Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Многокристальные модули (аналитический обзор) 15
1.1. Состояние технологии изготовления многокристальных модулей за рубежом 15
1.2. Отечественные технологии создания многокристальных модулей 23
1.3. Конструктивно-технологические решения многокристальных модулей
1.3.1. Многокристальные модули с межэлементными соединениями на подложке 28
1.3.2. Многокристальные модули с планарной рабочей поверхностью 29
1.3.3. Объемные многокристальные модули 31
1.4. Материалы теплоотводов 34
1.4.1. Материалы теплоотводов, используемые в устройствах электронной техники 34
1.4.2. Материалы теплоотводов, применяемые в многокристальных модулях 35
1.5. Конструктивные особенности оборудования для осаждения и обработки
пленок алмазоподобного углерода 37
1.5.1. Типовые системы, используемые для осаждения пленок алмазоподобного углерода 37
1.5.1.1. Диодные системы осаждения 37
1.5.1.2. Системы с индукционным возбуждением разряда 40
1.5.1.3. Системы осаждения пленок алмазоподобного углерода ионным пучком 40
1.5.1.4. Магнетронные распылительные системы 43
1.5.1.5. СВЧ-системы
1.5.2. Типовые системы для обработки пленок 46
1.5.3. Элементы оборудования для осаждения и обработки пленок алмазоподобного углерода 1.6. Обоснование выбора направления работ 51
1.7. Основные задачи и этапы выполнения работы 53
ГЛАВА 2. Изготовление многокристальных модулей с планарной рабочей поверхностью 54
2.1. Особенности конструкции многокристальных модулей с планарной рабочей поверхностью 54
2.2. Методы и оборудование для создания многокристальных модулей с планарной рабочей поверхностью 68
2.2.1. Общая схема технологического процесса 68
2.2.2. Формирование планарной рабочей поверхности многокристального модуля
2.2.2.1. Монтаж элементов многокристального модуля 79
2.2.2.2. Пайка элементов многокристального модуля 82
2.2.2.3. Строение рабочей поверхности микромодуля 84
2.2.2.4. Механизм образования ступеньки на границе перехода керамическая рамка - пропой 85
2.2.3. Создание многослойной системы межэлементных соединений 90
2.2.3.1. Модернизация технологического оборудования для групповой
обработки рабочих поверхностей многокристальных модулей
2.2.3,2. Условия восстановления многоуровневой системы межэлементных соединений в устройствах 100
2.2.3.3. Результаты исследований по локальному восстановлению межэлементных соединений микромодуля с помощью лазерной обработки 103
2.3. Оценка механической устойчивости активных элементов многокристального модуля к термическому воздействию 112
2.4. Выбор конструкции устройства для исследования межэлементных соединений с повышенными теплоотводящими свойствами 123
ГЛАВА 3. Пленки алмазоподобного углерода в качестве теплоотводящего межслойного диэлектрика 135
3.1. Оценка влияния конструктивных особенностей многокристального модуля на температуру перегрева его активных элементов 135
3.2. Особенности технологии создания микромодуля аналого-цифрового преобразователя для видеопамяти 149
3.3. Получение пленок алмазоподобного углерода 156
3.3.1. Ионно-плазменное нанесение 157
3.3.2. Плазмохимическое осаждение из парогазовой фазы
3.4. Анализ состава и изучение строения пленок алмазоподобного углерода, полученных методом плазменного ВЧ-разряда, близкого к электронно-циклотронному резонансу 169
3.5. Размерная обработка пленок алмазоподобного углерода 177
ГЛАВА 4. Устройства на основе многокристальных модулей 201
4.1 Оперативное запоминающее устройство 201
4.2. СВЧ-усилитель 213
4.3. Устройство предварительной обработки сигналов 214
4.4. Аналого-цифровой преобразователь для видеопамяти 217
Заключение 219
Литература 224
Приложения 242
- Многокристальные модули с межэлементными соединениями на подложке
- Методы и оборудование для создания многокристальных модулей с планарной рабочей поверхностью
- Оценка механической устойчивости активных элементов многокристального модуля к термическому воздействию
- Устройство предварительной обработки сигналов
Введение к работе
Астталышсть темы
Совершенствование радиоаппаратуры, повышение ее технических возможностей осуществляются с помощью разработки новых конструктивно-технологичесюгх решений, создания как радиоэлектронных устройств в целом, так и их элементной базы. Ведущими зарубежными фирмами (DSP Group, Santa Clara (США); OKI Electric Industry Co. Ltd., Hachioji (Япония); SGS-Thomson, Philips (Западная Европа) и др.) при создании полупроводниковых интегральных схем (ИС) достигнуты минимальные размеры элементов ИС ~0,35 мкм при размерах кристаллов ИС более 10x10 мм. Это поставило сложные конструктивно-технологические проблемы перед разработчиками и производителями электронной аппаратуры в области сборки ИС.
Одна из проблем - создание надежных злектрігческих соединений кристаллов ИС между собой и с другими элементами. При показателе надежности сборочного оборудования для создания проволочных соединений к0 = 0,99 вероятность получения годного узла #=0,005, т.е. для ИС, у которых 100 внешних контактных площадок, возможно получение лишь 5 годных изделий из 1000 собранных. Следовательно, :уществующие традиционные негрупповые методы сборки узлов такой сложности :тановятся практически неприемлемыми для современного производства. Одним го «правлений, позволяющих решить указанную проблему, является создание .шогокристальных модулей (МКМ), в которых применяются бескорпусные кристаллы ТС, специально подготовленные для сборки. Это позволяет применить групповые методы оздания электрических связей между кристаллами и повысить ру до 0,99. /шогокристальные модули способствуют повышению быстродействия, существенному асширению футгкциональных возможностей электронных устройств, уменьшению оличества внешних выводов микроэлектронных элементов, монтируемых на печатную плату.
Повышение степени интеграции аппаратуры, достигаемое при использовании ССМ, ставит задачу обеспечения эффективного отвода рассеиваемой мощности от ктивных элементов схемы. Эта задача тесно связана с конструктивно-технологическими ешениями по созданию радиоэлектронных устройств, с подбором и использованием атериалов, обладающих высокой теплопроводностью.
Исследованиям в области разработки конструктивно-технологических решений эоизводства МКМ посвяшены работы Е.С.Бутаіша, В.Н.Пырченкова и Б.И.Черного. ми исследованы процессы создания мкегохркстальных плакарных структур МКМ
4 различного типа. Однако в этих работах не решались научно-технические задачи прикладной характера, возникающие при изготовлении конкретных устройств микроэлектроники. Е частности, не исследовался характер влияния элементов конструкций, создаваемых на базе МКМ, на тепловые режимы работы устройств и их функциональные возможности.
Исследованиям в области синтеза и анализа свойстз материалов, обладающих высокой (>200Вт/мК при комнатной температуре) теплопроводностью, посвящены работы В.В.Слепгова и Б.В.Сиицына. Полученные ими результаты в области формирования слоев алмаза и алмазоподобного углерода позволяют провести оценку эффективности использования этих материалов для отвода рассеиваемой мощности от активных элементов МКМ.
Таким образом, необходимость исследований в области разработки конструктивно-технологических решений по созданию радиоэлектронных устройств на основе МКМ очевидна.
Цель работы
Разработка конструкций, технологии и оборудования для создания многокристальных модулей, позволяющих использовать при изготовлении тонкопленочных проводников групповую технологию; исследование возможности применения в МКМ в качестве теплоотводящего межслойного диэлектрика алмазоподобного углерода; внедрение МКМ с планарной рабочей поверхностью в процесс создания элементной базы микроэлектроники.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-разработка конструкции МКМ, имеющей планарную рабочую поверхность, пригодную для применения групповых методов формирования тонкопленочных проводников;
-модернизация существующего и создание специального технологического оборудования для формирования планарной рабочей поверхности и электрических соединений в МКМ;
-математическое моделирование, проведение исследований и анализ результатов экспериментов с тонкопленочными проводниковыми И ТЄІШООТВОДЯЩИМИ диэлектрическими структурами, используемыми в МКМ;
- изготовление и испытания устройств микроэлектроники, созданных на основе МКМ с планарной рабочей поверхностью (оперативное запоминающее устройство динамического типа с емкостью памяти 64Кх8; устройство предварительной обработки сигналов; СВЧ-усилигель);
-формирование, изучение строения и свойств, а также размерная обработка пленок алмазоподобного углерода как теплоотводящего межслойного диэлектрика.
5 Научная новизна
-
Теоретически обоснована возможность формирования МКМ с планарной рабочей поверхностью в составе нескольких кристаллов интегральных схем, обеспечивающая применение групповых методов изготовления тонкопленочных проводников.
-
Экспериментально обоснована возможность создания неразрушающего контакта для контроля в динамическом режиме многовыеодных (более 100 контактных площадок) бескорпусных кристаллов микросхем. Впервые предложены метод и устройство для его реализации.
-
Разработана математическая модель оценки механической устойчивости к термическому воздействию активных элементов МКМ с планарной рабочей поверхностью.
-
Изучено влияние на температуру перегрева активных элементов МКМ материала межслойного диэлектрика, подложки и метода посадки кристаллов.
-
Впервые слой алмазоподобного углерода использован в качестве межслойного тегшоотводящего диэлектрика в МКМ.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается
использованием современных методов и техники физического эксперимента, таюгх, как: растровая электронная микроскопия; оже-электронная спектроскопия; спектроскопия вторичных ионов; спектроскопия комбинационного рассеяния; рентгеновская дифрактометрия и рентгеноспектральный анализ; прецизионное измерение и построение профилограмм поверхности.
Представленные в диссертации исследования выполнены в соответствии с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО Центральный научно-исследовательский технологический институт "ТЕХНОМАШ" и ГУЛ Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры "ПРОГРЕСС", а также по темам и договорам "Рост", "Монолит", "Модуль", "Домокл" и др., выполненных в области фундаментальных и прикладных исследований совместно с Физико-технологическим институтом РАН (г. Москва), Институтом физической химии РАН (г. Москва), ГУЛ НЛП "ВОЛНА" (г. Москва), Научно-исследовательским институтом телевидения (г. Санкт-Петербург), Научно-исследовательским институтом точных приборов (г. Нижний Новгород), Научно-исследовательским институтом точной механики и вычислительной техники (г. Москва) и другими предприятиями и организациями.
На защиту выносятся:
-
Конструктивно-технологические решения создания МКМ с планарной рабочей поверхностью.
-
Результаты экспериментальных исследований процесса создания МКМ и пленок алмазоподобного углерода как тегшоотводащего межслойного диэлектрика в МКМ
3. Результаты изготовления и испытаний ряда устройств микроэлектроники на основе МКМ.
Практическая агниость работы
-
Разработаны и внедрены технические требования к проектированию МКМ с планарной рабочей поверхностью.
-
Даны рекомендации по возможным направлениям использования пленок алмазоподобного углерода при изготовлении устройств микроэлектроники.
-
Разработан способ и изготовлено устройство для создания неразрушающего контакта при контроле в динамическом режиме многовыводных (более 100 контактных площадок) бескорпусных кристаллов микросхем.
-
Спроектированы, изготовлены и внедрены оперативное запоминающее устройство динамического типа с емкостью памяти 64Кх8, устройство предварительной обработки сигналов, СВЧ-усилитель и другие устройства микроэлектроники, созданные на базе МКМ с планарной рабочей поверхностью.
-
Спроектированы, изготовлены и внедрены специальное технологическое оборудование и технологическая оснастка, используемые при создании МКМ с планарной рабочей поверхностью.
Внедрение результатов работы
Материалы диссертационной работы используются в следующих организациях:
-
Физико-технологический институт РАН (г.Москва) - применение специального технологического оборудования для плазмохимического осаждения пленок алмазоподобного углерода, основанного на эффекте электронно-циклотронного резонанса; применение технологического процесса создания многослойных систем межэлементных соединений с повышенными теплоотводящими свойствами.
-
Научно-производственное предприятие "ВОЛНА" Государственное унитарное дочернее предприятие "КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ИНФОРМАТИКИ, ГИДРОАКУСТИКИ и СВЯЗИ" (г. Москва) - применение устройства предварительной обработки сигналов, созданного на базе МКМ с планарной рабочей поверхностью, в радиоэлектронной аппаратуре специального назначения.
-
Институт физической химии РАН (г. Москва) - применение установок для выращивания пленок алмаза методом дугового разряда и осаждения пленок алмазоподобного углерода и других алмазоподобных материалов методом ВЧ-магнетронного распыления и магнетронного распыления на постоянном токе.
-
Кооператив "ВЕКТОР" (г. Москва) - использование технических требований к проектированию МКМ с планарной рабочей поверхностью и к изготовлению комгиекга фотошаблонов.
-
Закрытое акционерное общество Центр новых технологий "ОПТРОН" (г. Москва) - использование магнетрона и блока питания к нему при модернизации установки КАТОД-1М под процесс создания теплоотводящего диэлектрика.
-
Акционерное общество закрытого типа "ТЕХНОМАШ МТ" (г. Москва) -применение специального технологического оборудования и технологической оснастки, используемых при создании МКМ с планарной рабочей поверхностью.
-
Закрытое акционерное общество "МЭНТИС" (г. Москва) - применение оперативных запоминающих устройств динамического типа с емкостью памяти 64Кх8, созданных на базе МКМ с планарной рабочей поверхностью.
-
Общество с ограниченной ответственностью "ГЛЭМОРИНГ" (г. Москва) -применение устройства и способа неразрушающего контроля в динамическом режиме многовыводных (более 100 контактных площадок) бескорпусных кристаллов микросхем, реализованных на базе планарной структуры.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на 3-м Всесоюзном семинаре "Микролитография", Черноголовка (1990); Всесоюзном совешшшн по лазерно-плазменной микротехнологии "Микротехнология-91", Лазаревское (1991); Межотраслевой научно-практической конференции "МКМ-технология. Состояние и перспективы", Звенигород (1993); VI-VIII, X Международных симпозиумах "Тонкие пленки в электронике": Херсон, Украина (1995), Йошкар-Ола (1996), Харьков, Украина (1997), Ярославль (1999); 1 - 3-м Международных симпозиумах "Вакуумные технологии и оборудование": Харьков, Украина (1995, 1998, 1999); 1-й Научно-практической конференции "Новые высокие технологии производства радиоэлектронной аппаратуры", Москва (1996); 2-й, 3-й и 5-й Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в промышленности России", Москва (1997, 1999); 1-й Всероссийской научной конференции "Молекулярная физика неравновесных систем", Иваново (1999); 4-м Международном симпозиуме по алмазным пленкам и родствешшм материалам, Харьков, Украина (1999).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 21 печатная работа (20 статей и 1 информационный листок) и 6 отчетов по НИОКР, получено 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертация
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 237 наименований, приложений. Работа содержит 221 страницу основного текста, в котором имеется 22 таблицы и 82 рисунка.
Многокристальные модули с межэлементными соединениями на подложке
Разработка модулей со структурой кремний-на-кремнии (КНК), существенно более дешевых, чем модули со слоистой структурой, позволила решить многие проблемы, связанные с технологией изготовления недорогих МКМ. Направленная на решение этой задачи разработка, получившая название рамочной приварки проволочных выводов, позволяет найти конструктивную замену технологии создания столбиковых выводов для автоматической приварки к ленте-носителю [7].
В 1992 г., когда специалисты, занимающиеся сборкой, ожидали резкого увеличения объема работ в области коммерческих МКМ, фирма AT&T BELL LABORATORIES (США) разработала дешевые модули со структурой КНК, дающие ей потенциальную возможность организовать их массовое производство, что оправдало ожидания. Согласно утверждению Роберта С. Фрая, члена руководства объединения по исследованию материалов для электроники фирмы BELL LABS (Марри-Хилл, США), основное достоинство новых модулей заключается в возможности уменьшения их размеров, достигаемого за счет интегрирования пассивных комгюнентов [8J.
В настоящее время на двух производственных предприятиях фирмы изучается возможность организации массового выпуска таких модулей. Одно из потенциальных применений потребует выпуска 500 000 модулей в год [8-10].
С целью уменьшения задержек при распространении сигналов в корпусах современных ЙС компания nCHtP Jnc. (Сан-Хосе, США) разработала особую технологию изготовления МКМ. Согласно утверждению компании nCHfP, её Si-платы отличаются от плат конкурирующих изготовителей МКМ наличием диэлектрического слоя диоксида кремния (SK 2). Диоксид кремния дешевле, чем используемый чаще полиимид. Для создания диэлектрического слоя на основе StC 2 требуется меньшее число технологических операций. Диоксид кремния также менее гигроскопичен, чем полиимиды, и его поверхность может быть сделана на порядок более плоской, что позволяет лучше осуществлять компенсацию механических напряжений в подложке
и слоях межзлементных соединений (коммутационных слоях). Помимо этого компания преодолела технические трудности, препятствовавшие формированию слоев SiC 2 толщиной около 20 мкм. Другие изготовители не достигли такого уровня толщины SK 2 при сохранении хорошего качества пленки [7, 11].
Научно-исследовательская программа, полностью ориентированная на Si-подложки, выполняется в настоящее время Великобританией. Она называется: «Исследовательской инициативой в области Si-гибридных ИС (RISH - Research Initiative into Silicon Hybrids)», и представляет собой один из серии проектов, объединяемых общим названием: «Национальные исследовательские инициативы в области электроники» [12].
Для монтажа кристаллов на подложки специалисты, выполняющие программу RISH, выбрали технологию расплавления предварительно нанесенного припоя (метод перевёрнутого кристалла). Как они считают, данная технология позволяет выполнить требования к межэлементным соединениям и на будущее. Кроме того, данный метод уменьшает восприимчивость приборов к возможным повреждениям выводов и позволяет тестировать ИС, не повреждая их контактные площадки. К тому же, при методе перевернутого кристалла, предъявляются умеренные требования по точности совмещения [11, 13].
В отделении AUTONETICS ELECTRONIC SYSTEMS компании ROCKWELL INTERNATIONAL (Анахайм, США), на базе технологии МКМ спроектирована и разработана система на двух процессорах 1750А, предназначенная для автоматического распознавания целей. По словам Джима Спира, управляющего по исследованиям и разработкам в данной программе, задача состояла, как в повышении плотности упаковки, так и в повышении быстродействия системы. Модуль может работать с тактовой частотой 40 МГц и содержит кристаллы ИС, размещенные на Si-подложке с четырьмя слоями АІ-проводников, изолированными друг от друга диэлектрическими слоями полиимида толщиной 6-Ю мкм. На подложке размером 5x6,3 см смонтировано в общей сложности 140 компонентов, в том числе резисторы и конденсаторы. Ширина АІ-проводников составляет 25 мкм. Помимо двух однокристальных микропроцессоров 1750 фирмы PERFORMANCE SEMICONDUCTOR (США) в состав макетного образца модуля входит ЗУПВ суммарной ёмкостью памяти 512 КБайт, ЭСППЗУ с ёмкостью 16 Кбайт, а также последовательный и параллельный порт (рис. 1.1) [11]. Развиваемый фирмой SOCIETE 3D+ (Франция) метод, использующий МКМ-В технологию (В - вертикальная), позволяет интегрировать кристаллы памяти, портативные телефоны и миниатюрные камеры между собой и другими устройствами. МКМ-В представляет собой многослойную конструкцию, в каждом слое которой монтируются на гибких печатных платах элементы схемы. Затем, для создания законченной микросистемы, слои объединяются в общую электронную цепь. Слои могут содержать идентичные и гетерогенные компоненты, такие как, датчики, вторичные источники питания, кристаллы памяти и микропроцессоры.
Кристаллы монтируются на платы с использованием техники, такой же, как при производстве страховых электронных карточек. Точность монтажа - до 10 мкм, для чего используется система предварительно просверленных отверстий. Каждое устройство перед установкой полностью тестируется. Сформированная многослойная структура затем заливается эпоксидной смолой, задубливается для получения формы блока, размеры которого несколько больше, чем у законченного устройства. Лицевые поверхности блока опиливаются, обнажая при этом Си-проводники печатных плат так, чтобы расстояние от края наибольшего кристалла ИС до линии реза составляло 0,2-0,4 мм.
Методы и оборудование для создания многокристальных модулей с планарной рабочей поверхностью
Схемы управления током разряда с магнитным усилителем. Хороших результатов можно достигнуть при применении магнитного усилителя в режиме источника тока. На этом принципе фирмой ALCATEL разработан блок питания для магнетронных распылительных систем MDC5-J (максимальный ток -14 А, мощность - 5 кВт) [85]. Достоинством схемы является высокие надежность и отсутствие необходимости использования специальных устройств для запуска магнетрона, аналогичных приведенным в [76]. Недостаток - большие размеры и вес (MDC-5J -500 кг) по сравнению с источниками питания близкой к ним мощности (SSV7.5 -380 кг, 7,5 кВт; SSV15 -440 кг, 15 кВт [79]).
ВЧ-генераторы. Большинство ВЧ-генераторов, предназначенных для использования в распылительных системах, имеют выходную мощность 1-3 кВт. Однако, эти генераторы с кварцевой стабилизацией частоты представляют достаточно сложные радиотехнические системы [86-88], разработка и создание которых требует значительных затрат. Однако во многих промышленных и исследовательских установках используются значительно более простые ВЧ автогенераторы, построенные по различным схемам [64, 89-94]. Теория подобных схем подробно описана в [95-99]. Наиболее простыми из рассматриваемых генераторов являются одноконтурные, выполненные по схеме индуктивной (f= 13,56 МГц, выходная мощность - 1,5 кВт) [80] или емкостной трехточки (f= 5,28 МГц, 300 Вт) [80]. Основным достоинством приведенных схем является простота в наладке.
Другим вариантом схемы емкостной трехточки является схема, применяемая фирмой ALCATEL [81]. Ее основное отличие от предшествующих состоит в том, что генераторная лампа включена по схеме общей сетки. Выбор такой схемы вызван сравнительно высокой рабочей частотой f = 27,12 МГц.
Общим недостатком схем [79-84] является сильная зависимость частоты генератора от величины нагрузки. Этого недостатка лишен генератор IG2/13500-WLH LEYBOLD-HERAEUS (f= 13,56 МГц, 2 кВт) [66]. Особенностями генератора является использование двухконтурной схемы со связью через общий электронный поток генераторной лампы и заземление анода по постоянному току. Высокое напряжение (-4,5 кВ) подается на катод генераторной лампы. Анодный контур генератора выполнен из медной трубки, через которую пропущена вода, используемая для охлаждения анода генераторной лампы.
Задачей данной работы является поиск путей решения проблем создания многокристальных модулей с планарнои рабочей поверхностью и улучшения теплоотвода от активных элементов многокристальных модулей.
Можно выделить несколько этапов, которые необходимо провести для решения поставленной задачи. Первый этап - анализ известных конструкций и методов создания больших гибридных интегральных схем и многокристальных модулей; выбор диэлектрического материала с хорошей теплопроводностью и возможностью получения из него тонких пленок,
Анализ данных, приведенных в литературном обзоре показал, что для создания известных конструкций многокристальных модулей с планарнои рабочей поверхностью требуется специальное прецизионное оборудование и оснастка. Поэтому необходима другая конструкция многокристальных модулей, для создания которой используется технология, максимально совместимая с существующими процессами и оборудованием. Можно сформулировать требования к разрабатываемым конструкциям многокристальных модулей с планарнои рабочей поверхностью и оборудованию для его осуществления: - профиль рельефа планарнои рабочей поверхности должен быть 2 мкм; - точность позиционирования - ±10 мкм; - возможность применения групповых методов создания межэлементных соединений и автоматизации процессов создания многокристальных модулей. На втором этапе необходимо разработать конструкции МКМ с планарнои рабочей поверхностью; разработать технологии и создать комплекс оборудования для осуществления процесса изготовления МКМ с планарнои структурой.
На третьем этапе в связи с необходимостью отвода тепла, избыточно выделяющегося при увеличении степени интеграции, и выбора для этого алмазоподобного углерода, необходимо исследовать процесс формирования пленок
АУП, провести анализ их фазового состава и строения. Необходимо привлечение для определения фазового состава и строения аморфных и кристаллических фаз, составляющих пленку алмазоподобного углерода, таких методов анализа как рентгеноструктурный, спектроскопия комбинационного рассеяния, оже-электронная спектроскопия, растровая электронная микроскопия и др. Следующим этапом работы является проведение экспериментов по формированию и размерной обработке АУП. Для этого выбраны методы ВЧ и на постоянном токе магнетронного распыления и методы плазменного СВЧ- и ВЧ-разрядов, близких к электронно-циклотронному резонансу. Для обработки пленок алмазоподобного углерода выбраны методы ВЧ-магнетронного распыления и плазмохимического травления,
Заключительным этапом работ является использование разработанной технологии и оборудования для ее осуществления при изготовлении и испытании электронных приборов на основе многокристальных модулей с планарной рабочей поверхностью: оперативного запоминающего устройства с емкостью памяти 64Кх8; устройства предварительной обработки сигналов; СВЧ-усилителя. Корме того, планируется изготовление и испытания многокристальных модулей с использованием разработанных методов и оборудования для формирования и обработки пленок алмазоподобного углерода в качестве теплоотводящего слоя аналого-цифрового преобразователя для видеопамяти.
Оценка механической устойчивости активных элементов многокристального модуля к термическому воздействию
Модернизация существующего технологического оборудования, в основном, касалась установок вакуумной плазменной обработки [153], использующих методы магнетронного или плазмохимического воздействия на объект. Уже описаны изменения коснувшиеся установок ПЛАЗМА-600, ВУП-5, УВН и др. используемых в технологическом процессе создания многоуровневых систем межэлементных соединений на основе АІ и полиимидного лака. При создании и использовании в качестве диэлектрика пленок алмазоподобного углерода также потребовалась модернизация существующего оборудования для их размерной обработки
Модернизация установки ВУП-4. Целью работы являлась разработка оборудования для формирования методом магнетронного распыления на постоянном токе пленок алмазоподобного углерода, пригодных для изготовления многокристальных модулей и других устройств микроэлектроники.
В отличии от работ [116, 124, 125], посвященных модернизации установок серии ВУП, в которых использовались вакуумные камеры, в данной работе роль вакуумной камеры выполняет чашеобразная опорная плита ВУП-4. При этом объем камеры существенно уменьшился (с 14 л до 2,1 л), что привело к значительному увеличению удельной скорости откачки (с 5,7 до 38,5 л/с на 1 л откачиваемого объема) и снижению времени достижения предельного вакуума (6,65-10" Па) до 15 мин. Для устранения влияния опорной плиты ВУП-4, выполненной из магнитомягкой стали, на силовые линии магнитного поля магнетрона, и для обеспечения оптимальных (60-100 мм) расстояний мишень - подложка, магнетрон расположен внутри водоохлаждаемого патрубка из немагнитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т высотой 80 мм. Размещение основных узлов внутри вакуумной камеры и схема источника постоянного тока приведены на рис. 2.20. Нагрев подложек, размещенных на массивном медном нагревателе, до температуры 473 К осуществлялся двумя низковольными (12 В, 5 А) кварцевыми галогенными лампами.
Источник питания имеет трехфазную схему выпрямления. Регулирование мощности, подаваемой на магнетрон, осуществляется изменением внутреннего сопротивления электронной лампы VL1 типа ГУ-81М, включенной последовательно с выпрямителем. Изменение внутреннего сопротивления лампы достигается подачей на ее управляющую сетку отрицательного напряжения через гальванически развязанный от земли источник смещения.
При напряжении на управляющей сетке Ugi = -240 В (верхнее положение резистора R7) лампа полностью заперта, при Ugi = 0 (нижнее положение резистора R7) анодный ток лампы и, следовательно, ток через магнетрон составляет «1 А [154]. Напряжение холостого хода источника питания составляет 1000 В. Управляющее напряжение частотой т=10кГц вырабатывается задающим генератором, выполненном на операционном усилителе DA1 К153УД2, в цепь отрицательной обратной связи которого включен частотнозадающии элемент - двойной Т-мост R3C2R4C1R5C3, и усиливается микросхемой DA2 К174УН7. Усиленный сигнал поступает на первичную низковольтную обмотку разделительного трансформатора Крышка І - зависимость себестоимости от процента выхода годных устройств; 2 - зависимость роста себестоимости от использования ремонта и реставрации. 100 T1. Напряжение со вторичной обмотки выпрямляется диодами VD1-VD4 и фильтруется конденсатором С11. Выбор частоты управляющего напряжения (fr = 10 кГц) обусловлен необходимостью уменьшения постоянной времени цепочки R11C11 в цепи управляющей сетки лампы VL1. Напряжение на вторую сетку лампы подается через резистор R13. Защиту источника питания и магнетрона от перегрузок осуществляет реле максимального тока К1, порог срабатывания которого устанавливается резистором R12. Газы в вакуумную камеру вводятся через раздельные игольчатые натекатели. Контроль давления каждого компонента газовой смеси осуществляется по вакууметру ВИТ-2 с учетом поправочных коэффициентов (1,2-1,3 для Аг и 0,41-0,46дляН2)[155, 156].
Магнетрон рассчитан на применение монолитных и порошковых графитовых мишеней диаметром 30 мм и толщиной 3 мм. Основой магнитной системы магнетрона является цилиндрический магнит (диаметр - 10 мм, высота -13 мм), расположенный в центре магнитопровода. Периферийная часть магнитопровода является полюсным наконечником. Фиксация магнита относительно полюсного наконечника осуществляется сепаратором из немагнитного материала.
Держатель мишени крепится 8 винтами. Магнетрон герметизирован эластомерным уплотнением из резины 9024, размещенным между держателем мишени и корпусом. Распыляемая мишень укладывается в углубление держателя мишени. Корпус магнетрона выполнен из стали 12Х18Н10Т. Магнетрон крепится накидной гайкой, а его электрическая изоляция достигается фторопластовыми втулками [131, 157}.
Обоснование потребности восстановления многоуровневой системы межэлементных связей в устройствах на основе МКМ с планарной рабочей поверхностью. Из анализа данных таблицы 2.3 понятно, что ремонт и реставрация полуфабрикатов МКМ целесообразны только для групп устройств, относящихся к позициям 1, 3, 4 указанной таблицы. Кроме того, для узлов позиции 1, необходимым :словием ремонта являются данные визуального контроля их рабочей поверхности, ( видетельствующие о наличии локальных дефектов (обрывов и коротких замыканий р Аі-проводниках микромодуля). Т.е. необходимо предварительно определить арактер неисправности (неработоспособный кристалл ИС или дефект АІ проводников микромодуля). Условия экономической целесообразности ремонта можно показать на следующем примере. Пусть: А - себестоимость партии устройств из 10 шт., а-себестоимость 1-го устройства, в - себестоимость ремонта 1-го устройства. Допустим, что а = в = 0,2 у.е. (где е - заведомо завышенный по стоимости параметр), тогда график зависимости себестоимости конечного продукта от процента выхода годных приборов в производстве, примет, вид представленный на рис. 2.21. Из анализа графиков отмеченного рисунка становится понятно, что при проценте выхода годных устройств 90%, применение ремонта и реставрации проводников МКМ, даже при заданных жестких условиях, экономически выгодно, т.е. приводит к снижению затрат на производство единицы продукции.
Выбор метода устранения дефектов проводников. Выбор приемлемого, с точки зрения технических возможностей, метода устранения дефектов проводников, можно провести с помощью рассмотрения следующего примера. Пусть, N -количество устройств в партии, п - среднее количество дефектов короткого замыкания в одном устройстве, tcp- среднее время устранения 1-го дефекта. Метод ремонта: лазерная ретушь или дополнительная фотолитография.
Время, затраченное на ремонт всей партии микромодулей при использовании лазерной обработки, составит: N-ncp = 10-6-5 = 300 мин = 5 ч (значение величины tcp получено эмпирически). Тот же параметр для Дополнительной фотолитографии определим с помощью таблицы 2.4.
Устройство предварительной обработки сигналов
Изготовление резистивных матриц. Матрицы низкоомных ( 1 кОм) прецизионных резисторов изготавливаются на керамических подложках (Ст-50) с применением традиционной тонкопленочной технологии ГИС. Материал проводникового слоя - AI, что позволяет использовать УЗ-сварку при формировании внешних выводов матриц. В качестве внешних выводов используется шлейф на ПИ-основе. После изготовления, матрица подвергается тестированию (по карте контроля) и, при необходимости, на ней осуществляется подгонка тонкопленочных резисторов (с применением лазерной обработки). Следует заметить, что наряду с основной своей функцией, рассматриваемая резистивная матрица (РМ) выполняет роль дополнительного слоя коммутации, что значительно упрощает процессы проектирования и изготовления многоуровневой коммутационной подложки.
Подготовка кристаллов АЦП к сборке. На этой операции осуществляется изъятие годных кристаллов из Si-пластины; их визуальный контроль; посадка кристаллов АЦП, с применением УЗ-сварки, на полиимидный кристаллоноситель собственного изготовления. Применение кристаллоносителя на ПИ-основе повышает надежность получаемых сварных соединений, как за счет конструктивных особенностей (прямоугольное сечение выводов, в отличие от круглого у проволочных выводов), так и за счет большей площади контакта создаваемого соединения (размеры выводов кристаллоносителя проектируются в соответствии с размерами соединяемых контактных площадок); снижает переходное сопротивление сварного соединения и вывода в целом (толщина Al-выводов носителя 25-30 мкм, ширина 100 мкм и более, в отличие от фиксированного по диаметру сечения проволочного вывода 7-20 мкм); повышает механическую прочность выводов (как за счет геометрических размеров выводов, так и за счет общности конструкции кристалла 5ИС и кристаллоносителя, обеспечиваемой последующей заливкой мест контакта лаком).
Установленный на полиимидный кристаллоноситель кристалл БИС АЦП проходит полный комплекс контрольных операций на функционирование, по результатам которого принимается решение о его дальнейшем использовании.
Подготовка кристаллов Б533 к сборке. В рассматриваемой микросборке, применено 2 варианта посадки указанных кристаллов на Si-подложку. При первом варианте монтажа кристаллов на подложку, лицевой поверхностью вверх, подготовка их к сборке осуществляется аналогично описанному в предыдущей операции; при втором - процесс подготовки проходит несколько стадий. На первой стадии (рис. 3.6, I), создается планарно-сотовая структура, в которую вмонтированы кристаллы Б533. Наполнителем в структуре служит, полиимидный лак. На второй стадии (рис. 3.6, II), осуществляется формирование внешних выводов кристалла. Оно осуществляется путем электровакуумного распыления, последовательно, Ті и Al на лицевую поверхность ИС Б533 через маску так, чтобы каждая полученная в результате металлизированная дорожка была электрически связана с контактной площадкой кристалла одним своим концом, а другим значительно выступала за его размеры. На последней стадии (рис. 3.6, III), по контуру отверстия в подложке вырезается (механически :или с применением лазерной обработки) кристалл ИС с окружающей его оболочкой полиимидного лака, которые затем, как заготовка для последующих операций сборки и монтажа на подложку, помещаются в тару для межоперационного хранения.
Заготовки ИС Б533 собранные по второму варианту также проходят полный цикл контрольных операций на функционирование, по результатам которого принимается решение о их дальнейшем использовании. Сборка МКМ на Si-подложке. Ввиду наличия двух конструктивных решений исполнения МКМ, сборка также имеет два варианта реализации. Первый, предусматривает: последовательный монтаж вручную на поверхность Si-подложки навесных элементов (АЦП, Б533, РМ и др.); УЗ-сварку на установке ЭМ-423 внешних выводов кристаллоносителей и полиимидных шлейфов с контактными площадками подложки; контроль качества сварки и монтажа. При втором варианте, сначала устанавливаются на подложку лицевой поверхностью вниз и коммутируются ИС Б533, а затем, по аналогии с вариантом 1, монтируются остальные навесные элементы.
Контроль на функционирование. Эта операция выполняется на контрольно-измерительном стенде. По её результатам, полученные макетные образцы сортируются на бракованные (имеются механические повреждения подложки и кристаллов, обнаружен межуровневый пробой изоляции Si-подложки, выявлен отказ двух и более кристаллов ИС и т.д.), годные (передаются на последующие операции), реставрируемые (необходимы: подгонка резисторов, повторная сварка или ремонт сварных соединений, замена ИС Б533 и т.д.).
Сборка МКМ в корпус. Годные микросборки с предыдущей операции устанавливаются в металлостекляный корпус типа 157.29-2. Электрическое зоединение контактных площадок Si-подложки и выводов корпуса осуществляется с применением АІ-лепестков собственного изготовления, обеспечивающих зозможность: коммутации с контактными площадками подложки, с применением УЗ-;варки и присоединения к выводам корпуса с использованием пайки. Для еализации такой возможности, предварительно, один конец А!-лепестка полученного из фольгированной полиимидной пленки), подвергается гальванической обработке с наращиванием слоев Ni-Cu-Ni, обеспечивающих его последующее лужение. Процесс проводится при групповой обработке лепестков. После коммутации выводов корпуса с контактными площадками подложки и контроля качества созданных электрических соединений, устанавливается и разваривается крышка корпуса. Выходной контроль. После корпусирования, МКМ АЦП для видеопамяти проходит полный цикл контроля на функционирование в динамическом режиме на специализированном стенде.
