Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние разработки послойной структуры полосковых проводников ГИС СВЧ . 10
1.1. Надежность ГИС СВЧ и перспективность применения бесфлюсовой сборки для её повышения 10
1.2. Проблемы сборки и перспективы оптимизации структуры металлизации МПП 11
1.3. Анализ многослойных структур металлизации МПП ГИС СВЧ 12
1.4. Диффузионное взаимодействие в металлических слоях МПП 15
1.5. Затухание энергии в проводниках МПП 20
1.6. Наиболее распространенные технологические маршруты изготовления МПП ГИС СВЧ 21
1.7. Основные задачи диссертационной работы 22
1.8. Выводы 25
2... Исследование коэффициента затухания в многослойных микрополосковых структурах . 27
2.1. Результаты экспериментальных измерений коэффициента затухания 27
2.2. Исследование влияния толщины покрытий на величину коэффициента затухания 29
2.3. Результаты измерений коэффициента затухания в полосковых линиях с различным микропрофилем... 38
2.4. Выводы 40
3 Разработка послойной структуры для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ . 42
3.1 Исследование диффузионных процессов и элементного состава поверхности в системе: Сгвак - Сивак - Си - Ni
3.2. Исследование температурно-временного интервала стабильности системы 54
3.3. Влияние диффузионных процессов на свойства микрополосковых структур 67
3.4. Исследование растворимости покрытий при пайке микроплат на основания 75
3.5. Послойная структура МПП для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ 81
3.6. Выводы 84
4 Разработка технологии изготовления МПП с послойной структурой металлизации для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ 87
4.1. Разработка маршрута и технологических процессов формирования послойной микрополосковой структуры для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ 87
4.2. Исследование влияния отжигов МПП на локальное расслаивание покрытий 93
4.3. Выводы 105
5... Перспективные направления повышения надежности и воспроизводимости параметров ГИС СВЧ 107
5.1. Формирование топологии многокаскадных СВЧ МПП на единой подложке 107
5.2. Технология изготовления высоконадежных металлизированных отверстий 109
5.3. Технология изготовления МПП с тонкопленочными конденсаторами 115
5.4. Технология изготовления внутрисхемных соединений через воздушный зазор 117
5.5. Технология изготовления СВЧ ГИП с планарным монтажом активных элементов 121
5.6. Выводы 126
6 Исследование надежности ГИС СВЧ . 128
6.1. Исследование надежности микрополосковых плат, сформированных по разработанной технологии... 128
Заключение 136
Используемая литература 141
Приложение 1 153
- Диффузионное взаимодействие в металлических слоях МПП
- Исследование влияния толщины покрытий на величину коэффициента затухания
- Влияние диффузионных процессов на свойства микрополосковых структур
- Разработка маршрута и технологических процессов формирования послойной микрополосковой структуры для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ
Введение к работе
Современный период развития общества ознаменован нарастающими темпами научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности и в особенности в таких наукоемких, как радиоэлектроника. В основном развитие радиоэлектроники базируется на тех достижениях, которые получены в области микроэлектроники, создающей фундамент для разработки более сложных, принципиально новых устройств и получения уникальных свойств радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, развитие радиоэлектроники и микроэлектроники сопровождается повышением требований к надежности работы, уменьшению массы и объема, улучшению электрических характеристик изделий.
Создание высоконадежных микроэлектронных СВЧ систем невозможно без комплексного решения организационных, технологических и конструкторских вопросов.
Опыт проектирования и промышленного производства показывает, что для обеспечения высокой надежности и воспроизводимости твердотельных модулей (ТТМ) СВЧ необходимо, чтобы при проведении сборочных операций учитывались особенности структуры полосковых проводников, а послойная структура микрополосковых проводников отвечала требованиям сборки.
В производстве ТТМ СВЧ в гибридном исполнении основными сборочными операциями являются пайка и микросварка. Для пайки применяют золотосодержащие или оловянные припои с добавками свинца, индия, кадмия, висмута и др. Паяемыми поверхностями являются золото, никель, сплав олово-висмут и др.
Высокое качество паяных и сварных соединений обеспечивается очисткой поверхности микрополосковых плат (МПП), применением флюсов, контролируемыми газовыми средами, а также наложением ультразвуковых или низкочастотных колебаний.
К настоящему времени достигнут высокий уровень технологий, базирующийся на оборудовании и процессах, осуществляющих флюсовую сборку [1-7]. Однако использование флюсов, особенно на заключительных сборочных операциях, провоцирует коррозионные процессы в загерметизированных микросборках и модулях, что приводит к деградации электрических характеристик, к выходу из строя активных и пассивных элементов микрополосковых плат при эксплуатации или длительном хранении СВЧ приборов [8-10].
По этой причине развиваются и внедряются в промышленность процессы бесфлюсовой сборки [11-16].
В наиболее распространенных маршрутах бесфлюсовой сборки [17-18] операции микросварки и микропайки осуществляют со ступенчатым снижением температуры в диапазоне 290.. .420С.
Ступенчатая бесфлюсовая сборка предъявляет особые требования к микрополоско-вым структурам, поскольку при температурах выше 300С протекает интенсивная взаимодиффузия и растворение покрытий в процессе пайки, что непосредственно влияет на надежность паяных и сварных соединений и электрические параметры ГИС СВЧ.
Актуальность работы. В технике СВЧ получили широкое применение структуры с металлизацией лицевой и экранной сторон системами на основе меди Сг/Си/Аи; Cr/Cu/Ni/Au; и на основе золота: Ti/Pd/Au; Ti/Pt/Au; Cr-Au и т.д.
Оптимальной структурой для формирования сварных соединений являются тонкопленочные системы на основе золота. Они не содержат легко диффундирующих атомов, препятствующих формированию надёжных сварных соединений. Но пайку микроплат с таким покрытием на основания можно проводить только с применением припоев с высокой концентрацией золота (AuSi; AuGe; AuSri), но при этом, вследствие высоких внутренних напряжений в паяном шве, размеры плат ограничены, а при размерах МПП более 12x12 мм велика вероятность растрескивания, вызываемого разностью КТЛР применяемых материалов.
Спаи, образованные на основе олова, свинца, индия характеризуются высокой пластичностью, но полностью растворяют золотое покрытие, что снижает прочность паяных соединений и приводит к деградации электрических характеристик ГИС СВЧ. Структура на основе меди (Cr/Cu/Ni/Au) свободна от этих ограничений. При пайке этой структуры припоями на основе олова и свинца сохраняется слой меди под слоем никеля. А так как эти припои образуют эластичные соединения, то выбором материала оснований и толщины припоя достигается возможность пайки микроплат размером до 48x60 мм.
Однако, нагрев микроплат с этой структурой в процессе монтажа чип-конденсаторов и пайки плат на основания с температурой в диапазоне 300...420С приводит к взаимодиффузии атомов покрытий и образованию твердых растворов на основе меди и золота, что создает неблагоприятные условия для формирования термокомпрессионных соединений.
Из приведенного анализа следует, что, несмотря на большое количество опубликованной литературы, технологические аспекты проектирования и изготовления СВЧ ГИС с использованием бесфлюсовой сборки, обеспечивающие воспроизводимость параметров,
7 высокий выход годных и надежность изделий изучены недостаточно полно и представляют собой актуальную задачу.
На момент постановки диссертационной работы выход годных ГИС СВЧ с температурой бесфлюсовой сборки выше 300С не превышал 6%. Из-за низкой нестабильности технологических процессов наблюдались значительный разброс СВЧ параметров и отказы в процессе производства и эксплуатации.
Цель работы. В связи с вышеуказанным, целью диссертационной работы являлась разработка послойной структуры и технологии изготовления ГИС СВЧ для бесфлюсовой сборки в диапазоне 300...420С, позволяющих обеспечить высокую воспроизводимость параметров и надежность твердотельных модулей СВЧ.
Постановка задачи. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
на основе исследования особенностей диффузионных процессов в температурном диапазоне 300...400С в многослойных микрополосковых структурах и влияния этих процессов на прочность сварных термокомпрессионных соединений, коэффициента затухания СВЧ энергии, а также исследования растворения покрытий в процессе пайки, определялись области оптимального применения традиционных структур на основе золота и меди для бесфлюсовой сборки;
разрабатывалась универсальная структура МПП, обеспечивающая оптимальные условия для микросварки на лицевой стороне микроплат и оптимальные условия для микропайки на экранной стороне;
разрабатывалась технология формирования микрополосковых плат для бесфлюсовой сборки ГИС;
исследовалось явление высокотемпературного расслаивания покрытий МПП;
. разрабатывалась технология изготовления МПП с формированием металлизированных отверстий, внутрисхемных соединений, тонкопленочных резисторов, индуктив-ностей и конденсаторов методами планарной технологии;
разрабатывалась технология монтажа кристаллов навесных элементов ГИС СВЧ в объеме подложки платы в сквозных отверстиях, совмещение лицевых поверхностей кристаллов и платы, относительная ориентация топологических рисунков металлизации платы и кристаллов навесных элементов, закрепления кристаллов и подключения контактных площадок кристаллов к проводникам платы.
Предметом исследования служат: прочность соединения, технологические операции, взаимодействие слоев структуры металлизации топологического рисунка МПП.
Метод исследования - комплексный, характеризуемый последовательным использованием современных теоретических представлений и методик исследования по прохождению сигналов в платах ГИС СВЧ, технологических методик.
Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:
Исследована надежность сварных термокомпрессионных соединений золотой проволоки с микрополосковыми линиями (МПЛ), имеющими структуру Cr/Cn/Ni/Au в зависимости от толщины барьерного слоя гальванически осажденного никеля и от режима отжига.
Разработана структура металлизации МПП (Тівак - PdBaK - АигалЬв- на лицевой стороне подложки и Сгвак - Сивак- Сигальв- NiraribB- Аигальв- на экранной стороне), обеспечивающая высокотемпературную (400С) сборку ГИС на лицевой стороне платы и надежную пайку МПП на металлическое основание.
Исследованы причины расслоения структуры металлизации топологического рисунка МПП при нагреве её на операциях сборки ГИС.
Разработан процесс последовательного усиления металлизации переходных отверстий в МПП взамен торцевой металлизации для коммутации элементов ГИС СВЧ, расположенных на разных сторонах МПП.
Разработаны оригинальные конструкция и технология формирования внутренних перемычек, защищенных авторскими свидетельствами, позволяющих повысить воспроизводимость электрических параметров ГИС СВЧ, улучшить их электрические характеристики, повысить надёжность внутренних соединений.
Разработана оригинальная технология монтажа кристаллов навесных элементов ГИС в отверстия МПП, их закрепление, совмещения с топологическим рисунком и подключения в схему, защищенная авторским свидетельством.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Высокая надежность, низкие и воспроизводимые потери СВЧ сигнала достига
ются применением системы металлизации микрополосковых линий на основе меди в сле
дующих значениях: Сгвак (80... 150 Ом/П) - Сивак 1 МКМ ^игаЛьв -> МКМ іМіГальв
(0,5...0,9) мкм - Аигальв 3 мкм) и ее можно рекомендовать для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ при Т=330С со временем выдержки не более 10 мин, а при Т=420С - не более 3 мин.
2. Оптимальные условия для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ с применением термо
компрессионной сварки и пайки микроплат на основания легкоплавкими припоями обес
печиваются при структуре металлизации лицевой стороны микроплат на основе золота
(система Ti/Pd/Ли), а экранной стороны - на основе меди (система Cr/Cu/Ni/Au), с барьерным слоем, ограничивающим растворение в процессе пайки.
Повышение надёжности соединений ГИС СВЧ, улучшение электрических и мас-согабаритных характеристик, их воспроизводимость достигается за счет внутрисхемных соединений через металлизированные отверстия, а также формирования соединительных проводников с длиной 50...500 мкм, шириной 20...40 мкм, высотой воздушного промежутка 5... 15 мкм над пленочными элементами высотой 3...8 мкм, методами напыления, фотолитографии, гальванического осаждения и последующего стравливания технологических слоев.
Дополнительное повышение надёжности соединений ГИС СВЧ, улучшение электрических и массогабаритных характеристик, их воспроизводимость достигается за счет размещения кристаллов навесных элементов в отверстиях в подложке МПП, совмещения лицевых поверхностей кристаллов и платы, относительной ориентации топологических рисунков металлизации платы и кристаллов, закрепления кристаллов в отверстиях и формирования соединительных проводников методами напыления, фотолитографии и гальванического осаждения.
Практическая ценность работы. Полученные новые научные результаты и разработанные технологические процессы составляют основу базовых технологий изготовления ГИС СВЧ в ФГУП «НПП «Исток», заводе «Радиоизмеритель» г Киев и др. и нашли применение при проведении большого числа НИР и ОКР в крупносерийном производстве модулей СВЧ на протяжении многих лет.
Апробация и публикация результатов работы. Результаты работы опубликованы в материалах двух международных конференций, в 9 научно-технических статьях, 12 научно-технических отчетах, изложены на 4 семинарах главных конструкторов ФГУП «НПП «Исток», 3 технологических семинарах по программе «Гибрид», совещании КНТС главных технологов; по результатам работы получено 4 авторских свидетельства и 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.
Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, приложения, списка литературы.
Работа выполнена на 150 страницах текста, содержит 78 рисунков, 27 таблиц и список литературы из 144 наименований и приложение на 17 страницах.
Диффузионное взаимодействие в металлических слоях МПП
Система медь - никель в виде металлических сплавов исследовалась довольно широко [63,64]. Гораздо меньше работ посвящено исследованию диффузионных процессов в тонких пленках. Наиболее детально низкотемпературная диффузия в пленках этой системы исследована в работе [63], в которой авторы указывают на преобладающую роль диффузии атомов меди и никеля по границе зёрен. В работе [65] приводится подробное описание кинетики диффузионных процессов в тонких плёнках меди - никеля с толщиной слоев 1,1 и 1,2 мкм соответственно. В процессе диффузионного массопереноса происходит насыщение атомами никеля границ зёрен по объемному механизму. Уменьшение количества атомов никеля, диффундирующих в объем зёрен, компенсируется за счет атомов никеля, диффундирующих по границам зёрен в медный слой.
Иным образом протекает диффузия меди в слой никеля. Атомы меди диффундируют в слой никеля по границам зёрен и на поверхности образца окисляются с образованием фазы СигО. При этом, поверхность действует как своеобразный насос, прокачивающий диффузант (атомы меди) через слой никеля по границам зёрен. Коэффициент диффузии меди в никель в интервале температур 300...400С составляет 10"25... 10"21 см2/с [63]. Это определяет малую скорость объемной диффузии атомов меди в зёрна никеля. Рабочие температуры сборки СВЧ приборов лежат в области 150...420С, что значительно ниже температур, при которых определялись коэффициенты диффузии в работах [63, 64] для массивных образцов. Параметры диффузии в тонкопленочных системах Си - Ni изучались в работах [67, 68]. Данные этих работ плохо согласуются между собой. Различия коэффициентов диффузии достигают 104. Столь существенные различия, в первую очередь, определяются особенностями диффузионных систем, различиями в структуре зёрен, методами измерения.
Из вышеизложенного следует, что, несмотря на наличие в предыдущих работах численных значений параметров диффузии в системе Си - Ni, ИМИ трудно воспользоваться в каждом конкретном случае, особенно для тонкопленочных систем. Поэтому необходимо изучить диффузионные процессы, протекающие в системе медь - никель, нанесён 18 ной на подложки вакуумным и гальваническим методами с толщиной слоев 4...8 и 0,4...0,8 мкм соответственно при температуре отжигов 150...420С.
Для толстых плёнок объемная диффузия атомов никеля в золото протекает быстрее, чем атомов золота в никель [69]. Эта закономерность сохраняется и в тонкоплёночных системах [70]. Авторы работы [70] установили, что количество атомов никеля, про-диффундировавшего в золотую плёнку, в пять раз больше, чем количество атомов золота, продиффундировавших в никель.
В работах [71...76] рассматриваются особенности и кинетика процессов диффузии в тонкоплёночных вакуумных конденсатах системы никель - золото. Показано, что в тонкопленочной системе никель - золото в случае низкотемпературной диффузии, преобладает диффузия по границам зёрен. Соотношение коэффициентов диффузии по границам зёрен Dr и в объеме зёрен D06. оценивается отношением D,/ D06. 108. В работе [71] методом обратного рассеивания определена концентрация продиффундировавших атомов никеля и золота в поликристаллических плёнках толщиной « 1000 А. Установлено, что в процессе диффузии при температурах 150...250С идет взаимное проникновение атомов никеля в золото и наоборот. При этом, концентрация атомов никеля, диффундирующих в золото при температуре 250С, быстро достигает величины « 0,8 ат. %, а при температуре 350С концентрация никеля увеличивается до значения « 8 ат. % Ni. Это количество соответствует равновесной растворимости никеля в золоте.
Атом золота проникает в пленку никеля до 0,1 ат. % уже в ходе напыления пленок. После отжига при температуре 150...250С в течение 100 мин. Концентрация золота остается на том же уровне. Объемная диффузия атомов золота в пленку никеля происходит при температуре 350С. В работе [73] с помощью метода обратного рассеивания наблюдали в образцах Au(700A)/Ni(100A)/ Au(700A) почти полную миграцию атомов никеля к внешней поверхности золота при температуре 350С. Сделан вывод, что главную роль в этом процессе играет окисление никеля на поверхности золота. Авторы работы [70] также наблюдали интенсивную диффузию атома никеля в слой золота при температуре 200С и установили, что окислы никеля на поверхности золота существенно ускоряют процесс диффузии. Согласно вышеизложенному, можно представить следующую многостадийную модель диффузии в тонкоплёночной системе никель - золото: 1) диффузия атомов никеля и золота по границам зёрен, при этом, скорость диффузии атомов никеля значительно выше, чем атомов золота в никель; 2) объемная диффузия атомов никеля и золота из границ зёрен в глубь зёрен с образованием твёрдых растворов никель - золото; 3) диффузия атомов никеля ускоряется образованием окислов никеля на поверхности плёнки золота. Приведенные литературные данные позволяют сделать вывод, что тонкоплёночную систему никель - золото целесообразно применять для проводников микрополоско-вых плат при температурах бесфлюсовой сборки менее 350С. В работах [51,77] предлагается многостадийная модель массопереноса в тонко плёночных вакуумно осажденных слоях субмикронных толщин системы Сг-СиВак-№вак-АиВаК, Включающая в себя: диффузию по границам зерен кристаллов, диффузию в объем зерен с образованием твёрдых растворов или интерметаллических фаз наряду с параллельно протекающими рекристаллизационными процессами, выход атомов одного из компонентов на поверхность с образованием самостоятельной фазы диффундирующего элемента, интерметаллических или химических соединений. Особенно отмечается важная роль внешней поверхности системы. Процессы окисления и фазообразования, имеющие место на внешней поверхности наряду с градиентом концентрации, являются движущей силой массопереноса вещества по границам зёрен. В технике СВЧ широко применяются микрополосковые структуры, которые одновременно содержат как напыленные слои, так и гальванически осажденные. Необходимость таких покрытий обусловлена особенностями технологии микрополосковых плат (МПП). В отличие от ГИС. работающих на постоянном токе, к МПП предъявляются противоречивые требования:
Исследование влияния толщины покрытий на величину коэффициента затухания
Из данных, представленных в таблице 2.1, можно сделать вывод, что различие в уровне потерь определяется не микропрофилем, а большим удельным сопротивлением гальванической меди по сравнению с медью, сформированной вакуумным напьшением, а также меньшей шероховатостью верхней грани микрополоска, сформированного согласно способу (3). Представленные данные получены при значении для трапециидального профиля, равного 3...5 мкм. Для значений А в более широком диапазоне размеров подготовлены образцы по следующей методике: на подложке из поликора в едином вакуумном цикле напылялась структура хром-медь (хром толщиной, соответствующей поверхностному сопротивлению 100...30 Ом/п, медь толщиной 5 мкм). На одной стороне методом фотолитографии формируется фоторезистивный рисунок резонансного кольца. Медь с пробельных мест стравливается в травителе состава: 37% соляная кислота (X мл), перекись водорода (30 мл), вода (10 мл). От количества - X соляной кислоты в растворе зависит величина Д клина травления. При изменении X от 10 до 60 мл клин травления убывает от 10 до 0,5 мкм.
Результаты измерения представления на рис. 2.3.1 (а, б, в), который иллюстрирует, что клин травления в диапазоне от 0,5 до 10 мкм не оказывает существенного влияния на потери, что согласуется с результатами расчетов.
Отсюда следует, что при разработке технологии травления не обязательно добиваться прямоугольного сечения полосков, что существенно упрощает выбор режимов и составы растворов травления в направлении создания ровных краев микрополосков и однородного по площади подложек травления.
Разработана методика расчета коэффициента затухания волны в многослойной полосковой линии, обусловленного потерями в металле, с учетом того, что различные участки сечения (и слои проводников) полосковых проводников обладают разной проводимостью и шероховатостью поверхности.
Это позволяет рассчитать затухание в реальных микрополосковых структурах, сформированных по различным технологическим маршрутам, оценивать вклад каждого участка сечения проводников линии в общие потери с учетом структуры слоев тонкопленочной металлизации.
Вычислена и представлена в удобной для инженерных расчетов графической форме поверхностная проводимость меди и алюминия, покрытых тонкими слоями других металлов.
Подтверждено, что края полосковой линии вносят существенный вклад в потери. Показано, что они составляют примерно 30% потерь для 50 - Омной линии на подложке с є = 10, несмотря на то, что их поверхность занимает ничтожно малую долю от общей поверхности металла в линии. Установлено, что шероховатость края полосковой линии существенным образом влияет на разброс коэффициента затухания.
Наименьшие потери и разброс коэффициента затухания обеспечиваются в полосковых линиях, сформированных методом вакуумного напыления, благодаря меньшей шероховатости верхней грани и более высокой проводимости напыленных слоев металла по сравнению со слоями, полученными гальваническими и химическими методами.
Уровень потерь определяется соотношением толщины скин-слоя А на всех гранях полосковой линии и толщинами (t) покрытий на этих гранях. При Д t AuCu уровень потерь воспроизводимый и низкий; при Д t диси уровень потерь высокий, а воспроизводимость определяется точностью формирования толщин покрытия . Пленки, полученные вакуумными методами и химическим осаждением (разброс толщины не превышает 10%), характеризуются малым разбросом, а гальванические, вследствие большого разброса по толщине ( 40%), - большим.. При Д t AU полосковую линию можно рассматривать как однослойную. Из расчетов и экспериментальных измерений следует, что воспроизводимость и низкий уровень коэффициента затухания в микрополосковых структурах, помимо удельного сопротивления и шероховатости края, определяются соотношением толщин и точностью формирования покрытий и обеспечиваются при разбросе толщин покрытий менее 10% при условии, если толщина верхнего слоя покрытий на всех гранях полосковой ли- ний превышает 2...3 скин-слоя. Толщину адгезионного слоя при рабочих частотах до 18 ГГц целесообразно выбирать в диапазоне 100 + 30 Ом/о, при этом уровень потерь не изменяется, а величина адгезии составляет не менее 300 кг/см2. Толщина слоя золота в диапазоне частот 8... 18 ГГц должна быть не менее 2 мкм, при этом барьерный слой никеля полностью экранируется, и его толщину следует выбирать исходя из требований к покрытиям для бесфлюсовой сборки. Толщина меди в основании микрополосков должна быть не менее 1 мкм.
Результаты исследования опубликованы в работах [33, 112]. В таблицах 3.1.1 — 3.1.5 приведены данные химического анализа поверхности микрополосковых плат с системой металлизации Cr/Cu/Ni/Au.
Анализ результатов, приведенных в таблицах 3.1.1-3.1.5, показывает, что изменение процентного содержания атомов золота, меди и никеля в поверхностном слое образцов зависит от температуры отжига и толщины барьерного слоя никеля. До температуры 330С эти изменения несущественны. Однако, после отжига при 420"С процентное содержание атомов золота в поверхностном слое резко снижается, а меди повышается. Особенно, если отжиг происходил на воздухе. Это свидетельствует об интенсивной диффузии меди в золото через барьерный слой никеля при 420С. С ростом толщины никеля, уменьшается количество меди на поверхности и возрастает процент золота (рис. 3.1.1). Диффузия атомов никеля в золото также имеет место, но в значительно меньшей мере, чем атомов меди. Процентное содержание никеля в поверхностном слое образцов после отжига на воздухе при 420"С не превышает 4%. Начиная с 0,5 мкм, оно практически не зависит от толщины барьерного слоя. Из рис. 3.1.2 следует, что диффузия никеля интенсивней происходит при отжиге на воздухе по сравнению с вакуумом. Это можно объяснить образованием окислов меди и никеля на поверхности образцов, о чем свидетельствует повышенное содержание кислорода (12-14%) в поверхностном слое после отжига на воздухе при 420С.
Отжиг в вакууме не приводит к такому повышению содержания кислорода на поверхности. Анализ данных, приведенных в таблицах 3.1.1-3.1.5, показывает также, что в процессе отжига на воздухе при 420С происходит насыщение поверхностного слоя азотом, процентное содержание которого после отжига на воздухе при 420С для всех образцов больше, чем после отжига в вакууме и колеблется в пределах 0,5...10 вес. %. Корреляция между содержанием азота и толщиной барьерного слоя никеля не прослеживается. Фосфор, хром и сера в поверхностном слое практически отсутствуют.
Образцы этой же партии исследовались методом вторичной ионной масс - спектроскопии. Определялось распределение ионов Ni+58, С+63, 0+16, СНз+15 по глубине в поверхностном слое толщиной 1500А. Травление производилось ионами аргона при плотности тока 10 мкА/мм2 и напряжением 5 кэВ.
Влияние диффузионных процессов на свойства микрополосковых структур
Структура обеспечивает воспроизводимый высокий уровень прочности термокомпрессионных сварных соединений и высокую надежность паяных соединений при монтаже микроплат на основания на золото-германиевую или золото-кремниевую эвтектику.
Однако при размерах микроплат более 12 х 12 мм наблюдается их растрескивание вследствие повышенных напряжений в паяном шве. Кроме того, велик расход драгоценных металлов. Это существенно ограничивает область применения данной структуры, так как СВЧ ГИС в частотном диапазоне 8... 18 ГГц преимущественно реализуются при размерах микроплат более 10x10 мм, а в изделиях массового применения большой расход драгоценных металлов недопустим.
Таким образом, ни одна из наиболее распространенных структур не отвечает всем требованиям бесфлюсовой сборки. Создание такой структуры возможно, если учесть, что требования с точки зрения сборки к лицевой и экранной стороне микроплат различны.
На лицевой стороне микроплат осуществляют монтаж навесных элементов на золото-германиевую или золото-кремниевую эвтектику (чип-конденсаторы, бескорпусные транзисторы) и термокомпрессионную разварку внутрисхемных соединений. Надежность сборочных операций при этом определяется взаимодиффузией атомов покрытий и поэтому наиболее целесообразно применение полосковых термостабильных структур на основе золота (Ті - Pt - Au и др.).
На экранную сторону микроплат паяют металлические основания. Ненапряженные паяные соединения при размерах микроплат более 12x12 мм формируются при использовании припоев на основе олова и свинца, но так как эти припои полностью растворяют золото, это предопределяет выбор в качестве послойной структуры экранной стороны микроплат тонкопленочной системы на основе меди с барьерным слоем, предотвращающим растворение покрытий при пайке. На рис. 3.5.1B представлена одна из возможных структур МПП, отвечающих требованиям бесфлюсовой пайки.
В результате комплексного исследования многослойной тонкопленочной системы СгВак/Сивак/Сигальв/№Гальв/Аигальв установлено, что вследствие взаимодиффузии изменение процентного содержания атомов золота, меди и никеля в поверхностном слое образцов зависит от температуры отжига и толщины барьерного слоя никеля. До температуры 330С эти изменения несущественны. Однако при дальнейшем повышении температуры процентное содержание золота в поверхностном слое резко снижается, а меди повышается. Процесс диффузии протекает более интенсивно в результате отжигов на воздухе по сравнению с вакуумом. С ростом толщины никеля в поверхностном слое МПЛ уменьшается количество атомов меди и возрастает процентное содержание атомов золота.
Определен температурно-временной интервал стабильности системы СгВак/Сивак/ СигаЛьв/№гальв/АиГальв. Методами ВИМС и Оже-электронной спектрометрии показано, что при температуре отжига 300...350С на поверхности МПЛ появляется незначительное количество атомов меди и никеля при времени отжига до 10 минут. При увеличении времени отжига концентрация атомов меди и никеля возрастает до больших значений. При температуре отжига 420С на поверхности МПЛ наблюдается значительное увеличение атомов меди и никеля при времени термообработке более 3 минут. Следовательно, при
Исследования температурной стабильности МПП, сформированных на основе золота, (система ТіВак - PdBaK - АигалЬв) показали, что структура является стабильной при отжигах в вакууме и на воздухе при температурах до 500С при временных выдержках в пределах 20 минут, что определяет целесообразность применения тонкопленочных систем на основе золота при температурах сборки более 400С .
Из приведенных исследований влияния диффузионных процессов на удельное сопротивление и СВЧ потери в микрополосковых структурах на основе меди следует, что
АигаЛьв, не превышающих 420С и время 15 минут, средний уровень потерь не возрастает. Однако наблюдается рост разброса значений коэффициента затухания.
Нагрев структуры Ті - Pd - Au при 420С не приводит к изменению потерь СВЧ энергии, что также свидетельствует о ее высокой температурной стабильности. В результате исследования влияния структуры микрополосковых плат и режимов ее термообработки на прочность сварных термокомпрессионных соединений установлено, зависит от толщины слоя никеля только в том случае, если МПП предварительно не отжигать.
После прогрева МПП при 330С в течение 10 минут удовлетворительная прочность (5 Гс) микросварных соединений обеспечивается при толщине слоя никеля 0,5...0,9 мкм. После отжига МПП при 420С в течение 1 минуты усилие отрыва микросварных соединений более 5 Гс обеспечивается при толщине никелевого покрытия от 0,7 до 1,4 мкм. А с увеличением времени нагрева до 4...9 минут усилие отрыва становится менее 50% прочности золотой проволоки в исходном состоянии. Снижение прочности микросварных соединений объясняется интенсивной взаимодиффузией атомов меди и золота, протекающей через барьерный слой никеля, что подтверждается данными по температурно Исследования поверхности образцов после проведения операций фотолитографии показали, что в исходном состоянии поверхностный слой полосковых проводников содержит в основном углерод. Обработка поверхности образцов в неотожженном состоянии методом ионного травления позволяет легко и практически полностью удалить углеродо-содержащие соединения, а значит создать благоприятные условия для осуществления бесфлюсовых сборочных процессов. После проведения отжига удалить органические соединения не удается. Из этого следует важный для технологии изготовления ГИС СВЧ вывод: очистку поверхности МПП необходимо производить до температурных воздействий, осуществляемых в процессе термостабилизации покрытий, операций пайки и сварки.
Исследования растворения покрытий в процессе пайки микроплат на основания показали, что в структурах с системой металлизации на основе золота (Ti/Pd/Au... и др.) при пайке припоями на основе олова или свинца наблюдается полное растворение покрытий. Что снижает надежность паяных соединений. При пайке структур на основе меди (Сгвак/Сіівак/ СиГальв ігальв/АигаЛьв--. и др.) припоями на основе олова и свинца барьерный слой никеля ограничивает процесс растворения покрытий, что сохраняет медный проводящий слой и обеспечивает высокую надежность паяных соединений.
Разработка маршрута и технологических процессов формирования послойной микрополосковой структуры для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ
Но, если перед операцией гальванического наращивания в процессе выполнения фотолитографических операций на подложку нанести защитное лаковое покрытие, частицы которого проникают в поры, и удалить которые органическими растворителями практически невозможно, то после гальванического зара-щивания пор и прогрева при температуре более 300С происходит деструкция органических соединений, сопровождающаяся увеличением объема. В порах развивается большое давление, и покрытия отслаиваются вокруг пор. Коэффициент расслаивания гальванических покрытий обычно составляет 1,5...2, поэтому при наращивании слоев толщиной 3 мкм полностью зарастали поры в подложках размером 4...8 мкм, что хорошо согласуется с результатами измерения размеров и числа вспучиваний, представленных в таблицах 4.2.1 и 4.2.2.
Исходя из вышеизложенного, данный вид брака при изготовлении и сборке ГИС СВЧ можно исключить применением подложек, обработанных по 13...14 квалитету и не имеющих на своей поверхности объемных пор (кварц, сапфир, ситалл). А для подложек из алюмооксидной керамики, обеспечив тщательную очистку или исключив попадание органических загрязнений в поры перед наращиванием гальванических покрытий.
В результате проделанной работы установлено, что удалить из пор можно остатки фоторезистивных покрытий, которые хорошо растворяются в органических растворителях при наложении ультразвуковых колебаний. Остатки от защитных лаков в органических растворителях только набухают и практически не растворяются, и эти покрытия нельзя применять в технологии изготовления МПП.
Предотвратить межслойное расслаивание покрытий на экранной стороне микроплат удалось путем замены лаковых покрытий липкой лентой. При этом, обеспечивается защита Си, Pd от травления и исключается глубокое проникновение в поры органических веществ. Проведенные исследования и разработанные технологические процессы позволили полностью исключить высокотемпературное расслаивание покрытий при проведении бесфлюсовых сборочных операций. Разработан маршрут и весь комплекс входящих в него технологических процессов, обеспечивающих формирование оптимальной микрополосковой структуры для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ. Маршрут основан на изготовлении МПП с гальваническим наращиванием функциональных схем посредством технологических проводников и последующим их удалениєм методом фотолитографии и позволяет реализовать МПП любой конструктивной сложности, что делает разработанный маршрут наиболее универсальным. Очень важно, что при проведении гальванических процессов исключается применение промежуточных органических покрытий, что предотвращает загрязнение электролитов, обеспечивает высокое качество и чистоту покрытий, а следовательно - воспроизводимую бесфлюсовую сборку ГИС СВЧ. За исключением слоя золота, все функциональные слои МПП наносятся методами вакуумного напыления, что обеспечивает высокую чистоту покрытий и точность их формирования, а следовательно - воспроизводимость свойств. Микроплаты с системой металлизации на лицевой стороне на основе золота (Ti-Pd-Au), а на экранной стороне - на основе меди с барьерным слоем (Cr-Cu-Ni-Au), обеспечивают высокую прочность сварных термокомпрессионных соединений ( 8 Гс для проволоки диаметром 20 мкм) и возможность пайки на основания припоями на основе олова и свинца. При этом исключаются отказы ГИС СВЧ, связанные с отделением микроплат от оснований и отслоения сварных соединений. Процессы бесфлюсовой сборки воспроизводимо можно осуществлять до и после отжига микроплат при температурах 150...420С [66, 120]. В результате исследований влияния отжигов МПП на межслойное расслаивание функциональных слоев установлено, что расслаивание обуславливается внутренними напряжениями в гальванических покрытиях, накоплением и последующим разложением органических веществ в порах подложек, при условии, что поры зарощены, при проведении гальванических процессов и исключается применение беспористых подложек, функциональных слоев МПП, сформированных методами вакуумного осаждения, предотвращением проникновения органических веществ в поры подложек или качественным их удалением. Разработанные на базе исследований технологические процессы позволили полностью исключить это явление, в результате - выход годных на операциях бесфлюсовой сборки с температурой более 300С вырос с 6 до 100%. Испытания микрополосковых плат на воздействие термоциклов и отжигов показали их высокую надежность и стабильность электрических характеристик проводящих и резистивных элементов, что позволило в условиях серийного производства снизить и за-стабилизировать коэффициент шума СВЧ усилителей и других приборов. Трудоемкость и надежность ГИС СВЧ во многом определяется количеством сварных и паяных соединений, число которых возрастает по мере усложнения аппаратуры. В работе представлены перспективные направления замены сварных и паяных соединений на соединения, сформированные с применением методов планарной технологии. С целью исключения межплатных соединений предложена технология изготовления МПП на единой подложке, которая в сравнении с базовыми маршрутами [114, 115, 119] обеспечивает выход годных 90% и меньшую на 30% трудоемкость [121,122]. Технология включает нанесение на подложку-1 в едином вакуумном цикле рези-стивного слоя-2 (TaN) и проводящего слоя-3 (меди или палладия) (рис. 5.1.1 а), далее наносят фоторезист-4 (рис. 5.1.1 б) и формируют фоторезистивный рисунок схемы (рис. 5.1.1 в), травят медь (рис 5.1.1 г) и проводят анодирование поверхности резистивного слоя, при этом образуется тонкий диэлектрический слой Таг05 (рис. 5.1.1 д), препятствующий зарастанию при проведении гальванических процессов. Удаляют фоторезист и гальваническим методом наращивают медь-никель-6 и золото-7 (рис. 5.1.1 ж), после чего наносят и формируют фоторезистивную маску (рис. 5.1.1 з, 5.1.1 и), травят с пробельных мест резистивныи слой и получают микроплату с тонкопленочными резисторами-8 и мик-рополосковыми элементами - 9 (рис. 5.1.1 л).
Приведенный технологический процесс, по сравнению с базовым, позволяет на 30% сократить трудоемкость, путем исключения операции удаления технологических проводников процесса очистки и раздельного напыления адгезионного и резистивного слоев металлов, а также повысить процент выхода годных за счет исключения переходных контактных сопротивлений.
Для вариантов ГИС без металлических отверстий, ТПК, навесных элементов и внутрисхемной разводки, приведенный технологический маршрут и базовый маршрут [119], являются основой для других более сложных разновидностей схем.
На рис. 5.1.2 представлен внешний вид многокаскадного широкополосного СВЧ усилителя, выполненного на единой подложке.
