дисками, должны удовлетворять высоким требовани­ ям: радиальное биение шпинделя не должно превышать 1,5 ...2м км; непараллельность движения стола - до 5 мкм; необходимо наличие оптической системы настройки станка.

Способ резки набором алмазных кругов имеет высокую производительность (полное время установки и резки кера­ мической подложки вдоль стороны 60 мм составляет 4 ,0 ...

... 4,5 мин), высокое качество обработки (высота микронеров­ ностей R a 0,32 ... 0,63 мкм, точность ±0,1 мм).

Основным недостатком применения способа резки алмаз­ ными дисками является малая механическая жесткость кру­ гов, что вызывает их вибрацию в процессе резки, а это ведет к снижению точности получения габаритных размеров плат,

появлению сколов, трещин; в процессе резки образуется также пыль (керамическая, ферритовая, кварцевая и пр.).

Величина сколов, возникающих при резании алмазными дисками, зависит от схемы осуществления процесса. При встречном резании, т.е. когда направление движения подлож­ ки и вращения круга не совпадают, максимальная величина сколов для подложки из керамики ВК 100-1 составляет 0,1 мм. При попутной схеме резания, т.е. при совпадении направления вращения алмазного круга и движения подложки, максималь­ ные размеры сколов уменьшаются и составляют 0,05 мм.

Рис. 5.2. График распределе­ ния отклонений Да габарит­ ных размеров плат при рез­ ке керамики ВК100-1 алмаз­ ным кругом (толщина подлож­ ки 0,5 мм, вылет круга 3 мм, частота вращения шпинделя 4000 мин-1, скорость движе­ ния стола 50 мм/мин, глубина резания 0,6 мм)

На рис. 5.2 приведено распределение отклонений габарит­ ных размеров подложек из керамики ВК 100-1 при резке ал­ мазными дисками. Как видно из рисунка, для производствен­ ных условий кривая распределения близка к нормальному за­ кону, с величиной среднего арифметического отклонения, рав­ ной 0,1 мм.

При использовании способа резки алмазными дисками не­ обходимо при мультипликации рисунка плат предусмотреть свободные поля на фотошаблоне (рис. 5.3), т.е. раздвинуть ре­ перные знаки отдельных плат на расстояние b (см. рис. 5.3, а). Это потребует уменьшения габаритных размеров плат, либо размещения на подложке числа плат, не кратного установлен­ ным стандартным габаритным размерам, т.е. для обеспече­ ния более точных габаритных размеров необходимо распола­ гать на подложке размером 60 X 48 мм меньшее число плат, оставляя свободное поле (см. рис. 5.3, б).

Рис. 5.3. Схема получе­ ния габаритных разме­ ров диэлектрических плат при разделении подложки на п частей:

а - без коррекции на толщи­

ну алмазного диска: ai =

/2 — ^иом 6/2; 1 • >! U —

= L u — 6/2; б - при нали­

чии свободного поля с кор­ рекцией топологии на тол­ щину алмазного диска; ai = = 02 = ... ag = aUOM; Î - ре­ перный знак; 2 - проводник; 3 - плата; 4 “ остаток под­

ложки

5

В процессе разделения подложки на платы необходимо также обеспечить определенный установленный конструктор­ ской документацией размер от края платы до “выхода” микрополосковой линии (размер /и /2 .. ./i). Обеспечение этого размера и допустимого отклонения от номинального значения возможно с учетом способа разделения подложки с созданием “свободного поля” по краям платы.

У льтр азву ко во й способ резки пластины является ши­ роко универсальным и высокопроизводительным процессом. Этот способ может применяться для разделения любых ди­ электрических и полупроводниковых материалов; он обеспе­ чивает получение деталей любой формы: прямоугольной, с выступами и впадинами, круглой, овальной и др.

Параметры процесса ультразвукового размерного разде­ ления пластин зависят от физико-механических свойств об­

рабатываемых материалов. Керамика, ситаллы, ферриты, кварц практически не имеют зоны пластической деформации при разрушении, и основную долю всей работы по разруше­ нию составляют упругие деформации. Разрушение материала наступает после малой стадии деформации, приближающейся к закону Гука.

Ультразвуковая обработка хрупких материалов состоит из основного процесса - ударного внедрения абразивных зе­ рен в материал подложки, вызывающего разрушение струк­ туры обрабатываемого материала. Одновременно происходит и процесс удаления выбитых частиц и введение новых абра­ зивных частиц в рабочую зону.

Абразив подбирается таким образом, чтобы его микро­ твердость соответствовала твердости обрабатываемого мате­ риала (табл. 5.1), а величина зерна абразива выбирается в за­ висимости от требуемой точности и качества обработки.

Т а б л и ц а 5.1. Сравнительные характеристики микротвердости подложки и абразивного материала

Размер прорези при ультразвуковой обработке практиче­ ски равен размеру инструмента (концентратора) плюс размер зерен абразива.

Наибольшее применение для резки ситаллов, керамики имеет карбид кремния зеленый с величиной зерна не более 20 мкм. Для повышения качества обработки и производитель­ ности процесса следует применять суспензии с алмазными синтетическими микропорошками (размер зерна 5 ... 10 мкм).

Для защиты элементов схем от повреждений абразивной эмульсией они должны быть защищены слоем фоторезиста или лака, который впоследствии удаляется.

Л азер н ы й способ обработки широко применяется в по­ следние годы. Этот способ имеет основное преимущество по сравнению с резкой алмазными дисками - меньшие поврежде­ ния обрабатываемой поверхности вследствие отсутствия ме­ ханического контакта инструмента с материалами подложки.

При лазерной обработке сквозной или несквозной “надрез” в материале подложки образуется за счет испарения уз­ кой полосы материала с помощью сфокусированного лазерного луча большой мощности (рис. 5.1, е). При взаимодействии лазерного излучения с твердыми материалами, какими явля­ ются керамика, ситаллы, ферриты, энергия частично отража­ ется, а частично проникает внутрь материала, поглощается в нем и переходит в теплоту.

Формообразование кратера происходит в результате пла­ вления, удаления расплава под действием градиента давления пара и поверхностного испарения.

Выбор технологических параметров лазерной обработки необходимо проводить с учетом следующих свойств обрабаты­ ваемого материала:

-коэффициента поглощения и отражения при данной дли­ не волны лазерного излучения, определяющих процесс погло­ щения энергии;

-удельной теплопроводности, которая определяет тепло­ вой поток в материале;

-плотности, удельной теплоемкости, скрытой теплоты плавления и температуры фазового перехода, определяющих энергоемкость процесса перехода вещества в новое фазовое со­ стояние: твердого - в жидкость, жидкого - в пар.

При выборе режимов размерной лазерной обработки не­ обходимо обеспечить точность и воспроизводимость размеров, которые определяются объемом полученной жидкой фазы и ее перемещением в обрабатываемом отверстии.

Рис. 5.4. Области взаимосвязи глуби­ ны (а) и диаметра d (б) отверстия лунок с энергией лазерного излучения Et

1 - керамика ВК 94-1; 2 - керамика ВК 100-1

Процесс вытеснения жидкой фазы из отверстия может ре­ гулироваться как за счет уровня энергии, так и условиями фокусировки лазерного луча.

На рис. 5.4, а и б приведены зависимости размеров лунок (глубины и диаметра), полученных при взаимодействии ла­ зерного луча с диэлектрическим материалом, от энергии из­ лучения.

Как видно, для керамики ВК 94-1, имеющей по сравнению с керамикой ВК 100-1 большее количество стеклофазы, при одной и той же энергии облучения размеры лунок (глубина и диаметр) больше, что обусловлено расплавлением стеклофазы и выносом ее из канала отверстия.