Введение к работе
І. Актуальность темы
Применение гибридных интегральных схем (ГИС) в радиоэлектронной аппаратуре (РЗА) позволяет существенно улучшить параметры аппаратуры и открыть долговременную перспективу ее поэтапного совершенствования. Анализ современного состояния в области технологии и конструирования пленочных ГНС для сложных радиотехнических систем показывает, что ГИС имеют низкую серийноспособность вследствие отсутствия унифицированных конструктивных и технологических решений, обеспечивающих высокое качество РЭА.
Создание высокостабильных прецизионных пленочных резисторов требует разработки конструкций, методики расчета и технологии их изготовления дня обеспечения низких контактных сопротивлении и минимальных размеров. Необходимо также разработать способы доводки резисторов без ухудшения их стабильности.
До настоящего времени для мощных СВЧ ГИС в литературе отсутствуют сведения, касающиеся влияния технологии защитных покрытий на потери в микрополосковых линиях (МПЛ), отсутствуют данные по предельной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов при воздействии на них мощного импульсного СВЧ сигнала.
В качестве навесных компонентов в области инфранизких частот для ГИС перспек
тивно применение электрохимических концентрационных преобразователей (ЭКП). Извест
ные конструкции электрохимических триодов и тетродов имеют большие габариты, вес и
потребление энергии, что не позволяет использовать их в качестве навесных компонентов
ГИС. Производство этих элементов не налажено, что. в частности, связано с недостаточной
разработкой вопросов технологии их изготовления. ,
Поэтому в настоящее время актуальными являются следующие проблемы:
создание базовой конструкции и технологии изготовления высокостабильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ ГИС;
разработка высокостабильных миниатюрных ЭКП для .ГИС в области инфранизких частот.
Цель работы: создание базовой конструкции и технологии изготовления высоко.ста-бильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ ГИС для специальной РЭА; разработка конструкций и технологии изготовления высоко стабильных миниатюрных ЭКП для ГИС в области инфранизких частот.
Задачи исследования. Достижение указанной цели предполагает проведение следующих основных конструкторско-технологических исследований и разработок:
1. Анализ известных технологических процессов (ТП) и разработка базового маршрута изготовления тонкопленочных и микрополосковых плат, обеспечивающего более высокое качество РЭА на основе ГИС.
2 . Исследование влияния технологии изготовления и материалов контактов на величину сопротивлений тонкопленочных резисторов и разработка методики их расчета с учетом переходного сопротивления контакта.
3. Разработка конструкций и способов доводки прецизионных резисторов без ухудшения их стабильности.
4 . Исследование влияния технологии и материалов пленочных слоев на потери в микрополосковых линиях СВЧ ГИС в диапазоне частот 1-1.5 ГГц.
-
Исследование предельной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов при воздействии на них импульсного СВЧ сигнала и разработка рекомендаций по их конструированию.
-
Разработка конструкций и технологии изготовления высокостабильных миниа- . тюрных ЭКП, пригодных для их применения в качестве компонентов ГИС. для области ин-франизких частот.
Методы исследования. При решении поставленных задач применялись экспериментальные и теоретиковероятностные методы исследования.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах, которые выносятся на защиту:
1. Установлена взаимосвязь технологических факторов при изготовлении контактных
пленочных соединений, на основании которой предложены материалы контактов и разрабо
тана технология изготовления тонкопленочных резисторов из Та, РС5406К, РС3710, К50С со
съемом вакуума после напыления резистивных слоев для получения низких удельных пере
ходных сопротивлений контактов рк= 10"4 - Ю"50м-смг, что на однн-два порядка меньше рк
в известной технологии без съема вакуума после напыления резистивного слоя. Разработан
метод инженерного расчета резисторов с учетом рк . ,
2. Разработан способ лазерной доводки тонкопленочных резисторов по фоторези-
стивному слою в сторону увеличения сопротивления. Показано, что, по сравнению с извест
ными способами доводки резисторов лазером до их защиты фоторезистом, в предлагаемом
способе возможно сохранение стабильности резисторов за счет исключения осаждения про
дуктов испарения на резистивный слой в зоне реза.
З. Экспериментально установлены оптимальные режимы подгонки толстопленочных резисторов из серебро-палалиевых паст расфокусированным лучом лазера в сторону уменьшения сопротивления на (15-30)% при сохранении их стабильности после подгонки.
4 . В результате анализа экспериментальных данных о влиянии материалов и технологии изготовления пленочных слоев в структуре V-Cu-Ni-Au на потери в МПЛ на частотах 1-1.5 ГГц показано, что, вопреки общепринятому положению, на потери в МПЛ значительное влияние оказызает защитный слой несмотря на удаленность его от поверхности подложки на расстояние, значительно превышающее три скин-слоя. На основе установленного фактора разработана технология изготовления золотого покрытия из фосфатного электролита золочения с платиновыми .анодами, позволяющая получить минимальные потери
(1.1-1,2) дБ/.м в структуре V-CuB-Cur-Nir-Aur, что в три раза меньше уровня потерь при применении рекомендуемой стандартом технологии золочения из лимонно-кислого электролита.
-
В результате анализа физики отказов резисторов показано, что, в отличии от непрерывного режима работы, на величину предельной импульсной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов существенно влияют три фактора: качество поверхности подложки, физические свойства резистивной пленки и теплопроводность диэлектрической пленки, дополнительно напыленной на резистор. Получены экспериментальные данные по удельной предельной импульсной мощности рассеяния для наиболее распространенных резистивных материалов. Показано, что покрытие резисторов пленкой Si3N4 с высокой теплопроводностью позволяет увеличить предельную импульсную мощность рассеяния резисторов в 5-Ю раз. Предложен метод расчета площади резистора при импульсной нагрузке по величине удельной предельной импульсной .мощности.
-
Разработаны конструктивно-технологические вопросы создания высокостабильных миниатюрных ЭКП с пленочными стеклянными покрытиями для навесных элементов ГИС в области инфранизких частот. Получены данные по стабильности параметров миниатюрных электро-химических триодов(ЭХТ) с пленочными покрытиями из SiO, БіОг. стекла С89-2 с йод-иодидным и ферро-феррицианидньм электролитами, объем электролита в которых, в 50-100 раз меньше объема электролита в известных ЭКП. Показано, что для получения высокой стабильности параметров (не хуже 1-2% за 24000 ч работы) необходимо применять пленочные покрытия из стекла и йод-нодидный электролит. Стабильность ЭХТ с другими покрытиями и ферро-феррицианидным электролитом на порядок хуже.
Практическая ценность работы
1. На основе анализа известных конструкций и маршрутов изготовления ГИС, а также экспериментальных исследований предложены базовые конструкция и маршрут изготовле-
ния пассивной части ГИС. для специальной РЭА. обеспечивающие ее серийноспособность. Базовый маршрут изготовления ГИС основывается на раздельном формировании предложенной структуры PC-V-CuB-Cur-Nir-Aur методом гальванического осаждения проводниковых слоев в окна фоторезиста.
2. Разработано два новых маршрута изготовления проводников в ГИС:
. гальваническое осаждение проводниковых слоев по подслою в зазоре для структуры Cr-CuB-CurAur;
. гальваническое осаждение проводниковых слоев с использованием тонких пленочных технологических перемычек для структуры V-Cu8-Cur-Nir-Aur,
Разработанные маршруты, по сравнению с известными технологиями, позволяют в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников при воздействии окружающей среды.
3 . Разработана технология изготовления тонкопленочных резисторов со съемом вакуума после напыления резистивных пленок, позволяющая получать низкие удельные переходные сопротивления контактов рк = 10 - 10 Ом-см\ что на один-два порядка меньше д-по сравнению с известной технологией изготовления резисторов без съема вакуума после напыления резистивного слоя.
4 . Разработана технология лазерной доводки тонкопленочных резисторов, по фото-резистивному слою. По сравнению с известной технологией доводки резисторов до их защиты фоторезистом, предложенная технология позволяет повысить стабильность резисторов в 3-4 раза за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне ре-за.
5. Разработана технология термической лазерной подгонки толстоппеночных резисторов из серебро-палладиевых паст в сторону уменьшения сопротивлений на ('5-30) % при сохранении их стабильности после подгонки.
6. Разработана конструкция толстопленочного подгоняемого резистора, позволяющая исключить повреждение подложки при подгонке за счет введения диэлектрического слоя, расположенного под резистивным слоем, что ослабляет энергию лазерного луча. Конструкция резистора защищена авторским свидетельством на изобретение. Разработана конструкция толстопленочного подгоняемого резистора, в которой путем введения подгоночных секций в два раза повышается точность подгонки и снижается плотность тока при работе резистора после проведения подгонки. Конструкция резистора защищена авторским свидетельством на изобретение.
5 7 . Разработаны конструкции и технология изготовления тонкопленочных резисторов in тантала и с покрытием из Si3N4, обеспечивающие предельную удельную импульсную мощность рассеяния 94-250 кВт/см2, что на порядок превышает предельную удельную импульсную мощность рассеяния резисторов из сплавов РС3710, РС5406К.
-
Разработана технология золочения из фосфатного электролита с платиновыми анодами, позволяюшая получить минимальные потери (1,1 - 1,2) дБ/м в структуре V-Cu-Ni-Au. что в три раза меньше уровня потерь при применении рекомендуемой стандартом технологии золочения из лимонно-кислого электролита с анодами из нержавеющей стали.
-
Разработаны миниатюрные конструкции и технология изготовления высокоста-бильных электрохимических триодов и тетрода, отличающиеся от существующих конструкций отечественных и зарубежных аналогов более чем на порядок меньшими габаритами, весом и потребляемой мощностью, что позволяет применять их в качестве навесных компонентов в ГИС для области инфранизких частот. Конструкции ЭХТ защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение, Конструкция тетрода защищена авторским свидетельством на изобретение. ЭХТ нашли применение в инфранизкочастотных фильтрах, которые внедрены в ряде организаций.
1С. Создана установка механизированной сборки электрохимических преобразователен на операциях изготовления металлостеклянньгх спаев, что позволило исключить ручные операции с применением стеклодувных горелок и повысить точность сборки. Реализация результатов и внедрение
Комструкюрско-іехнологические требования и ограничения на разработку топологии тонкопленочных и мнкрополосковых плат ГИС, а также технологические процессы их изготовления внедрены в опытное и серийное производство специальной РЭА в КНПЦ ИРЭК (г. Казань) и на заводе «Микрон» (г. Киев).
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 1 Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах» (г.Ялта. 1990 г.); Всесоюзной, конференции по интегральной электронике СВЧ (г.Новосибирск, 1988г.); Межреспубликанской конференции «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения (г.Казань. 1988г.); VII Всесоюзной конференции по электрохимическим преобразователям информации (г. Казань, 1975г.); IX Всесоюзной кон-
6 ференции по молекулярной электронике (г.Москва, 1978г.); IX Всесоюзной конференции по микроэлектронике (г.Казань, 1980г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и приложений. Работа содержит 257 страниц машинописного текста. 76 рисунков и 18 таблиц.
