Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ путей повышения качества конструкции и технологии изготовления пассивной части СВЧ-устройств: актуальность, обзор, проблемы, постановка задачи 36
1.1. Анализ состояния вопросов и перспективы развития технологии пассивной части СВЧ-устройств 37
1.1.1. Анализ существующих маршрутов изготовления микрополосковых плат 38
1.1.2. Классификация маршрутов изготовления микрополосковых плат и пути их совершенствования 43
1.2. Надежность пассивной части СВЧ-устройств и пути ее повышения 46
1.2.1. Влияние конструктивно-технологических факторов на на дежность и коэффициент выхода годных тонкопленочных мик рополосковых плат с резистивными структурами 47
1.2.2. Надежность микрополосковых плат при импульсном режиме работы 48
1.2.2.1. Предельная импульсная мощность микрополосковых линий 48
1.2.2.2. Проектирование мощных пленочных резистивных нагрузок 49
1.2.3. Обеспечение временной и температурной стабильности работы прецизионных тонкопленочных резисторов 53
1.2.3.1. Электрическое сопротивление контакта 54
1.2.3.2. Способы подгонки, обеспечивающие стабильность тонкопленочных резисторов 61
1.2.4. Надежность проводников МПЛ с многослойными структурами 62
1.3. Проблемы уменьшения потерь энергии в структурах многослойных микрополосковых линий :... 64
1.3.1. Расчет коэффициента затухания однослойной несимметричной полосковой линии 65
1.3.2. Исследование коэффициента затухания в структурах многослойных микрополосковых линий
1.3.2.1. Влияние шероховатости поверхности подложки и неровности края полоски 69
1.3.2.2. Влияние адгезионного слоя на коэффициент затухания 70
1.3.2.3. Влияние антикоррозионного покрытия на величину коэффициента затухания 71
1.3.2.4. Влияние толщин и технологии изготовления слоев на величину и разброс коэффициента затухания 73
1.3.2.5. Влияние формы поперечного сечения проводника
1.4. Об использовании тестовых структур и математических моделей для автоматизации процессов проектирования, контроля качества и регулирования технологических процессов изготовления элементов интегральных схем 78 ,
1.4.1. Тестовые структуры для анализа конструктивно технологических решений 78
1.4.2..Классификациям области применения моделей : 79
1.4.3. Математические модели тонкопленочных резистивных структур и методы расчета тонкопленочных резисторов 80
1.4.4. Математические модели для статистического контроля качества и регулирования технологических процессов изготовления элементов интегральных схем .". 84
1.4.5. Автоматизация статистического контроля качества, анализа и регулирования технологических процессов изготовления пленочных элементов интегральных схем 90
1.5. Выводы 95
Глава 2. Исследование потерь энергии в многослойных микрополосковых линиях 99
2.1. Постановка задачи 99
2.2. Экспериментальное исследование потерь энергии в многослойных микрополосковых линиях
2.2.1. Постановка эксперимента 100
2.2.2. Влияние материала и толщины адгезионного слоя на коэффициент затухания 102
2.2.3; Влияние технологии изготовления слоя меди 105
2.2.4. Влияние микропрофиля полосковых линий на величину коэффициента затухания 107
2.2.5. Влияние толщины и технологии изготовления слоя никеля 111
2.2.6. Влияние толщины меди, золота и технологии золочения на величину коэффициента затухания- 113
2.2.7. Влияние резистивного слоя на величину коэффициента затухания 122
2.3. Описание изобретенного способа изготовления микрополосковых СВЧ интегральных схем с малыми потерями энергии 123
2.4. Выводы 124
Глава 3: Исследование импульсного режима работы тонкопленочных, резистивных нагрузок в СВЧ-устройствах 127
3.1. Теоретический анализ теплового режима работы резисторов при импульсной нагрузке 127
3.2. Экспериментальное исследование предельной импульсной мощности рассеяния резистивных пленок на подложках СВЧ-устройств 131
3.2.1. Постановка эксперимента 131
3.2.2. Исследование предельной импульсной мощности рассеяния резисторов на поликоровых подложках без защитных покрытий 133
3.2.3. Исследование предельной импульсной мощности рассеяния резисторов, покрытых диэлектрической пленкой 136
3.3. Описание изобретенных конструкций микрополосковых аттенюаторов и нагрузок, работающих при воздействии-, импульсной СВЧ мощности : : 139
3.3.1. Резистор с повышенной импульсной мощностью рассеяния 139
3.3.2. Полосковая нагрузка, полосковый аттенюатор 140
3.4. Выводы 142
Глава 4. Технология изготовления пассивной части СВЧ-устройств с резистивными элементами 144
4.1. Унификация размещения микрополосковых плат и тестовых элементов на подложке 144
4.2. Разработка маршрута изготовления многослойной микрополосковой линии
4.2.1. Классификация маршрутов изготовления микрополосковых плат 146
4.2.2. Обоснование выбора технологии формирования многослойной структуры микрополосковых линий 147
4.2.3. Разработка маршрута изготовления микрополосковых линий методом гальванического осаждения слоев
по подслою в зазоре 152
4.2.4. Разработка маршрута изготовления микрополосковых линий методом гальванического осаждения слоев с использованием тонкопленочных технологических перемычек 156
4.3. Разработка маршрута изготовления микрополосковых резистивных нагрузок, работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности 157
4.4. Разработка технологии гальванического золочения и контроля качества золотого покрытия 160
4.5. Исследование влияния технологии и материалов контактов на величину удельного переходного сопротивления 162
4.6. Исследование адгезии проводников МПЛ к подложке 168
4.7. Исследование влияния лазерной подгонки на стабильность тонкопленочных резисторов с защитным диэлектрическим слоем 171
4.8. Исследование термостабильности толстопленочных резисторов, подгоняемых лазерным способом 176
4.9. Исследование надежности пассивной части СВЧ-устройств, изготовленных по разработанной конструкции и технологии 181
4.10. Выводы 185
Глава 5. Разработка автоматизированных систем технологического обеспечения качества при серийном изготовлении пассивной части СВЧ-устройств .;... 189
5.1. Обоснование необходимости учета контактных сопротивлений при контроле качества изготовления и расчете тонкопленочных резисторов СВЧ-устройств 190
5.2. Вывод уравнений для определения производственных погрешностей ТПР, включая контактные сопротивления 194
5.2.1. Анализ технологических процессов изготовления пассивной части СВЧ-устройств с резистивными структурами 198
5.2.2. Разработка тестовой резистивной структуры и математических моделей, устанавливающих взаимосвязь погрешностей сопротивлений тонкопленочных резисторов с погрешностями КТП, включая контактные сопротивления 201
5.2.3. Математические модели для определения производственных погрешностей КТП резисторов по математическим ожиданиям и среднеквадратическим отклонениям сопротивлений резисторов тестовых структур 207
5.2.4. Сравнительный анализ математических моделей 211
5.2.5. Методики расчета производственных погрешностей КТП тонкопленочных резисторов, включая контактные сопротивления 214
5.3. Экспериментальное исследование производственных погрешностей резистивных элементов интегральных схем 219
5.3.1. Технология проведения экспериментальных исследований для получения экспериментальных данных по погрешностям КТП в генеральной совокупности резистивных элементов 219
5.3.2. Экспериментальная проверка методики косвенного определения-производственных погрешностей КТП при изготовлении резистивных элементов МПП 221
5.3.3. Методика определения оценок статистических характеристик резисторов для генеральной совокупности 222
5.3.4. Результаты экспериментального исследования производственных погрешностей резистивных элементов и анализ полученных экспериментальных данных 228
5.4. Автоматизация статистического контроля, анализа и регулирования технологических процессов изготовления МПП с резистивными элементами 240
5.4.1. Принципы построения АСК и СРТП при учете контактных сопротивлений 241
5.4.2. Организация автоматизированного статистического контроля, анализа и регулирования ТП изготовления МПП с резистивными элементами в производстве 246
5.4.3. Результаты внедрения автоматизированных систем АСК и СРТП в серийное производство МПП
5.5. Расчет погрешностей ТПР и вероятности выхода годных резистивных элементов МПП при внедрении автоматизированных систем проектирования, АСК и СРТП 251
5.6. Выводы 254
Глава 6. Проектирование элементов пассивной части СВЧ-устройств 257
6.1. Проектирование резисторов, используемых в качестве схемных СВЧ элементов 257
6.1.1. Вывод основных формул для учета погрешностей КТП при расчете тонкрпленочных резисторов 257
6.1.2. Методика расчета конструкции тонкопленочных резисторов с учетомпроизводственныхпогрешностей, включая контактные сопротивления 267
6.1.3. Применение персонального компьютера для расчета тонкопленочных резисторов с учетом производственных погрешностей и контактных сопротивлений- 277
6.2. Проектирование резисторов, используемых в качестве оконечных
нагрузок при воздействии импульсной СВЧ мощности 280
6.2.1. Основные соотношения и положения для проектирования согласованных резистивных нагрузок при воздействии импульсной СВЧ мощности 280
6.2.2. Методика инженерного расчета согласованных тонкопленочных резистивных нагрузок 283
6.3 Методика расчета погонного коэффициента затухания в многослойной микрополосковой линии 284
6.4. Описание изобретенных конструкций резистивных элементов для источников питания СВЧ-устройств 285
6.4.1. Пленочный резистор 285
6.4.2. Толстопленочный резистор 287
6.5. Выводы 289
Заключение 291
Библиографический список
- Классификация маршрутов изготовления микрополосковых плат и пути их совершенствования
- Экспериментальное исследование потерь энергии в многослойных микрополосковых линиях
- Исследование предельной импульсной мощности рассеяния резисторов на поликоровых подложках без защитных покрытий
- Разработка маршрута изготовления микрополосковых линий методом гальванического осаждения слоев с использованием тонкопленочных технологических перемычек
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В связи с актуальностью применения радиотехнических систем опознавания с дальностью действия до 300 км большое значение приобретает задача создания высоконадежных микрополосковых (МП) импульсных СВЧ-устройств, с импульсной мощностью до 5-10 кВт, работающих на частотах дециметрового диапазона.
Разработки и исследования первых СВЧ микроэлектронных устройств начались примерно в середине 60-х годов. Однако существенно уменьшить размеры СВЧ-устройств и повысить их надежность удалось в начале 80-х годов после появления керамических подложек с высокой диэлектрической проницаемостью и новых активных приборов, работающих в СВЧ диапазоне. Автор диссертационной работы является одним из участников по созданию современных тонкопленочных МП СВЧ-устройств в области проектирования и технологии пассивной части (ПЧ) СВЧ-устройств - микрополосковой платы (МПП).
Большой вклад в разработку теории и конструкторско-технологических основ проектирования и практическую реализацию СВЧ-устройств и их компонентов внесли отечественные ученые, среди которых можно отметить Бахарева С.И., Бушминского И.П., Вольмана В.И., Высоцкого Б.Ф., Иовдальского В.А., Климачева И.И., Ковалева И.С., Коледова Л.А., Коробова А.И., Малорацкого Л.Г., Морозова Г.В., Неганова В.А., Орлова О.С., Радионова А.А., Раевского С.Б., Славинского О.К., Ярового Г.П. и др., а также ученых Казанского авиационного института (КАИ, ныне - КГТУ им. А.Н. Туполева). Здесь основы теории СВЧ-устройств и их компонентов заложены работами Поповкина В.И., Воробьева Н.Г., Даутова О.Ш., Дымского В.Н., Морозова Г.А., Радцига Ю.Ю., Седельникова Ю.Е., Щербакова Г.И., Чони Ю.И. и др. Вопросы конструирования, технологии и практического применения СВЧ-устройств на основе микрополосковых линий (МПЛ) разработаны учениками Ермолаева Ю.П. Тюхтиным М.Ф., Романенко Ю.И., Кузнецовым Д.И., Кузьминым А.Н. и др.
Заметный вклад в разработку теории и вопросов технологии полосковых СВЧ-устройств внесли зарубежные ученые Goal E., Horton R., Caulton M., Cohn S.B., Meinel H., Pucel R., Kaupp H., Kretzchmar J.G., Schneider M.V., Silvester P., Sobol H., Wheeler H.A., Wolff J., и др.
Основной частью конструкции МП СВЧ-устройств является МПП, от конструкции и технологии изготовления которой существенно зависят их надежность и технические характеристики. Поэтому совершенствование конструкции, методов проектирования, технологии изготовления и контроля качества изготовления ПЧ СВЧ-устройств является актуальной проблемой.
Благодаря работам отечественных и зарубежных авторов, в микрополосковой технике СВЧ большие успехи достигнуты в области построения теоретических основ, разработке инженерных методов анализа и синтеза МП устройств и технологической базы для их изготовления. Значительный прогресс в этой области достигнут благодаря применению современного программного пакета AWR Microwave Office. По мере освоения серийного производства разработаны принципы и методы проектирования микроэлектронных устройств СВЧ по критерию минимальных производственных затрат при учете конструктивно-технологических погрешностей микрополосковых линий передач. В последней монографии И.И. Климачева и В.А. Иовдальского изложены перспективные конструкторско-технологические решения, позволяющие улучшить электрические, тепловые, массогабаритные характеристики и надежность СВЧ гибридных интегральных схем, выполненных по тонкопленочной технологии, для диапазона частот 2,7-11,4 ГГц. Однако во всех работах, посвященных проектированию и технологии СВЧ-устройств, основное внимание уделяется улучшению характеристик элементов на основе МПЛ, и отсутствуют сведения по исследованию потерь энергии в МПЛ для дециметрового диапазона, исследованию импульсного режима работы тонкопленочных резистивных нагрузок (ТРН) и методам их расчета при воздействии импульсной СВЧ мощности. Кроме того, в технической литературе не рассмотрены конструктивно-технологические особенности проектирования и контроля качества тонкопленочных резистивных элементов (ТРЭ) СВЧ-устройств при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев. Тем не менее, при серийном изготовлении МПП выход годных плат с тонкопленочными резисторами (ТПР) существенно меньше выхода годных плат, которые содержат только МПЛ.
При переводе СВЧ-устройств радиотехнических систем опознавания дециметрового диапазона, на основе волноводной техники, в микроэлектронное исполнение, в частности при разработке МПП с ТПР, возникло много новых проблем, требующих решения. С ростом функциональной сложности современных радиотехнических систем опознавания существенно возросли требования к надежности, точности и воспроизводимости электрических параметров элементов приемо-передающих и антенно-фидерных СВЧ-устройств в условиях серийного производства. Миниатюризация СВЧ-устройств потребовала разработки миниатюрных согласованных ТРН, надежно работающих при воздействии импульсного СВЧ сигнала с мощностью до 2-5 кВт. Требования высокой надежности привели к необходимости применения многослойной структуры МПЛ, содержащей слои V-Cu-Ni-Au, вследствие чего возникли проблемы снижения потерь энергии, а переход на технологию раздельного формирования резистивных и проводящих слоев привел к проблеме обеспечения адгезии МПЛ, малых переходных сопротивлений контактов и необходимости их учета. Поэтому первые микроэлектронные СВЧ-устройства часто отказывали уже при включении из-за перегорания ТРН и не обеспечивали заданные электрические и массогабаритные характеристики вследствие больших потерь энергии в МПЛ. Решение этих актуальных проблем потребовало комплексного рассмотрения схемотехнических, конструкторских и технологических вопросов, необходимых для обеспечения качества и надежности импульсных СВЧ-устройств. При создании ПЧ СВЧ-устройств радиотехнических систем опознавания дециметрового диапазона возникла необходимость в значительной степени переосмыслить основные принципы технологии и конструирования базовых элементов с учетом технологических аспектов их производства.
Научная проблема заключается в разработке и развитии теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и серийного производства пассивной части высоконадежных микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона с повышенным уровнем мощности и улучшенными эксплуатационными и электрическими характеристиками для радиотехнических систем государственного опознавания, имеющих большое значение для повышения обороноспособности страны.
Объектом исследования является пассивная часть микрополосковых СВЧ-устройств, содержащая тонкопленочные многослойные микрополосковые линии передачи, тонкопленочные резистивные нагрузки и тонкопленочные резистивные элементы схемы.
Предметом исследования являются конструкции и технологии изготовления тонкопленочных микрополосковых и резистивных элементов пассивной части СВЧ-устройств, модели, методы и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТПР, статистического контроля качества, анализа и регулирования технологическими процессами (ТП) серийного производства.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных и электрических характеристик пассивной части микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона: повышение надежности, предельной импульсной мощности тонкопленочных резистивных нагрузок, стабильности тонкопленочных резистивных элементов, снижение потерь энергии в МПЛ путем разработки новых конструкций, технологий изготовления, методов автоматизированного проектирования и автоматизированных систем технологического обеспечения качества в процессе серийного производства.
Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы необходимо решить следующие основные задачи:
1. Выполнить системный анализ современного состояния конструкторско-технологических основ проектирования и систем контроля качества в процессе серийного производства тонкопленочных элементов ПЧ высоконадежных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности, выявить нерешенные проблемы и сформулировать основные направления исследований.
2. Провести теоретическую оценку коэффициента затухания однослойной МПЛ из меди на частотах дециметрового диапазона и исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на потери в многослойной МПЛ со структурой слоев V(Cr)-Cuв-Cuг-Niг-Auг. На основе этих исследований установить причины аномально больших потерь в многослойной структуре и разработать рекомендации по проектированию и технологии изготовления МПЛ с коэффициентом затухания на частоте 1,5 ГГц не более 1,45 дБ/м.
3. Провести теоретический анализ температурного режима работы ТПР при воздействии коротких прямоугольных импульсов большой мощности и исследование предельной мощности рассеяния согласованных ТРН при воздействии на них импульсного СВЧ сигнала. На основе проведенных исследований, определить основные причины отказов и разработать конструкцию, технологию изготовления и рекомендации по проектированию миниатюрных согласованных ТРН, надежно работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности до 5 кВт.
4. Исследовать влияние технологии изготовления и материалов на величину переходного сопротивления контактов ТПР при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев, провести оптимизацию технологии изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным сопротивлением.
5. Исследовать влияние лазерной подгонки на температурную и временную стабильность ТПР. По результатам исследований разработать и внедрить в производство ТП подгонки, не ухудшающий стабильность резисторов.
6. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать конструкцию и технологию серийного изготовления пассивной части СВЧ-устройств, обеспечивающие малые потери на СВЧ и высокую надежность при воздействии внешних факторов и большой импульсной мощности.
7. Разработать тестовую структуру, математические модели, методы и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТРЭ и создания автоматизированных систем статистического контроля качества (АСК), анализа и регулирования технологическими процессами (СРТП) при серийном изготовлении МПП с резистивными элементами.
8. Разработать принципы построения автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с тонкопленочными резисторами при учете контактных сопротивлений.
9. Провести экспериментальное исследование производственных погрешностей и контактных сопротивлений, возникающих при серийном изготовлении МПП с тонкопленочными резисторами с целью получения данных для конструктивного расчета резисторов и автоматизированных систем АСК и СРТП.
10. Разработать методики конструктивного расчета элементов ПЧ микрополосковых СВЧ-устройств с учетом экспериментальных данных по потерям энергии в МПЛ, предельной импульсной мощности рассеяния резистивных материалов и производственным погрешностям ТПР.
11. Провести экспериментальное исследование надежности ПЧ СВЧ-устройств, спроектированной и изготовленной по разработанным методикам и технологиям изготовления, а также испытания в реальных условиях эксплуатации.
12. Внедрить полученные результаты в проектно-конструкторскую деятельность и серийное производство.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались экспериментальные и теоретические методы исследования: системный анализ, разделы математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории теплообмена, методы планирования экспериментов и обработки данных, методы программирования в среде DELPHI-7.
Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе предприятия ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко.
Поставленные задачи решались путем теоретического анализа с последующим изготовлением тестовых структур элементов ПЧ СВЧ-устройств. После проведения экспериментальных исследований тестовых структур разрабатывались и изготавливались опытные образцы СВЧ-устройств на основе МПП. Лабораторные и натурные испытания СВЧ-устройств проводились в составе изделий.
Научная новизна результатов исследований:
1. Экспериментально установлено, что в МПЛ, имеющих структуру V-Cuв--Cuг-Niг-Auг, необходимо учитывать скин-эффект не только на границе между полоской и подложкой, но и на границе между полоской и окружающей газовой средой, вследствие большой плотности поверхностного тока на краях полоски. Поэтому на потери энергии существенно влияет толщина и технология изготовления защитного слоя. Предложен состав и технология золочения, позволяющие до трех раз снизить потери энергии при осаждении золота толщиной более одного скин-слоя в золоте.
2. Установлено, что при воздействии импульсной СВЧ мощности основной причиной выхода из строя ТРН на поликоровых подложках является СВЧ коронный разряд, возникающий на микроостриях резистивной пленки. Показано, что на величину предельной импульсной мощности рассеяния ТРН существенно влияют три основных фактора: качество поверхности подложки, температура плавления резистивной пленки и покрытие поверхности и краев резистивной пленки диэлектрической пленкой. Показано, что покрытие ТРН пленкой Si3N4 позволяет на порядок увеличить предельную удельную импульсную мощность.
3. Предложены материалы контактных пленочных соединений и разработана технология изготовления ТПР при раздельном формировании резистивных и проводящих слоев для получения малых удельных переходных сопротивлений контактов с величиной в пределах 510-3-2610-3 Оммм2, что на один-два порядка меньше чем в известных технологиях.
4. Экспериментально установлено, что при лазерной доводке ТПР на ухудшение температурной и временной стабильности резисторов существенно влияет осаждение продуктов испарения на резистивную пленку в зоне реза. Показано, что предварительное покрытие резистивной пленки диэлектрической пленкой позволяет практически сохранить стабильность резисторов за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне реза.
5. Разработаны два новых способа изготовления МПП. Способ гальванического осаждения проводящих слоев по подслою в зазоре. Способ гальванического осаждения проводящих слоев с использованием тонких пленочных технологических перемычек. Предложенные способы позволяют в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость МПЛ при воздействии окружающей среды за счет практически полной защиты меди слоями Niг-Auг.
6. Предложены математические модели ТПР, на основе которых получены формулы, а также разработана методика и программные модули автоматизированного расчета резисторов МПП с учетом систематических и случайных составляющих производственных погрешностей конструктивно-технологических параметров (КТП), включая погрешности контактных сопротивлений. Методика позволяет обеспечивать заданные поля допусков на сопротивления резисторов с теоретической вероятностью 0,9973 и необходимый уровень надежности.
7. Предложены тестовые резистивные структуры, для которых разработаны математические модели, устанавливающие взаимосвязь сопротивлений ТПР с производственными погрешностями их КТП, включая контактные сопротивления. Предложенные модели позволяют дополнительно определять систематические и случайные составляющие контактных сопротивлений и существенно повысить точность определения погрешностей удельного поверхностного сопротивления, длины и ширины. На основе этих моделей разработаны принципы построения, методики и алгоритмы для создания автоматизированных систем АСК и СРТП при изготовлении элементов ПЧ СВЧ-устройств, что, в конечном итоге, позволяет обеспечивать качество и существенно уменьшить брак при производстве изделий.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается использованием известных теоретических положений СВЧ техники, технологии микроэлектроники, теории теплообмена и математического моделирования, подтверждается адекватностью разработанных математических моделей. Для обеспечения достоверности результатов проводился большой объем идентичных измерений с применением апробированных экспериментальных методов. Подтверждением достоверности полученных результатов является также успешная апробация и использование разработанных конструкций, технологий, методов проектирования и методик контроля качества при серийном производстве и эксплуатации радиотехнических систем опознавания для наземной, корабельной и самолетной аппаратуры в течение более 20 лет.
Практическую ценность имеют:
1. Разработанные новые конструкции и технологии изготовления элементов ПЧ СВЧ-устройств, позволяющие существенно повысить качество проектирования и надежность СВЧ-устройств. В том числе до трех раз снизить потери энергии в МПЛ, в 5-10 раз повысить предельную импульсную мощность рассеяния ТРН, в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников МПЛ и на порядок повысить стабильность ТРЭ.
2. Рекомендации по проектированию многослойной МПЛ с малыми потерями энергии. Эмпирическая формула для расчета коэффициента затухания в многослойной МПЛ для разработанной конструкции и технологии изготовления на частотах дециметрового диапазона.
3. Разработанная методика расчета согласованных ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности, позволяющая исключить отказы ТРН при эксплуатации СВЧ-устройств.
4. Разработанные методика и программные модули для автоматизированного расчета ТПР c учетом полученных экспериментальных данных по величинам производственных погрешностей их КТП, включая статистические характеристики контактных сопротивлений. Это позволяет закладывать качество ТПР уже на этапе проектирования и в десятки раз сократить время вычислений.
5. Предложенные принципы построения автоматизированных систем АСК и СРТП при изготовлении тонкопленочных МПП с ТПР, позволяющие существенно снизить себестоимость МПП за счет увеличения процента выхода годных с 40 до 70 % и снижения трудоемкости их изготовления.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, из них 9 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 9 статей в сборниках трудов, 9 патентов на изобретения и 2 авторских свидетельства, 8 тезисов докладов на всесоюзных, межреспубликанских и научно-практических отраслевых конференциях и 1 учебное пособие. Кроме того, материалы исследований, связанные с диссертацией, представлены в отчете по ОКР «Отработка конструктивно-технологических решений и внедрение в серийное производство технологических процессов изготовления микросборок изделия 40».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях КАИ, КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 2000-2009 г.г.; IX Всесоюзной конференции по микроэлектронике, г. Казань, 1980 г.; Всесоюзной НТК по интегральной электронике СВЧ, г. Новосибирск, 1988 г.; Межреспубликанской НТК «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения», г. Казань, 1988 г.; Всесоюзной НТК «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах», г. Ялта, 1990 г.; Всероссийской НТК «Датчики и детекторы для авиационной техники «ДДАТ-2003», г. Пенза, 2003 г.; Научно-практической конференции «Пути развития государственного опознавания», г. Казань, 2008 г.
Патенты № 2332741 «Способ изготовления тонкопленочных резисторов» и № 2339103 «Резистор с повышенной мощностью рассеяния и способ его изготовления» вошли в число лучших изобретений 2009 г.; патент № 2341048 «Способ изготовления микрополосковых СВЧ-интегральных схем» вошел в число пяти лучших изобретений 2010 г. на VI республиканском конкурсе 50 лучших инновационных идей Республики Татарстан.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в проектно-конструкторской деятельности и внедрены в серийное производство следующих организаций:
ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В. И. Шимко (до 2007 г. – Казанский научно-исследовательский институт радиоэлектроники) - в виде технологической и конструкторской документации на МПП, тонкопленочные платы и СВЧ-устройства; технических предложений в руководящие указания по конструированию интегральных приемо-передающих узлов и модулей СВЧ; конструкторско-технологических требований и ограничений на разработку топологии микрополосковых и тонкопленочных плат; методики и программных средств автоматизированного конструктивного расчета ТПР; методики определения производственных погрешностей ТПР тонкопленочных и микрополосковых плат.
ФГУП «КПКБ» (Федеральное государственное унитарное предприятие – «Казанское приборостроительное конструкторское бюро») - в виде технологической и конструкторской документации на тонкопленочные платы; методики и программных средств автоматизированного конструктивного расчета ТПР; методики определения производственных погрешностей ТПР тонкопленочных плат.
ОАО «КОМЗ» (Казанский оптико-механический завод) - в виде методики и программных средств автоматизированного конструктивного расчета ТПР; методики определения производственных погрешностей ТПР тонкопленочных плат.
КГТУ им А. Н. Туполева (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева) – в виде учебного пособия: «Технология и конструирование высокостабильных прецизионных резистивных элементов тонкопленочных гибридных интегральных схем с учетом контактных сопротивлений», которое используется в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий, а также при выполнении курсовых работ по специальностям 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты системного анализа существующих конструкций, технологий изготовления, методов проектирования и систем контроля качества в процессе серийного производства тонкопленочных элементов ПЧ высоконадежных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности. Разработанные классификации маршрутов изготовления МПП и пути повышения их качества.
2. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния конструктивно-технологических факторов на потери в многослойных МПЛ, имеющих структуру слоев V(Cr)-Cuв-Cuг-Niг-Auг на частотах дециметрового диапазона, позволившие установить основные причины, существенно влияющие на увеличение потерь энергии многослойной МПЛ.
3. Результаты экспериментального исследования, а также анализа физики отказов ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности, показывающие существенное влияние на предельную импульсную мощность рассеяния ТРН трех основных факторов: качества поверхности подложки, температуры плавления резистивной пленки и покрытия поверхности и краев резистивной пленки диэлектрической пленкой. Методика конструктивного расчета согласованных ТРН при воздействии импульсной СВЧ мощности.
4. Математические модели, методика и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТРЭ СВЧ-устройств, которые, совместно с предложенными автоматизированными системами технологического обеспечения качества, позволяют существенно увеличить процент выхода годных МПП за счет учета систематических и случайных составляющих производственных погрешностей КТП, возникающих при установившемся серийном производстве изделий.
5. Тестовая резистивная структура, математическая модель, методика и алгоритм для создания автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном изготовлении ПЧ СВЧ-устройств. Результаты экспериментальных исследований погрешностей КТП резисторов, включая контактные сопротивления, при серийном изготовлении МПП с ТПР.
6. Новые конструкции, способы изготовления и способ управления ТП изготовления элементов ПЧ СВЧ-устройств, позволяющие существенно повысить их надежность и улучшить электрические и массогабаритные характеристики: снизить потери энергии в МПЛ и повысить их коррозионную стойкость; повысить предельную импульсную мощность рассеяния ТРН при сохранении габаритов; обеспечить высокую стабильность ТРЭ и автоматизировать процессы управления качеством при серийном изготовлении.
Личный вклад автора заключается в проведении теоретического анализа, разработке теоретических положений, планировании экспериментов, проведении обработки и анализа данных экспериментальных исследований, разработке математических моделей, методов проектирования, методик расчета, способов изготовления основных элементов ПЧ СВЧ-устройств и автоматизированных систем технологического обеспечения качества. Все основные научные результаты диссертационной работы получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 160 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 304 страницах текста, содержит 53 рисунка и 46 таблиц.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Гильмутдинову А.Х. за научную консультацию.
Классификация маршрутов изготовления микрополосковых плат и пути их совершенствования
Цельюдиссертационной работы является улучшение эксплуатационных и электрических характеристик пассивной части микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона: повышение надежности, предельной импульсной мощности тонкопленочных резистивных нагрузок, стабильности тонкопленочных резистивных элементов, снижение потерь энергии в МПЛ путем разработки новых конструкций, технологий изготовления, методов автоматизированного проектирования и автоматизированных систем технологического обеспечения качества в процессе серийного производства.
Научная проблема заключается в разработке и развитии теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и серийного производства пассивной части высоконадежных микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона с повышенным уровнем мощности и улучшенными эксплуатационными и электрическими характеристиками для радиотехнических систем государственного опознавания, имеющих большое значение для повышения обороноспособности страны.
Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы необходимо решить следующие основные задачи: 1. Выполнить системный анализ современного состояния конструкторско-технологических основ проектирования и систем контроля качества в процессе серийного производства тонкопленочных элементов ПЧ высоконадежных МП СВЧ-устройств с повышенным уровнем мощности, выявить нерешенные проблемы и сформулировать основные направления исследований. 2. Провести теоретическую оценку коэффициента затухания однослойной МПЛ из меди на частотах дециметрового диапазона и исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на потери в многослойной МПЛ со структурой слоев V(Cr)-CuB-Cu,-Nir-Aur. На основе этих исследований устано 23 вить причины аномально больших потерь в многослойной структуре и разработать рекомендации по проектированию и технологии изготовления МПЛ с коэффициентом затухания на частоте 1,5 ГГц не более 1,45 дБ/м. 3. Провести теоретический анализ температурного режима работы ТПР при воздействии коротких прямоугольных импульсов большой мощности и исследование предельной мощности рассеяния согласованных ТРН при воздействии на них импульсного СВЧ сигнала. На основе проведенных исследований, определить основные причины отказов и разработать конструкцию, технологию изготовления и рекомендации по проектированию миниатюрных согласованных ТРН, надежно работающих при воздействии импульсной СВЧ мощности до 5 кВт. 4. Исследовать влияние технологии изготовления и материалов на величину переходного сопротивления контактов ТПР при раздельном формировании рези-стивных и проводящих слоев, провести оптимизацию технологии изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным сопротивлением. 5. Исследовать влияние лазерной подгонки на температурную и временную стабильность ТПР. По результатам исследований разработать и внедрить в производство ТП подгонки, не ухудшающий стабильность резисторов. 6. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать конструкцию и технологию серийного изготовления пассивной части СВЧ-устройств, обеспечивающие малые потери на СВЧ и высокую надежность при воздействии внешних факторов и большой импульсной мощности. 7. Разработать тестовую структуру, математические модели, методы и алгоритмы для автоматизированного проектирования ТРЭ и создания автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с резистивными элементами. 8. Разработать принципы построения автоматизированных систем АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с тонкопленочными резисторами при учете контактных сопротивлений. 9. Провести экспериментальное исследование производственных погреш ностей и контактных сопротивлений, возникающих при серийном изготовлении МПП с тонкопленочными резисторами с целью получения данных для конст руктивного расчета резисторов и автоматизированных систем АСК и СРТП. 10. Разработать методики конструктивного расчета элементов ПЧ микро полосковых СВЧ-устройств с учетом экспериментальных данных по потерям энергии в МПЛ, предельной импульсной мощности рассеяния резистивных материалов и производственным погрешностям ТПР. 11. Провести экспериментальное исследование надежности ПЧ СВЧ-. устройств, спроектированной и изготовленной по разработанным методикам и технологиям изготовления; а также испытания в реальных условиях эксплуатации. 12. Внедрить полученные результаты в проектно-конструкторскую дея тельность и серийное производство.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались экспериментальные и теоретические методы исследования: системный анализ, разделы, математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории теплообмена,- методы планирования экспериментов и обработки данных, методы программирования в среде DELPHI-7.
Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе предприятия ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко.
Поставленные задачи решались путем теоретического анализа с последующим изготовлением тестовых структур элементов ПЧ СВЧ-устройств. После проведения экспериментальных исследований тестовых структур разрабатывались и изготавливались опытные образцы СВЧ-устройств на основе МПП. Лабораторные и натурные испытания СВЧ-устройств проводились в составе изделий.
Экспериментальное исследование потерь энергии в многослойных микрополосковых линиях
Анализ данных табл. 2.3 показывает, что увеличение толщины меди от 5 мкм и выше при толщине никеля 1±0,3 мкм и толщине золота 3±0,5 мкм, осажденного из лимоннокислого электролита, слабо влияет на потери в МПЛ. При этом увеличение толщины меди в четыре раза уменьшает потери лишь на 20%.
Далее была изготовлена партия тестовых МПЛ № 21, имеющих структуру V(50-100 Ом/кв.)-Сив(1-2 мкм)-Сиг(10±Змкм)-Мг(1±0,3 мкм)-Аиг(6±1,0 мкм).
Измерения потерь энергии МПЛ этой партии показали, что при увеличении толщины золота до 6 мкм потери энергии имели величину 2,4-3,3 дБ/м.
По сравнению с партией № 19 уменьшение потерь в среднем составило 8%, т.е. при увеличении толщины золота в два раза при одинаковых толщинах ванадия, меди и никеля потери уменьшились незначительно.
Было сделано предположение, что на величину потерь при наличии барьерного слоя никеля существенно влияет толщина золота и технология золочения. Это предположение было сделано исходя из распределения плотности поверхностного тока по контуру профиля сечения полоски (см. раздел 1.3.2, рис. 1.6) из чего следует, что плотность поверхностного тока на краю и на расстоянии несколько сотен мкм от края может значительно превышать плотность тока, протекающего на границе полоска-подложка.
Поэтому значительное увеличение потерь энергии при осаждении на поверхность медного проводника слоя никеля при отсутствии золотого покрытия можно объяснить протеканием больших токов по слою никеля, расположенного на краю проводника (проводимость никеля в 4 раза меньше проводимости меди).
Следует также ожидать снижения потерь в МПЛ при осаждении на слой никеля металлического слоя с большей проводимостью. Известно, что даже небольшие добавки к гальваническому покрытию из чистого металла могут существенно снизить его проводимость [107]. Поэтому покрытие в виде сплава AuCd на слой никеля практически не привело к снижению потерь энергии. Также следует ожидать, что при осаждении на слой никеля металла с достаточно высокой электропроводностью величина потерь будет существенно зависеть от отношения толщины этого слоя к толщине скин-слоя.
Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить эти предположения.
Для определения влияния состава электролита на потери в МПЛ, была изготовлена партия тест-плат № 22 со структурой слоев как у партии № 19, но с электролитом золочения без добавки кобальта. Потери в МПЛ партии № 22 составили 2,1-2,9 дБ/м, т.е. уменьшились лишь на 20-25% по сравнению с партией №19. По-видимому, аноды из нержавеющей стали, растворяются в электролите золочения, что приводит к появлению примесей железа и никеля в покрытии из золота и ухудшению его проводимости [146].
Для получения особо чистых покрытий золотом на деталях СВЧ-устройств рекомендуются нейтральные фосфатные растворы, содержащие 10-20 г/л металлического золота, 30-40 г/л двузамещенного фосфата калия и 10-20 г/л одно-замещенного фосфата калия [107]. Покрытия из этого раствора пластичны и обладают незначительными внутренними напряжениями. Потери в МПЛ, изготовленных с применением этого электролита со структурой слоев как у партии № 19, уменьшились в 1,5 раза и составили 1,9-2,1 дБ/м. Золочение проводилось при применении платиновых анодов при плотности тока DK=0,25-0,35 А/дм2 и температуре tD=65±2C.
Дальнейшие исследования потерь энергии проводились при осаждении золота из фосфатногоэлектролитазолочения с добавкой солей талия [108]. Состав электролита, г/л: калия дициано -I- аурат K[Au(CN)2] 10-15 аммоний фосфорнокислый однозамещенный (NH EkPC 30-40 аммоний фосфорнокислый двузамещенный, (NH HPO,} 50-70 талий азотнокислый ТШОз 0,01-0,02 вода, дистиллированная до 1 л с кислотностью рН=6-7. Золочение проводилось при применении платиновых анодов при плотности тока DK=0,3-0,4 А/дм и температуре tD=65±5C Для оценки влияния на потери толщины золотого покрытия, полученного при осаждении из разработанного фосфатного электролита золочения, изготавливались партии тестовых МПЛ со структурой слоев V(50-100 Ом/кв.)-Сив (1-2 мкм)--Си!(10±3мкм)-№г (1±0,3 мкм)-Аиг (1,0; 3,0; 6,0; мкм), имеющих разную толщину золота: - партия № 23 с толщиной золота 1+0,3 мкм; - партия № 24 с толщиной золота 3±0,5 мкм; - партия № 25 с толщиной золота 6±1 мкм. Данные по величинам потерь МПЛ в партиях № 23, № 24 и № 25, измеренные на частоте 1,1 ГГц, сведены в таблицу 2.3.
Анализ данных табл. 2.3 позволяет сделать следующие выводы при использовании фосфатного электролита золочения, с учетом того, что толщина скин-слоя для чистого золота на частоте 1,1 ГГц составляет 2,3 мкм. 1) При применении предложенного фосфатного электролита золочения потери энергии в МПЛ при одинаковых толщинах ванадия, меди, никеля и золота уменьшаются в 2,7 раза, по сравнению с потерями энергии в МПЛ с золотым покрытием из лимоннокислого электролита с анодами из нержавеющей стали (партия № 19, партия № 24). 2) Уменьшение толщины золота до величины существенно меньшей толщины скин-слоя приводит к резкому увеличению потерь, так как при этом значительная часть поверхностного тока начинает протекать по слою никеля (партия № 23). 3) Для обеспечения малых потерь энергии толщина золотого покрытия должна быть не менее толщины скин-слоя (партия № 24, партия № 25). 117 4) Увеличение толщины золотого покрытия до 2-3 скин-слоев приводит к уменьшению потерь энергии на 6-10%, поэтому в целях экономии золота можно рекомендовать толщину золотого покрытия 3±0,5 мкм. 5) При увеличении толщины золотого покрытия происходит не только уменьшение потерь, но и уменьшение разброса величины коэффициента затухания.
На последнем этапе экспериментальных исследований представлялось целесообразным исследовать влияние толщины меди на величину и воспроизводимость коэффициента затухания в диапазоне частот 1,1-1,5 ГГц при выбранных удельном поверхностном сопротивлении ванадия 50-100 Ом/кв., толщинах никеля 1±0,3 мкм и золота 3±0,5 мкм, осажденного из фосфатного электролита золочения.
Для исследований изготовлены тестовые МПЛ с толщиной меди 6±1 мкм, 10±3 мкм и 20±3 мкм для частот 1,1 ГГц, 1,2 ГГц, 1,3 ГГц, 1,4 ГГц и 1,5 ГГц. Результаты измерений потерь приведены в таблице 2.2.
По данным табл. 2.2 построены графики, приведенные на рис. 2.3, позволяющие определять величину коэффициента затухания на любой частоте в диапазоне 1,1-1,5 ГГц.
Вертикальные прямые на графиках отображают разброс коэффициента затухания. На этих прямых отмечены также средние значения коэффициента затухания на соответствующей частоте.
Исследование предельной импульсной мощности рассеяния резисторов на поликоровых подложках без защитных покрытий
Разработана технология изготовления многослойных МПЛ методом гальванического осаждения проводниковых слоев с использованием «тонких» пленочных технологических перемычек. В отличие от известных технологий, основанных на применении сварных или пленочных перемычек, в предлагаемой тех-нологии пленочные перемычки, формируемые на этапе I фотолитографии, сразу же после удаления фоторезиста защищаются локально фоторезистом на этапе II фотолитографии. Поэтому, при последующих гальванических процессах, медь, никель и золото осаждаются только на основные проводники. Это позволяет существенно упростить и удешевить технологию изготовления плат с использованием пленочных или сварных технологических перемычек и повысить коррозионную стойкость проводников при воздействии окружающей среды". Новизна предложенного способа изготовления МПЛ с использованием «тонких» пленочных технологических перемычек подтверждена патентом на изобретение.
Разработана технология изготовления МПЛ, позволяющая, по сравнению с известными технологиями, до трех раз снизить потери энергии в много 187 слойной МПЛ, имеющей структуру V-CuB-Gur-Nir-Aur. Сущность технологии заключается в электролитическом осаждении на барьерный слой из никеля, который вносит большие потери, защитного слоя из золота с высокой электропроводностью и толщиной более одного скин-слоя на рабочей частоте в фосфатном электролите золочения с платиновыми анодами, при следующем соотношении компонентов, г/л: калия дициано -I- аурат K[Au(CN)2] 10-15 аммоний фосфорнокислый однозамещенный (NH4)H2P04 30-40 аммоний фосфорнокислый двузамещенный (NHt)2HP04 50-70 талий азотнокислый TINO3 0,01 -0,02 с кислотностью рН=6-7 при плотности тока (0,3-0,4) А/дм и температуре 65±5С. Новизна предложенного способа изготовления микрополосковых СВЧ интегральных схем с малыми потерями подтверждена патентом на изобретение.
Разработана технология изготовления тонкопленочных МПЛ с ТРН, ра ботающими при воздействии большой импульсной СВЧ мощности. Сущность технологии заключается в том, что после формирования методом фотолитогра фии рисунка из резистивной пленки на подложке формируют контактную мас ку со структурой слоев V-Cun-Cur-Nir, в окна которой на поверхность резистив ного слоя напыляют диэлектрическую пленку из нитрида кремния S13N4. Затем «взрывным» травлением контактной маски на резистивной пленке получают диэлектрический слой из S13N4, перекрывающий края резистивной пленки с ос тавлением площадок для контактирования с подводящей МПЛ. После этого ме тодом фотолитографии и электрохимического осаждения на поверхность ди электрической подложки наносят токонесущие контактные площадки и МПЛ со структурой V-CuB-Cu,-Nir-Aur. Новизна предложенного способа изготовле ния резистивных нагрузок с повышенной мощностью рассеяния подтверждена патентом на изобретение.
На основе экспериментальных исследований предложены материалы контактов и разработана технология изготовления ТРЭ СВЧ-устройств при раз дельном формировании резистивных и проводящих слоев для получения удельных переходных сопротивлений контактов ТпРк в пределах от 5-Ю"3 до 26-10" Ом-мм", что на один-два порядка меньше чем в известной технологии без съема вакуума после напыления резистивного слоя. Новизна предложенного способа изготовления ТПР с малым удельным переходным сопротивлением контактов подтверждена патентом на изобретение.
Установлена взаимосвязь между величиной удельного переходного со противления контактов резистивно-проводящих структур PC-V-Cu-Ni и адгези ей проводящей пленки к резистивному слою. На основе экспериментальных ис следований определено оптимальное поверхностное сопротивление адгезион ного слоя из ванадия 50-100 Ом/кв. позволяющее обеспечивать величину адге зии не менее 3 кг/мм .
Экспериментально установлено, что при лазерной доводке ТПР на ухудшение температурной и временной стабильности резисторов существенно влияет осаждение продуктов испарения на резистивную пленку в зоне реза. По казано, что предварительное покрытие резистивной пленки диэлектрической пленкой позволяет практически сохранить температурную и временную ста бильность ТПР после проведения операции подгонки за счет исключения осаж дения продуктов испарения на резистивный слой в зоне реза. Новизна предло женного способа доводки ТПР подтверждена патентом на изобретение.
Проведены технологические исследования возможности подгонки ТЛПР из серебро-палладиевых резистивных паст с величиной ps равной 50 -6000 Ом/кв. в сторону уменьшения сопротивления с помощью лазера. Техно логические исследования показали, что подгонка резисторов эффективна для резисторов с ps равным 50 и 100 Ом/кв. с площадью их обработки лучом лазе ра не более 50% и для резисторов с величиной ps равной 500 Ом/кв. с площа дью обработки не более 25%.
Проведенные технологические исследования позволили разработать ба зовые ТП и маршруты серийного изготовления ПЧ СВЧ-устройств, обеспечи вающие малые потери энергии, высокую коррозионную стойкость и адгезию многослойных проводников МПЛ к подложке, надежную работу миниатюрных ТРН при воздействии большой импульсной мощности, высокую температур ную и временную стабильность резистивных элементов.
Основные результаты технологических исследований и разработок, приведенные в настоящей главе, могут быть использованы при проектировании ТП изготовления тонкопленочных плат с резистивными элементами низкочастотного (НЧ) диапазона и МИН с резисторами СВЧ-устройств на более высоких частотах, включая сантиметровый и миллиметровый диапазоны.
Разработка маршрута изготовления микрополосковых линий методом гальванического осаждения слоев с использованием тонкопленочных технологических перемычек
Измерение резисторов производилось с помощью прибора В7-27А. Разность между средними значениями сопротивлений резисторов 1, 2, 3 групп после резки подложек не превышала 0,5% на каждой из восьми плат. Процент подгонки резисторов второй и третьей групп составлял 2-3%. Небольшая разница между средними значениями сопротивлений резисторов 1, 2, 3 групп свидетельствуют о близости электрофизических свойств резисторов этих групп до операций подгонки и защиты резисторов фоторезистивным слоем.
Напыление резистивных пленок PC 3710 и К50-С производилось на установке УВН-7Ш-3, резистивных пленок РС5406К - на установке Каролина-Д10. Проводящие слои напылялись на установке УВН—74П—3 по типовым ТП.
Испытание тестовых плат на стабильность резисторов проводилось по следующей программе: - циклическое воздействие температуры в диапазоне от 213 до 358К тремя непрерывно действующими друг за другом циклами; - измерение ТКС резисторов в диапазоне температур от 293 до 383К; - воздействие повышенной температуры (393К) в течение 1000 часов. Результаты испытаний плат приведены в таблицах 4.6, 4.7. В таблицах приведены средние значения изменений резисторов и средние величины ТКС оцененные по 30 значениям резисторов в каждой группе.
Экспериментальные исследования подтверждают гипотезу о существенном влиянии на стабильность резисторов продуктов испарения резистивной пленки, осаждаемых на резйстивную пленку в зоне реза.
По результатам технологических исследований в существующие маршруты изготовления Mi ill и чип-резисторов введены изменения, отражающие необходимость-производить операции доводки резисторов после их защиты, диэлектрической пленкой. Это-позволило существенно повысить стабильность резисторов с допуском ±(0,5-1)% для контрольных плат ЄВЧ-устройств.
Кроме того, при подгонке резисторов после их защиты диэлектрической пленкой в условиях серийного производства повышается точность изготовления резисторов и производительность труда, так как операция доводки и измерения резисторов может производиться уже на готовых платах, отбракованных по внешнему виду на предыдущих операциях. Резисторы на платах, доведенные до защиты их диэлектрической пленкой, могут изменить сопротивление после проведения операций по защите диэлектрической пленкой, сверловки отверстий и разделения подложек на платы.
На основе проведенных исследований предложен способ изготовления прецизионных ТПР, защищенный патентом на изобретение [139]. Технология изготовления МПП с использованием предложенного способа доводки резисторов внедрена в серийное производство.
В настоящее время толстопленочные резисторы (ТЛПР) в лучшем случае изготавливают с отклонением от номинала ±(20-30)%. Более высокую точность обеспечивают подгонкой сопротивления резисторов. Для реализации подгонки ТЛПР разработано достаточно способов, которые сводятся к изменению-соотношения его герметических размеров за счет удаления части резистивной пленки или за счет последовательного подключения подгоночных секций к основному участку резистора, либо к изменению структуры и свойств материала уже сформированного резистора. При подгонке резисторов применяют электрофизический, химический, электрохимический, механический, воздушно-абразивный и лазерный способы подгонки [15, 24, 25, 66, 69-71, 143, 145].
В производстве ГИС наибольшее распространение получил способ лазерной подгонки, поскольку он обладает определенными преимуществами перед другими- способами подгонки. Существуют два варианта лазерной подгонки. Первый сводиться к удалению (испарению) части резистора и, таким образом, увеличению его сопротивления за счет уменьшения ширины проводящего слоя. Второй основан на облучении резистивной пленки (без испарения), в результате которого происходит нафевание свыше некоторой пороговой температуры, но не ниже температуры плавления. При этом изменяется кристаллофафическая структура пленки, в частности, происходит уменьшение межкристаллитных промежутков и уплотнение ее структуры, приводящие к уменьшению электрического сопротивления. Однако в литературе не приводится достаточно сведений о режимах подгонки, зависимости изменения сопротивления от площади обработки. В связи с этим были проведены технологические исследования по возможности подгонки ТЛПР в сторону уменьшения сопротивления с помощью лазера.
В экспериментах использовался твердотельный лазер на иттрий—алюмовом фанате (ИАГ-лазер) ЛТИ-501 с универсальной системой СОК-1 и объективом с фокусным расстоянием 50 мм, который позволяет получать максимально рас-ф.окусированный луч диаметром 250 мкм. Подгонка производилась расфокусированным лучом лазера, при перемещении которого по телу резистора, формировался канал (или несколько каналов) — часть резистивной пленки с повышенной проводимостью (рис. 4.14, 4Л 5).
Поэтому целесообразно, при подгонке ТЛПР формировать канал или несколько каналов с повышенной проводимостью перпендикулярно линии тока. При формировании продольного канала основной ток будет протекать через этот канал RK, в силу его более низкого сопротивления, что может привести к его перегреву в случае большой плотности тока, протекающего через резистор и, как следствие,, к изменению сопротивления уже подогнанного резистора в процессе его эксплуатации.
Исследовалась возможность подгонки ТЛПР на основе серебро-палладиевых резистивных паст. Оптимальные режимы подгонки резисторов в сторону уменьшения сопротивления при максимальном диаметре расфокусированного луча 250 мкм достигались на частоте 19 кГц в режиме внутренней модуляции при токе накачки лампы (ТНЛ) 34 ± 1 А, кроме того, эффективная подгонка достигалась и в режиме свободной модуляции при том же ТНЛ. Следует отметить, что ТНЛ зависит от качества юстировки оптического генератора и для каждого конкретного лазера ТНЛ следует подбирать опытным путем.
