Высшее профессиональное образование

Физико-химические основы технологии электронных средств

Допущено

Учебно- методическим объединением вузов

по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия

для специальности 654300 и 551100 "Конструирование

и технология электронных средств»

Оглавление

Стр.

Введение…………………………………………………………………………………….

Раздел 1……………………………………………………………………………………..

Раздел 2……………………………………………………………………………………..

Раздел 3……………………………………………………………………………………..

Раздел 4……………………………………………………………………………………..

Раздел 5……………………………………………………………………………………..

Раздел 6……………………………………………………………………………………..

Раздел 7……………………………………………………………………………………..

Заключение………………………………………………………………………………….

Приложение 1……………………………………………………………………………….

Приложение 2……………………………………………………………………………….

Приложение 3……………………………………………………………………………….

Приложение 4……………………………………………………………………………….

Приложение 5………………………………………………………………………………..

Принятые сокращения

ЭА – электронная аппаратура

ЭВС – электронно-вычислительные средства

ЭВМ – электронно-вычислительные машины

РЭА – радиоэлектронная аппаратура

Предисловие

Одна из главных целей высшей школы – научить будущих специалистов ставить и решать задачи в определенной предметной области. Для этого студенты должны не только изучить профессиональную предметную область, но и овладеть приемами и методами анализа проблемы, постановки и решения задач. Все это определяет профессиональный потенциал специалиста и его творческие возможности изобретательно подходить к решению различных проблем.

Введение.

Решение задачи – это сложный и многогранный мыслительный процесс, в котором важными составляющими являются, во-первых, понимание задачи и, во-вторых, психологическая готовность к решению. Последнее достигается уверенностью в своих силах, которое основано на осознанном владении приемами и методами решения задач.

Физические, химические и электрохимические процессы

в производстве ЭВС

Современное производство электронной аппаратуры невозможно осуществить без использования химических и электрических процессов.

Современный инженер-электронщик должен очень хорошо представлять и формулировать требования к особо чистым материалам, используемым для изготовления полупроводниковых, тонкопленочных и толстопленочных интегральных схем, технологической оснастки. Необходимо в совершенстве знать свойства таких особо чистых материалов, чтобы не “испортить” их в процессе хранения и эксплуатации.

В процессе изготовления интегральных схем необходимы операции очистки, травления, диффузии, эпитаксии, окисления, химического и гальванического осаждения материалов. Это все химические и физико-химические процессы, причем не вспомогательные, а основные процессы формирования интегральных схем, каждый из которых во многом определяет параметры и выход годных приборов. Для понимания этих процессов и правильного их проведения необходимы знания не только закономерностей гомогенных и гетерогенных реакций и электролиза, но и кристаллографии и кристаллохимии. Хранение полупроводниковых и гибридных интегральных схем — тоже проблема, требующая знания процессов адсорбции, окисления, так как эти процессы приводят к изменению свойств материалов и их электрофизических параметров.

Особое место занимают процессы фотолитографии в технологии производства как интегральных схем, так и печатных плат ЭВМ и РЭА. Инженер-электронщик должен хорошо знать свойства полимеров, применяемых для фоторезистов, изменение этих свойств под воздействием облучения, кислотных и щелочных сред, термической обработки, а также оборудование, на котором производятся процессы фотолитографии.

В современной ЭВА большое место занимает производство печатных плат. Существует несколько методов их изготовления, однако в основе любого лежат химические и электрохимические процессы. Эти процессы необходимо знать достаточно глубоко для получения высокой производительности и высокого качества изделий и правильной эксплуатации аппаратуры, собранной на печатных платах.

В ЭВА широко применяются специальные покрытия материалов для придания им коррозионной стойкости, теплостойкости, магнитных свойств и пр. Эти покрытия могут осуществляться как приданием поверхностному слою материала специфических свойств ( оксидирование, фосфатирование, цементирование и др.), так и осаждением на поверхность пленок других материалов. Например, около 40% мирового производства цинка, 30% олова и 10 % никеля используется на образование защитных покрытий металлов. В электронной промышленности широко используется золото, платина, серебро, палладий. Эти покрытия и защитные слои из основного металла изготовляются химическими и электрохимическими методами.

Широкое применение имеет электрохимическая обработка деталей. Этот метод позволяет шлифовать и полировать материалы, изготавливать детали сложного профиля без нарушения поверхностного слоя материала, которое сопровождает обычные процессы обработки резанием, штамповки, литья.

Изготовление современной электроники требует применения плазменных методов обработки, лазерных технологий, ультразвука и других технологий, в основе которых лежат физические эффекты.

Легко заметить, что все многочисленные темы курса связаны всего с тремя технологическими задачами: удаление материалов с поверхности, нанесение материалов на поверхность и модификация поверхностей.

Рис. В.1. Направления современных технологий ЭВС

Химические, физические и электрохимические методы обработки материалов можно классифицировать по трем признакам :

1. По целевому назначению

2. По характеру технологической среды

3. По способу воздействия на основной материал

Классификация по целевому назначению представлена на рис. В.2

Рис. В.2. Целевое назначение технологий

Технологические среды могут быть самые различные (см. рис. В.3.)

Рис. В.3. Технологические среды

В самом общем виде все рассмотренные технологии можно разнести по трем группам (см. рис. В.4).

Рис. В.4. Обобщение целей технологических процессов

Технологическая обработка изделий в учебнике укрупненно рассматривается с позиций технических полей МАТХЭМ (рис. В.5).

Рис. В.5. Технические поля МАТХЭМ используемые в технологических процессах

Пример технических полей для удаления : механическое – шлифовка, акустическое – ультразвуковая размерная обработка (УЗРО), тепловое поле – выжигание, испарение, вымораживание, ….

Пример технических полей для нанесения : механическое поле: …

Пример технического поля для модификации: механическое поле – наклеп, акустическое поле УЗ закалка, тепловое поле – термозакалка

Часто в технологиях участвует не одно поле, а несколько различных полей.

Перечень различных полей выглядит в настоящее время так.

МЕХАНИЧЕСКОЕ

Простые механические усилия в различных направлениях, давление (повышение или понижение), инерционные, гравитационные силы, вибрации, удары, силы трения, центробежные силы

АКУСТИЧЕСКОЕ

Акустическое поле продолжает перечень действий механического поля: колебания звуковые, ультразвук, инфразвук

ТЕПЛОВОЕ

Нагрев или охлаждение

ХИМИЧЕСКОЕ

Использование химических реакций

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ

Электростатическое поле, поле электрического тока: переменного или постоянного

МАГНИТНОЕ

Поле постоянных магнитов, постоянного или переменного электрического тока.

Поля чаще всего связаны со “своими” веществами:

• химическое поле - с различными катализаторами, ингибиторами, особо активными или инертными веществами, ПАВ

• электрическое поле - с заряженными частицами

• магнитное поле - с ферромагнитными материалами

Анализ технологий изготовления электронных средств показал, что каждое из приведенных технических полей можно в принципе использовать для удаления, нанесения и модификации поверхности деталей и формирования заданной конфигурации элементов, составляющих электронные структуры.

Раздел 1. УДАЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

Описать базовые физические и химические эффекты технологий очистки и травления (растворение, диффузия, адгезия и когезия, поверхностное натяжение, испарение, конденсация, кавитация …)

1. Очистка поверхности в процессе изготовления ЭВА и РЭА

Для качественного выполнения целого ряда технологических операций требуется предварительная подготовка поверхностей деталей. Рассмотрим наиболее частый вид подготовительной операции – очистку поверхности изделий.

Технологически чистой считается поверхность, на которой концентрация загрязнений не препятствует воспроизводимому получению заданных параметров приборов и микросхем и их стабильности.

От качества очистки зависит качество последующих операций, например, нанесение покрытий, термообработка, фотолитография, легирование и т.д. Известно, что современные тех. процессы изготовления СБИС состоят из нескольких сотен операций, среди которых почти половина — очистка и травление.

Методика очистки зависит от того, какие именно загрязнения имеются на поверхности заготовки или детали (изделия). К типичным загрязнениям относятся физические, органические, химические, ионные и атомные (см. рис.1.1).

Рис. 1.1. Простейшая классификация загрязнений

Физические загрязнения. Обусловлены физической адсорбцией и подразделяются на неорганические (пыль различного происхождения, абразивные частицы) и органические (клеи, жировые пленки, остатки ионообменных смол из промывочной воды, частицы фоторезиста, микроорганизмы размером от 1 до 20 мкм, частицы эпителия оператора и т. д.). Физическая адсорбция загрязнений к поверхности материала детали происходит в результате межмолекулярного взаимодействия, вызываемого силами Ван-дер-Ваальса, а также электростатической поляризацией (кулоновского взаимодействия заряженных частиц).

Органические загрязнения можно разделить на полярные и неполярные. Полярные — жиры, белки, остатки поверхностно-активных веществ. Их молекулы, как правило, ориентированы на поверхности и, притягиваясь, способствуют сокращению площади загрязнения. Неполярные — минеральные масла, парафины, вазелины. Их молекулы имеют высокую поверхностную энергию и способны покрывать большие площади.

Нерастворимые в воде органические жировые загрязнения делают поверхность деталей гидрофобной, т. е. плохо смачиваемой водой. Для равномерной очистки поверхность необходимо перевести в гидрофильное, т.е. хорошо смачиваемое водой состояние. Удаление жировых загрязнений, сопровождаемое переводом поверхности из гидрофобного состояние в гидрофильное называют обезжириванием.

Химические загрязнения. Связаны с поверхностью материала силами химической адсорбции (хемосорбции). При этом образуются прочные ковалентные или ионные связи между атомами адсорбированного вещества и поверхности. Химические загрязнения бывают ионными и атомными.

Ионные загрязнения — растворимые в воде соли, кислоты, основания, осаждающиеся из моющих и травильных растворов, полирующих суспензий, металлических режущих дисков и т.п.

Атомные загрязнения — осаждающиеся в виде микрозародышей атомы золота, серебра, меди, железа, имеющиеся в хим. реактивах. Они могут покрывать всю поверхность и даже образовывать микрослои.

Каждый вид производства имеет свои характерные загрязнения.

Электронная промышленность — следы кислот и щелочей, остатки флюсов, выплески припоев.

В оптической промышленности — клеевые смолы, канифоль, тальк, бакелитовый лак, воск.

Электротехническое производство — пропиточные лаки, флюсы, эмали, графитовые смазки.

В микроэлектронном производстве — абразивные и клеящие материалы, пыль в производственном помещении, технологические среды, органические и неорганические реагенты, вода, а также связанные с участием человека в производстве: одежда, эпителий, косметика, бактерии, вирусы, отпечатки пальцев оператора.

В механическом производстве — абразивы, СОЖ, металлическая пыль, ржавчина, ржавчина и смазка, ржавчина и антикор. Удаление двух последних — довольно трудоемкий процесс.

Для удаления разнообразных загрязнений используют целый спектр технологий, обеспечивающих требуемое качество очистки (см.рис. 1.2).

Рис. 1.2. Наиболее распространенные методы очистки деталей и заготовок