Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие в технологии толстопленочных гибридных интегральных схем (ГИС) и микросборок достаточно широкое применение получили металлодиэлсктрнческие подложки (МД-подложки). Благодаря более высоким, чем у керамических подложек, механической прочности, стойкости к термоударам, теплорассенвакмцеіі способности МД-подложки стали незаменимы при изготовлении мощных ГИС, крупноформатных коммутационных плат, специальных издслніІ для жестких условий эксплуатации. Их использование перспективно в новой, но быстро развивающейся сфере применения толстойленочнон технологии - сенсоэлсктроникс, а также в производстве пленочных нагревательных элементов (ПНЭ), в особенности бытового назначения.
Вместе с тем, несмотря на перспективность МД-подложек, более широкое их использование .осложняется, главным образом, отсутствием материалов для формирования различных толстопленочиых элементов, разработанных с учетом специфики технологии МД-подложек. Вследствие высокого температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металлического основания н ограничения по температуре вжигания материалы, используемые в технологии ГИС на керамических подложках, находят лишь ограниченное применение в технологии МД-подложск. Среди широкого спектра проблем толстопленочного материаловедения для изделий на МД-подложках можно выделить следующие.
В настоящее время в производстве ГИС к млкросборок отсут ствуют материалы для формирования диэлектрических слоев толсто-пленочных конденсаторов (ТІШ), совместимые с технологией МД-подложек и способные обеспечить необходимые электрофизические характеристики ТПК.
Одной из нерешенных задач в области производства нагревателен на МД-подложках является создание саморегулирующихся ПНЭ на основе резисторов с высоким положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС) и заданном температурном интервале, т.е. поэисторов. Применение таких ПНЭ позволит обеспечить быстрый выход электронагревательного прибора на режим н его і поддержание без применения терморегулятора.
В области сенсоэлектрошпш требуется разработать чувствительные материалы для изготовления на МД-подложках наиболее распространенных датчиков - датчиков температуры.
Такне, на первый взгляд, различные задачи могут быть решены путем разработки стекловидных материалов, содержащих кристаллическую фазу - титанат бария, а также методов, позволяющих придать этим материалам те или иные требуемые свойства. Действительно, благодаря высокой диэлектрической пронлцаемостн титалата бария материалы на его основе широко применяется в производстве конденсаторов, в том числе ТПК на керамических подложках. В определенных случаях такие ТПК используют в качестве датчиков температуры. При легировании некоторыми оксидами титанат бария становится полупроводником, и керамика на его основе имеет аномальный ПТКС в диапазоне температур фазового перехода, что дает возможность изготавливать керамические иознсторы, применяемые, в частности, в качестве саморегулирующихся НЭ. ВаТіОз становится полупроводником л при термообработке в восстановительных условиях, причем в этом случае его ТКС отрицателен, и он может служить основой при создании терморезнсторои с высоким отрицательным ТКС.
Однако традиционный для толстопленочной технологии подход, заключающийся в использовании етеклокерамическнх композиционных материалов (СККМ), н данном случае является неприемли-мым. Во-первых, как показывает опыт разработки СККМ на основе ВаГЮз для ТПК на керамических подложках, температура их спекания должна быть не ниже 850 С, что превышает максимально допустимую температуру термообработки МД-подложек. Во-вторых, попытки получения толстоиленочных по.чисторов из СККМ на основе полупроводникового титанати бария не дали положительных результатов.
Более перспективным представляется использование енталло-цементов, получаемых в процессе повторной термической обработки исходных стекол определенного химического состава п содержащих и качестве кристаллической фа їм титанат бария. Согласно литературным данным и результатам предварительных исследований, такт ситаллоцементы, не существующие в настоящее время, могут был получены в стеклообразующей системе ВаО-ТЮг-А^Оз-ВгОз-ЗЮг-
Цель и задачи исследования. Цель данной диссертационно? работы состояла в разработке и исследовании исходных стекол длі сііталлоцемснтов, в процессе енталлнзацнн которых выделяется крис таллическая фаза - титанат бария, обладающих комплексом заданны) свойств и предназначенных для формирования толстопленочных кон дсисаторо», емкостных датчиков температуры, саморегулирующиха
нагревательных элементов и терморезнсторов с отрицательным ТКС на МД-подложках.
Для достижения поставленной цели необходимо было последовательно решить следующие задачи:
исследовать область стеклообразовання и физико-химические свойства стекловидных материалов в системе ВаО-ТіОг-ЛІгОз-ВгОз-ЗіОг;
выбрать базовый состава исходного стекла для снталлоцемснта, в котором после повторной термической обработки по соответствующему режиму выделяется кристаллическая фаза - титанат бария';
исследовать влияние добавок оксидов р- н d-элементов на свойства стекловидных материалов, выбрать легирующие добавки для направленного изменения свойств снталлоцемснта с целью создания материалов с комплексом заранее заданных свойств;
оптимизировать содержание добавок оксидов в составе стекла для снталлоцемснта - диэлектрика толстоиленочных конденсаторов на МД-подложках;
оптимизировать содержание добавок оксидов в составе стекла для снталлоцемснта - диэлектрика толстопленочных емкостных датчиков температуры на МД-подложках;
оптимизировать содержание добавок оксидов в составе стекла для снталлоцемснта - резистивного материала толстопленочных саморегулирующихся нагревательных элементов на МД-подложках;
разработать способ получения толстопленочных терморезнсторов с отрицательным ТКС на основе разработанного стекла;
исследовать свойства разработанных стекловидных материалов и толстопленочных элементов на их основе;
провести технологическую апробацию разработанных материалов в производстве толстопленочных приборов.
Научная новизна работы:
Впервые исследованы область стеклообразовання и фнзнко-химическне свойства стекловидных материалов в системе ВаО-ТіОг--АІ^Оз-ВгОз-БіОг при содержании В2О3 10 мол.% н АІ2О3 до 10 масс.%.
Изучено влияние добавок оксидов і и d-элемснтов ' л свойства стекла системы ВаО-ТЮз-ЛІгОз-ВгОз-Бірг и снталлоцемснта на его основе.
Впервые экспериментально установлена возможность получения полупроводниковых стеклокрнсталлнческнх материалов с кристаллической фазой - титанатом бария путем легирования исходного стекла добавками оксидов WO3, SD2O3, ND2O5.
Экспериментально опрелслены режимы подготовки стеклопо-рошков п их повторной термической обработки для получения ситал-лопемсптои с комплексом заранее заданных свойств, обеспечиваемых фазовым составом енталлоцементов;
Впервые с использованием традиционных методов толстопленочной технологии изготовлены и исследованы пленочные позисторы на основе ситачлоцементов с кристаллической фазой - титанатом бария.
Предложена и научно обоснована технология изготовления толстопленочиых терморезнсторов с отрицательным ТКС на основе титанита бария путем его восстановления в локальном объеме.
Новизна разработанных стекловидных материалов и технологии получения на их основе толстопленочных элементов подтверждена патентом России, положительным решением о выдаче патента и заявкой на патент.
Практическая ценность работы:
Разработано и исследовано стекло для ситаллоцемента - диэлектрика ТПК ШС на МД-лодложках, устойчивого к многократным термообработкам. Разработанный материал позволяет изготавливать многослойные ТПК, а также многоуровневые ГИС на МД-подложках с пленочными конденсаторами, размещенными на промежуточных уровнях.
Разработано и исследовано стекло для ситаллоцемента, предназначенное для формирования толстопленочных емкостных датчиков температуры на МД-подложках.
Разработано и исследовано стекло для ситаллоцемента, содержащего полупроводниковый титанат бария и проявляющего положи-тельный ТКС в диапазоне температур от 65 С до 250 С. В резуль тате обеспечена возможность изготовления саморчулирующихся ПНЕ для широкого спектра маломощных электронагревательных приборов
На основе предложенного способа восстановления толстоиле ночных элементом в локальном объеме разработана технология нзго товлення толстопленочных терморезисторов с отрицательным ТКС
потенциальной областью применения которых является контроль температуры.
Внедрение и использование результатов. Результаты работы внедрены на предприятии "Снлма": организован выпуск стекла марки СЭ-16 для диэлектрических слоев ТПК (ПБЛО.027.060 ТУ) и стекла марки СЭ-17 для рсзнстнпных слоев саморегулирующихся ППЭ (ПБАО.027.061 ТУ); внедрены на предприятии ПШП "Прибор" (г.Омск) в производстве многоуровневых СВЧ-микросборок с толстопленочными конденсаторами.
Проведена технологическая апробация разработанных стекловидных материалов в ИПМ АН Украины (г.Кнев), НПО "Темп" (г.Одесса), фирме "Элна" (г.Кнев). Результаты апробации положительные.
Апробация работы. Основные результаты исследовании доложены н обсуждены на:
3-Й Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении" (Ярославль, 1990;
12-м научно-техническом совещании "Применение традиционных и разработка новых пленочных материалов в сенсоэлоктроннке" (Кацивели, 1991);
13-м научно-техническом совещании "Новые материалы для микроэлектроники на основе тугоплавких соединении" (Юрмала, 1992);
научно-техническом семинаре "Технология и конструирование мнкросборок на металлических подложках" (і<расногорск Москов скон обл., 1992);
научно-техническом семинаре "Технология изготовления многоуровневых плат с пассивными элементами" (Красногорск Москов ской обл., 1992);
- 1-й научно-технической конференции СНГ "Состояние н
перспективы развития пленочных нагревательных элементов" (Сочи,
1993);
- 14-м научно-техническом соиещак.ш "Новые мап налы для
микроэлектроники на основе тугоплавких соединений" (Туапсе,
1994);
- научно-техническом совещании "Наука и технология силикат
ных материалов в современных условиях рыночной экономики"
(Москва, 1995);
- научно-технических конференциях аспирантов и студентов
МИЭТ (Москва, 1988-95 гг.).
Результаты работы демонстрировались на выставке Госкомвуза РФ "Товары народного потребления" (г.Нижний Новгород, 1993), на Международной ярмарке в г.Лейпциге в 1995 г.
Публикации. По материалам работы опубликованы 11 статен, 6 тезисов докладов, 1 патент России, 2 заявки на патенты. Результаты диссертации вошли в качестве составной части в 1 научно-техннческиіі отчет.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения и содержит 107 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 16 таблиц, а также библиографический список литературы из 226 наименований на 26 страницах.
