книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Так как при резке материалов лазерным лучом осуще­ ствляется движение подложки, ширина реза определяется диа­ метром отверстия, а неровность края - частотой следования импульсов.

Неровность края линии реза (мкм) определяется соотно­

где d - диаметр светового пятна; t - шаг обработки (t < d). При однократном следовании импульсов с частотой 40 Гп, диаметре светового пятна около 100 мкм и скорости движе­ ния подложки 120 мм/мин неровность края составляет около

7мкм.

Вслучае применения многоимпульсного метода прошив­ ки отверстий за счет многократного прохода лазерного луча по линии реза происходит “сдвиг” перекрытий лазерных “то­ чек”, в результате неровность края уменьшается и составляет

1.. .2 мкм.

Одним из недостатков лазерного воздействия является образование вокруг обрабатываемого отверстия “валика” за счет выброса расплавленного материала на поверхность под­ ложки. Высота и ширина этого валика зависит от вида обра­ батываемого материала и энергии лазерного облучения. Так, при энергии облучения 5 Дж размеры валика вдоль паза в керамике ВК 10Ô-1 составляют до 70 мкм.

Частичное устранение этого недостатка возможно за счет нанесения на поверхность диэлектрического материала слоя фоторезиста. В этом случае расплавленный материал на вы­ ходе из отверстия осаждается на этот слой, а затем вместе с ним удаляется.

Другим недостатком лазерной обработки является воз­ можное появление трещин за счет термомеханических напря­ жений, возникающих при термоударе, т.е. при быстром на­ греве и охлаждении области обрабатываемого материала.

Особенно велика вероятность возникновения трещин при близком (1 ,0 ... 1,5 мм) к краю платы воздействии луча.

Впроцессе лазерной обработки изменяются также физи­ ко-механические свойства близлежащих областей около места воздействия лазерного излучения.

Втабл. 5.2 приведены основные характеристики способов размерной обработки.

5.2. Способы получения отверстии

Для получения отверстий применяют те же механические и физические способы, что и для резки диэлектрических под­ ложек и полупроводниковых пластин, т.е. алмазное сверление, ультразвуковую и лазерную прошивку.

Требования, предъявляемые к отверстиям, можно разде­ лить в зависимости от назначения отверстий. Они имеют два применения: в качестве перехода, который осуществляет электрическую связь элементов на лицевой поверхности с за­ земленной обратной металлизированной поверхностью, и как место для установки навесных элементов.

Общими требованиями, предъявляемыми к отверстиям, являются:

- точность размещения отверстия относительно пленоч­ ных элементов на поверхности платы в пределах ± 0,1 мм;

- точность изготовления отверстия в пределах + 0 ,0 5 ...

... + 0,15 мм (в зависимости от размера и назначения отвер­ стия);

-величина сколов вокруг отверстий диаметром менее

1.5мм - не более 0,3 мм, и вокруг отверстий диаметром более

1.5мм - не более 0,5 мм;

-конусность и овальность не должна превышать допуск на диаметр отверстия.

Кроме того, отверстия под металлизацию, особенно вы­ полняемую с использованием тонкопленочной технологии, должны иметь высокую чистоту обработки (Ra не более 0 ,4 ...0 ,5 мкм) и скругленную форму кромок на обеих сто­ ронах подложки.

Учитывая наличие общих физико-механических основ способов получения отверстий: механических, ультразвуко­ вого и лазерного, изложенных ранее, рассмотрим только их особенности.

С верление алм азны м и сверлам и является наиболее простым и эффективным способом получения в диэлектриче­ ских подложках отверстий круглой формы. Для сверления можно использовать однокристальные или перфорированные сверла.

Алмазное сверление отверстий осуществляют на высоко­ скоростных станках, позволяющих развивать частоту враще­ ния шпинделя до 10.. .15 тыс. мин” 1.

При сверлении однокристальными сверлами таких мате­ риалов, как кварц, феррит, ситалл, величина сколов на входе и выходе сверла часто превышает допустимую величину, т.е. 0,3 мм. Поэтому однокристальные сверла следует использо­ вать для сверления подложек из керамики ВК 100-1 и ВК 94-1.

Однокристальные сверла имеют повышенную износо­ стойкость по сравнению с перфорированными и позволяют интенсифицировать режимы сверления: скорость вращения и подачу, т.е. увеличить производительность процесса в 2 - 3 раза.

Сверла диаметром менее 1 мм очень чувствительны к уровню вибрации и биений, возникающих на больших (свы­ ше 10000 мин” 1) частотах.

При сверлении алмазными сверлами происходит некото­ рое увеличение диаметра отверстия за счет биения шпинделя, недостаточной жесткости сверла и др. Распределение откло­ нений диаметра отверстий, полученных алмазным сверлени­ ем, хорошо согласуется с нормальным законом распределения, при этом весь массив значений укладывается в поле допуска 0,2 мм и примерно 85 % в поле допуска 0,12 мм.

Одно из требований, предъявляемых к процессу сверле­ ния, - обеспечение точности размещения отверстий по отно­ шению к пленочным элементам, расположенным на поверхно­ сти платы.

Погрешность расположения центров отверстий определя­ ется точностью перемещения координатного стола и не долж­ на превышать ±0,05 мм.

У л ь тр азв у к о в ая прош ивка отверстий является наибо­ лее разработанным и универсальным способом, позволяющим получать отверстия любой формы и размера. Этот способ обеспечивает те же требования, что и алмазное сверление: ше­ роховатость поверхностей, прошитых в диэлектрическом ма­ териале, составляет примерно 40 мкм.

При ультразвуковой прошивке допускаются следующие дефекты: величина сколов не более 0,3 мм вокруг отверстий размером менее 1,5 мм и не более 0,5 мм для отверстий более 1,5 мм.

Ультразвуковую прошивку отверстий осуществляют с использованием концентраторов, изготовленных из стали СТ45 или У8, в присутствии суспензии с частицами абразив­ ного вещества - карбида бора.

Л азер н ая п ро ш и вка позволяет получать отверстия лю­ бого диаметра от 50 мкм. При этом отверстия малого диаме­ тра до 50 мкм получают при одноразовом облучении, а боль­ шого диаметра - в результате обхода лучом лазера контура отверстия.

Отверстия, полученные лазерной обработкой, имеют ко­ нусообразную форму. Уменьшение диаметра отверстия по глубине подложки объясняется неоднородным распределени­ ем энергии в поперечном сечении пучка лазерного излучения и ослаблением за счет поглощения. Некоторое увеличение от­ верстия на обратной стороне связано с гидродинамическим эф­ фектом.

Для отверстий, полученных лазерной обработкой, харак­ терно отклонение формы от окружности, что является след­ ствием произвольных изменений пространственно-временного распределения энергии в течение импульса; соотношение сто­ рон отверстий эллипсообразной формы зависит от материала подложки и параметров облучения и составляет от 1:1,1 до

1:1,45. В тех случаях, когда отверстия в платах предназнача­ ются для металлизации, важной характеристикой их стано­ вится шероховатость поверхности.

Минимальная шероховатость наблюдается в середине ка­ нала (Да = 0 ,2 ... 0 ,6 мкм); в начале и в конце канала за счет накопления испаряемых частиц шероховатость увеличивается (Да = 0,6 . ..1 ,2 5 мкм).

Т а б л и ц а 5.3. Характеристики способов получения отверстий

* Отверстия получены при однократном импульсе.

Характеристики основных способов получения отверстий в диэлектрических материалах приведены в табл. 5.3.

СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Применяемые в производстве ГИС СВЧ технологи­ ческие процессы напыления, фотолитографической об­ работки, трафаретной печати, вжигания и другие не обеспечивают в полной мере получение требуемых элек­ трофизических свойств пленок и геометрических разме­ ров пленочных элементов. Кроме того, во многих ГИС СВЧ применяют полупроводниковые приборы, которые имеют разброс электрических характеристик. Все эти факторы определяют разброс электрических характе­ ристик ГИС СВЧ в целом.

Д ля повышения процента выхода годных плат про­ водят доводку параметров пленочных элементов.

С целью изменения электрических характеристик ГИС СВЧ в процессе их настройки также проводят корректировку параметров пленочных элементов.

В технологическом процессе изготовления ГИС СВЧ каждая операция, целенаправленно формирующая определенные характеристики элементов, воздейству­ ет на ранее сформированные показатели свойств. В этом смысле такое последующее дополнительное воз­ действие является нежелательным, так как оно при­ водит к изменению ранее сформированных свойств.

В отличие от этих технологических операций кор- ректировка - доводка параметров является целенапра­ вленным воздействием с целью определенного количе­ ственного изменения величин параметров элементов, т.е. их улучшения.

Р и с . 6.1. К о н с т р у к т и в н ы е сп особы р е г у л и р о в к и в е ­ л и ч и н ы п а р а м е т р о в п л ен о ч н ы х эл ем ен то в :

а- регулировка электрической длины эа счет подсоединения дополнительных секций; б - регулировка волнового сопро­ тивления за счет присоединения дополнительных обкладок; в - то же за счет присоединения индиевых накладок; г - ре­ гулировка электросопротивления резистора; д- регулировка емкости конденсатора отрезкой части верхней обкладки; е - то же за счет подсоединения части верхней обкладки; ж - регулировка величины индуктивности; 1 - проводник; 2 - дополнительная контактная площадка; 3 - проволочная пе­ ремычка; 4 ~ индиевая накладка; 5 - линия реза

Способы изменения номинальных значений параме­ тров пленочных элементов можно разделить на две группы: конструктивные (рис. 6.1) и технологические.

6-1. Конструктивны е способы

Э та группа способов основана на введении в конструкцию пленочного элемента дополнительных элементов, присоедине­ ние или отделение которых приводит к изменению, значений параметров элемента.

Для подсоединения или отделения дополнительных сек­ ций используют вспомогательные перемычки в виде проволоч­ ных (ленточных) или пленочных проводников (см. рис. 6.1, а, б).

Изменение электрических характеристик линии переда­ чи возможно за счет установки тонких металлических накла­ док (см. рис. 6.1, в). Для этого используют отрезки индиевой фольги толщиной 20 мкм, которую прижимают к поверхности проводника и платы давлением 3 .. .5 МПа.

Для улучшения механического закрепления фольги и по­ вышения коррозионной стойкости ее защищают лаком, напри­ мер ФП-525.

Дополнительные секции, позволяющие подстраивать зна­ чения параметра элемента, введены в конструкторскую доку­ ментацию, поэтому им и дано название конструктивные, хо­ тя сам прбцесс подстройки осуществляется технологическими способами: пайки, сварки, лазерным излучением и пр.

Конструктивные способы применяют для регулировки электросопротивления резисторов, емкости конденсаторов, ве­ личин индуктивностей (см. рис. 6.1, г, д, е, ж).

6.2. Технологические способы

В отличие от конструктивных технологические способы состоят в определенном воздействии (механическом, физиче­ ском или химическом) на материал пленки, приводящем к из­ менению ее структуры или геометрических размеров.

Вне зависимости от вида происходящих явлений, приво­ дящих к изменению электрофизических свойств, технологиче­ ские способы целесообразно разделить в зависимости от пло­ щади воздействия на групповые и индивидуальные.

Наиболее разработанной и широко применяемой в процес­ се производства является доводка электросопротивлений рези­ сторов.

Г рупповы е способы доводки включают: тепловую и ионную обработку, электрохимический и химический способы.

Тепловая обработка осажденных резистивных пленок является наиболее простым способом изменения электросопро­ тивления. Эта корректировка происходит в результате изме­ нений, происходящих в структуре или составе пленок при на­ греве и выдержке резисторов при определенной температуре.

В процессе нагрева возможны следующие “механизмы” изменения свойств: окисление или релаксация. Окислитель­ ные процессы приводят к росту оксидной пленки, что вы­ зывает увеличение электросопротивления. Релаксационные процессы вызывают упорядочение структуры, что уменьша­ ет электросопротивление.

Превалирование того или другого процесса зависит от па­ раметров осаждения пленок (температуры подложки, скоро­ сти и времени осаждения), а также от условий термической об­ работки (рис. 6.2). Ионную обработку (бомбардировку) мож­ но использовать в качестве группового средства воздействия с целью изменения свойств пленочных элементов.

Так при ионной обработке резисторов из нихрома можно изменить сопротивление до 3 . . . 5 % в зависимости от перво­ начального сопротивления и времени обработки (рис. 6.3).

Резисторы, прошедшие ионную обработку, имеют лучшие характеристики стабильности при их последующей эксплуа­ тации, что может быть связано с дополнительным процессом окисления хрома и никеля, входящих в состав пленки.

Увеличение электросопротивления происходит также при бомбардировке пленок тантала ионами различных газов: ар­ гона, кислорода, азота (рис. 6.4). Несмотря на сходный общий характер изменения электросопротивления пленок тантала по мере роста энергии бомбардирующих ионов газов, следует от­ метить различия в причинах таких изменений.