Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

201

нем легирующих примесей) и кинетикой травления по глубине материала, а

также смачивыаемостью травителем поверхности материалов, входящих в со-

став структуры, толщиной пленок материалов и отклонением по толщине.

Более перспективным считается плазменное травление. Оно имеет ряд

преимуществ по сравнению с химическим травлением. Плазменное травление

обеспечивает меньшую дефектность фоторезиста и более высокую разрешаю

щую способность процесса. Кроме того, при плазменном травлении использу-

ются экологически безвредные газы, значительно сокращается число операций

и продолжительность процесса, а также допустимо применение универсального

оборудования для травления любых пленок (диэлектрики, полупроводники, ме-

таллы). Но при плазменном травлении имеют место трудности подбора соот-

ветствующей маски, т. к. 90 % энергии падающего

пучка ионов расходуется на

разогрев подложки и фоторезиста, а фоторезист при воздействии температуры

и облучения проходит дальнейшую полимеризацию, распыляется, изменяет

свои размеры и повышается его связь с поверхностью структуры, что затрудня-

ет его удаление после обработки.

Качество маски для плазмохимического травления (ПХТ) определяется

стойкостью фотослоя при травлении по всей площадке кристалла

и уходом ли-

нейных размеров элементов будущей ИС.

Известные фоторезистивные материалы, применяемые в ПХТ, типа ФП-

617, ФП-626, ФП-РН-7-2, ФП-25 обладают повышенной чувствительностью к

плазме по сравнению с фоторезистами, например ФП-РН-7-2 при химическом

травлении.

В зарубежной технологии производства ИС находят применение для ПХТ

фоторезисты типа AZ-1350.

этот резист стоек при ПХТ без термообработки по-

сле травления, имеет толщину пленки 0,5 мкм, использует травитель – газ

при давлении Р=65±25 Па.

Более высокой стойкостью обладают фоторезисты на основе термостати-

ческих смол – ацетонофенолформальдегидных, циклогексаноформальдегидных

и др. смол.

202

Т. о., интеграция изготовления ИС по «сухой» технологии ограничивается

в основном фотолитографией. На данном отрезке времени ведутся исследова-

ния о разработке фоторезистов для ионно-лазерной технологии. Эти резисты

должны удовлетворять следующим требованиям:

1) наноситься в вакууме слоем пленки в 0,5÷1,0 мкм на п/п, стеклянную

или другую поверхность ИС;

2) слой этого резиста

должен защищать подложку от ионов высокой,

W>10

эВ, энергии;

3) дефектность слоя резиста не должна превышать 0,5 см

-2

;

4) резист должен быть устойчив к фреоновой и аргоновой плазме ионов с

энергией W≈2 кэВ в течение >30 мин;

5) слой резиста должен на 100 % удаляться с подложки под воздействием

кислородной плазмы и лазерного облучения;

6) фоторезист должен обладать разрешающей способностью не хуже 1

мкм;

7) фоторезист не должен изменять свои свойства в обеспыленной

атмосфе-

ре при относительной влажности до 50 % и температуре Т≈+220÷+330 K в тече-

ние 10 ч.

Ведутся также работы по вакуумной лазерной литографии, обеспечиваю-

щей перенос изображения фотошаблона на п/п пластину в вакууме и по совме-

щению нескольких фотошаблонов. При этом лазер на рубиде должен обеспечи-

вать λ=0,69 мкм в

режиме непрерывной генерации и модулируемой добротно-

сти.

В принципе, возможны следующие дефекты фоторезиста:

1) включения типа «сыпи»;

2) локальные разрывы;

3) неравномерность по толщине;

4) непостоянство стойкости резиста (по площади) к проявителю;

5) локальные искажения геометрии элементов изображения рисунка в про-

цессе термообработки;

203

6) локальные дефекты фоторезиста при задубливании, в виде газовых (пу-

зырьковых) включений, как результат выделения молекул нафтохинондиазида

при деструкции;

7) растравы пленки проявителем. Деструкция – нарушение или разрушение

нормальной структуры чего-либо, например деструкция полимера.

Все эти дефекты возникают на стадиях формирования, проявления, термо-

обработки и травления фоторезистивного слоя и приводят к его

деградации.

Прямых, инструментальных, методов контроля качества фоторезиста в

процессе обработки кристаллов пока не существует, поэтому выборочно, по ко-

личеству проколов на 1 мм

, ориентировочно оценивается % дефектных кри-

сталлов на пластине при однократном повторении ТП фотолитографии.

Типы фоторезистов и их основные свойства приведены в таблице 22.1.

Таблица 22.1.

Тип, марка

фоторезиста

Разрешающая

способность,

линий/мм

Спектраль-

ная чувстви-

тельность,

нм

Проявитель Сниматель

фоторезиста

Срок хра-

нения

Негативные, жидкие

ПВС

40÷50 350÷420 Вода 40 ºС

Гидроокись

калия 30÷50 %

3÷5 ч.

ПВЦ

500 350÷410 Трихлорэти-

лен 70 % +

толуол 30 %

Хлористый

метилен 77 %

+ трихлор-

этилен 25 %

1 год

Позитивные

ФП-383

350÷400 480 Тринатрий-

фосфат 5 %

Ацетон 1 год

Сухие негативные

СПФ-2

100÷150 350 Метилхло-

роформ

Хлористый

метилен

6 месяцев

СПФ-АС-1

100÷150 320÷400 Метилхло-

роформ

Хлористый

метилен

6 месяцев

СПФ-ВЩ

100÷150 320÷420 2-% раствор

Гидроокись

калия

(50÷100) г/л

6 месяцев

204

ЛЕКЦИЯ 23

ЭЛЕКТРОМОНТАЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

При сборке соединений на ПП применимы как дискретные ЭРЭ с двумя-

тремя выводами, так и ИМС с плотностью выводов до 60 см

-2

и числом до 260

шт., а также безвыводные и снабженные выводами кристаллодержатели.

Расстояние между выводами колеблется от 2,54 мм до 0,51 мм и менее.

Поэтому получение нескольких десятков на 1 см

-2

многоконтактных со-

единений выводов корпусов с контактными площадками ПП предъявляет высо-

кие требования.

В частности:

1) к выбору контактируемых материалов, это пленки (1÷8) мкм и проволо-

ки из золота диаметром 25÷80 мкм, меди 50÷100 мкм, луженой меди 100÷150

мкм, алюминия 5÷100 мкм, палладия, никеля 10÷50 мкм и др.;

2) к геометрическим размерам выводов 25÷100 мкм и площадок >700 мкм

;

3) к методу (пайка, сварка, накрутка, склеивание) и режимами формирова-

ния соединений, T=+150÷+350

C, t≈0.5÷10 c, P≤10

Н/м

;

4) к уровню автоматизации процесса присоединения выводов;

5) точности совмещения выводов элементов и контактных площадок плат

(около 25 мкм).

По экспериментальным данным установлено, что 50÷80 % всех отказов в

РЭА происходит из-за некачественных электрических соединений.

Факторы, отражающие качество соединений:

1) надежность и долговечность; высокое

2) омическое сопротивление в зоне контакта и его

стабильность в различ-

ных климатических условиях (низкое, высокая);

3) механическая прочность (максимально возможное);

4) значение основных параметров процесса контактирования (минимиза-

ция → температуры, давления, длительности выдержки);

5) возможность сочетания в контакте разнообразных материалов и типо-

размеров;

6) стойкость к термоциклированию;

205

7) недопустимость деградации соединений за счет образований попутных

материалов;

8) обеспечение контроля качества соединений простыми и надежными

средствами;

9) экономическая эффективность и производительность процесса.

Основные методы выполнения электрических соединений, применяемых в

производстве РЭА, следующие:

1) пайка

а) низкотемпературная (≤450

C); а) индивидуальная; (паяльником), б) вы-

сокотемпературная (>450

C); б) групповая; (погружением, волной припоя);

2) сварка

а) давлением (ультразвуковая, электроконтактная, термокомпрессионная);

б) плавление (электронным лучом, лазерным лучом);

3) основанные на упругой и пластической деформации

а) накруткой (обыкновенная, модифицированная и бандажная);

б) обжатием

4) специальные, соединение токопроводящими клеями.

Пайка – соединение металлов в твердом состоянии путем введения в зазор

расплавленного припоя, взаимодействующего

с основным металлом и обра-

зующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит

к образованию паяного шва.

Паяные электрические соединения применяются при монтаже электронной

аппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления, уни-

версальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта.

Недостатки пайки:

1. высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов;

2. длительное воздействие

высоких температур;

3. коррозионная активность остатков флюсов;

4. выделение вредных веществ;

5. оловянная чума.

Сварка – получение неразъемного соединения материалов под действием

активирующей энергии теплового поля, деформации, ультразвуковых колеба-

ний или их сочетаний.

206

По сравнению с пайкой она имеет преимущества: более высокая механиче-

ская прочность соединений; отсутствие присадочного материала; дозированной

тепловой нагрузкой ЭРЭ; уменьшение расстояний между контактами.

К недостаткам относят: критичность при выборе сочетаний материалов;

увеличенное переходное сопротивление при образовании интерметаллов; не-

приемлемость групповых методов электрического монтажа; сложность ремон-

та.

Соединения, основанные на деформации

деталей, проводов или выводов

выполняются в холодном состоянии. Под действием значительных механиче-

ских усилий происходит разрушение оксидных пленок на поверхности элемен-

тов и образование надежного вакуум-плотного соединения.

Это соединение характеризуется высокой механической прочностью, низ-

кой стоимостью, легко поддается механизации, не создает помех в цепях низко-

го напряжения.

Соединение токопроводящими

клеями и пастами, в отличие от пайки и

сварки, не вызывает изменений структуры соединяемых материалов, т. к. осу-

ществляется при низких температурах и давлениях, упрощает конструкцию со-

единений и применяется в случаях неприменимости других способов: в труд-

нодоступных местах, при ремонте и т. д.

Его недостатки (низкой термостойкости, проводимости и надежности

) обу-

словили сравнительно редкое применение в серийном производстве. Сравни-

тельная характеристика параметров электрических соединений сведена в таб-

лицу 23.1.

Выбор метода получения электрических соединений определяется конст-

рукцией контактного узла, материалом деталей, требованиями к качеству, усло-

виями экономичности и производительности.

Таблица 23.1.

Вид соедине-

ния

пер

·10

-3

, Ом

переходное со-

противление

Р, МПа

механическая

прочность

λ·10

-9

, 1/ч

интенсивность

отказов

, град/Вт,

тепловое сопротивление

контакта

Сварка 0,01÷1,00 100÷500 0,1÷2,0 0,001

Пайка 1÷2 60–80 0,2÷0,5 0,0005

Накрутка 2÷3 10÷40 1÷10 0,002

Обжимка 1÷10 20÷50 2÷5 0,0008÷0,001

Склеивание 1÷10 Ом·м 5÷10 10÷50 5

207

Физико–химические основы пайки

Для образования качественного соединения пайкой необходимо: подгото-

вить поверхности деталей; активировать соединяемые металлы и припой; обес-

печить взаимодействие на границе «основной металл–низкий припой»; создать

условия для кристаллизации жидкой кристаллической прослойки.

Подготовка включает удаление загрязнений органического и минерального

происхождений, оксидных пленок, а в некоторых случаях и нанесение

покры-

тий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную

стойкость паяных соединений.

Удаление пленок, препятствующих смачиванию расплавленным припоем,

проводят механическим или химическим (обезжиривание, травление) способа-

ми.

При механической очистке удаляется тонкий слой металла режущим инст-

рументом (резец, шлифовальный круг, шабер и т. д.), наждачной бумагой, про-

волочной щеткой.

Для

повышения производительности при обработке протяженных и слож-

но-профильных изделий (например, ПП) применяют гидроабразивную обра-

ботку (лучше с ультразвуковым взмучиванием) или очистку вращающимися

щетками из синтетического материала с абразивными частицами.

Образование шероховатой поверхности после механической обработки

способствует растеканию флюса и припоя, т. к. риски являются мельчайшими

капиллярами.

Обезжиривание изделий проводят в

растворе щелочей или в органических

растворителях (ацетон, бензин, спирт, четыреххлористый углерод, фреон, спир-

тобензиновые и спиртофреоновые смеси) путем протирки, погружения, распы-

ления, обработки в паровой фазе или в ультразвуковой ванне.

Перед флюсованием изделие подвергается сушке (естественной, сухим го-

рячим воздухом или центрифугированием). Удаление оксидных пленок осуще-

ствляют травлением в растворах

кислот или щелочей. Состав раствора зависит

от вида металла, толщины окисной пленки и требуемой скорости травления.

208

После травления детали тщательно промывают с применением нейтрали-

зующих растворов.

Очищенные детали необходимо в кратчайшие сроки, после сушки, напра-

вить на сборку и пайку, т. к. сроки сохранения паяемости для меди (3÷5) суток,

для серебра 10÷15 суток, для алюминия <0,0001 сек. В ряде случаев перед пай-

кой на поверхность соединяемых деталей наносят покрытие, которые

улучша-

ют процесс смачивания припоем и поддерживают хорошую способность к пай-

ке в течение длительного межоперационного хранения.

В качестве металла для таких покрытий используют различные припои

(ПОС 61, сплав Розе и др.), серебро, золото, палладий и их сплавы, которые

наносят гальваническим или термовакуумным осаждением, а также горячей ме-

таллизацией.

Эти

технологические покрытия позволяют увеличить сроки сохранения

паяемости до 3÷6 месяцев.

На алюминий и его сплавы технологические покрытия наносят с примене-

нием ультразвуковых колебаний. Для этого используют УЗ – паяльники, кото-

рые создают УЗ – колебания в расплаве припоя, или УЭ – ванны при облужива-

нии погружением, но здесь УЗ – источник колебаний выносится за стенки ван

ны, что требует повышенной мощности источника УЗ – колебаний.

Кавитационные явления, возникающие в расплаве припоя под действием

УЗ – колебаний, приводит к разрушении оксидной пленки на поверхности ме-

талла и смачивание ее припоем.

Увеличение срока сохранения паяемости деталей, подготовленных к пайке,

достигается и путем нанесения специальных консервационных покрытий,

большинство из которых не

удаляется при выполнении монтажных операций,

т.к. их состав согласуется с составом применяемого флюса.

Такие покрытия разделяются на два вида:

1) на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт);

2) консервационные, представляющие собой пленки щелочных металлов.

209

Большинство консервационных покрытий вытесняет влагу, их можно на-

носить на влажную, неуспевшую окислиться поверхность детали путем погру-

жения в раствор, кистью или пульверизацией.

Образовавшаяся после испарения растворителя пленка надежно защищает

поверхности металлов от проникновения влаги и окисления в течение (5÷6) ме-

сяцев хранения.

По критерию паяемости все многообразие современных паяемых материа-

лов

различной физико-химической природы делят на следующие основные

группы:

Таблица 23.2.

Группа материа-

лов

Материалы Коэф. растекания

=(h

-h

)/h

Краевой угол

смачивания

α, град

Легкопаяемые

Среднепаяемые

Труднопаяемые

Непаяемые

олово, золото, серебро, медь и

их сплавы

латунь, бронза, никель, цинк,

сталь

нерж. сталь, магний, алюми-

ний, титан, молибден и др.

керамика, стеклокерамика,

ферриты, полупрводники

0,8÷0,97

0,6÷0,82

0,5÷0,6

–

0÷12

5÷20

20÷40

120÷160

Здесь h

– высота припоя до и h

– после растекания.

210

ЛЕКЦИЯ № 24

НАМОТКА

Намоткой

называется технологический процесс укладки провода по опреде-

ленному закону и его закрепления на каркасе для получения заданной индук-

тивности обмоток трансформаторов, дросселей, реле, контуров и др. функцио-

нальных элементов ЭА. Намоточные изделия имеют следующие электрические

параметры:

- индуктивность L, мГн;

- добротность Q=wL/R

;

- собственную емкость

, пФ;

- сопротивление R

, Ом, которое зависит от диаметра провода и технологии

намотки.

Конструктивными параметрами являются:

- шаг намотки p;

- диаметр провода без изоляции d и в изоляции d

из

;

- диаметр каркаса d

;

- расстояние между витками A;

- угол укладки провода

;

- средний диаметр намотки d

ср

Обмотки, наматываемые на каркасы, разделяются на две группы – одно-

слойные и многослойные. Однослойные обмотки

характеризуются малой соб-

ственной емкостью, простотой изготовления и наматываются с шагом d

из

+А, d+А. Они подразделяются на простые рядовые, прогрессивные, бифиляр-

ные и тороидальные. Простая рядовая обмотка

характеризуется малой собст-

венной емкостью и наматывается с шагом р=d

из

или р=d

из

+А. Они применяются

для высокоскоростных контуров, реостатов и т. д. (см. рис. 24.1).