В. И. Смирнов (987304), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Однако у толстопленочной технологии есть существенное преимущество перед тонкопленочной технологией – онанамного проще и экономичнее.Подложки для толстопленочных ГИС должны соответствовать определенным требованиям. Материал подложки должен иметь высокое объемное иповерхностное удельное сопротивления, низкие диэлектрические потери и высокую теплопроводность.
Подложки должен быть механически прочным и хорошо обрабатываться. Они должны быть достаточно термостойкими и должныобеспечивать хорошую адгезию наносимых на них паст. Наибольшее распространение получили подложки из керамики на основе оксида алюминия.Состав пастПасты включают в себя три составляющие: функциональная составляющая;конструкционнаясоставляющая(постоянноесвязующее)и технологическая составляющая (временное связующее).
Функциональная составляющая представляет собой мелкодисперсные частицы неорганическихвеществ (металлов, оксидов металлов и солей), которые определяют основныесвойства элементов ГИС (проводников, резисторов, конденсаторов и так далее).Конструкционная составляющая – это мелкодисперсные частицы стекла(стеклянная фритта), температура плавления которого ниже температуры вжигания. В частности, широко используются свинцовоборосиликатные стекла стемпературой плавления менее 600 °С. В процессе вжигания расплавленноестекло смачивает частицы функциональной фазы, образуя суспензию, а послеохлаждения и затвердевания образуется механически прочное покрытиес квазиравномерным распределением частиц функциональной фазы.Технологическая составляющая играет роль временной технологическойсвязки, придающей пасте определенную вязкость и пластичность.
Эта составляющая содержит органические вещества (ланолин, канифоль и другие),в которые добавляется растворитель. Растворитель впоследствии испаряетсяв процессе сушки, а органическое вещество разлагается или сгорает при вжигании и полностью удаляется.В зависимости от назначения все пасты делятся на проводниковые, резистивные и диэлектрические.
Функциональной фазой проводниковых паст является мелкодисперсный порошок (размер частиц порядка единиц микрометров)благородных металлов (Ag, Pd, Au), обладающих высокой проводимостью, химической стойкостью и особыми технологическими свойствами, например способностью к сварке и пайке. Обычно соотношение функциональной составляющей и стеклянной фритты примерно равно 9:1.
При таком соотношениикомпонентов возможен массовый взаимный контакт металлических частиц.90Сопротивление таких паст относительно невелико и из них можно формироватьпроводящие дорожки гибридной микросхемы. С целью снижения стоимостипредпринимаются попытки использовать другие более дешевые компонентыфункциональной фазы (Cu, Al, Ni), однако свойства получаемых элементовзначительно хуже, а технологический процесс (в первую очередь операциявжигания) существенно сложнее.Резистивные пасты включают в себя в качестве функциональной фазымелкодисперсные частицы металла (Pd, Ag, W) и оксидов металлов. Частицыоксидов металлов, обладающие изолирующими и полупроводниковыми свойствами, разобщают частицы металла, в результате чего образуются проводящиецепочки, сопротивление которых зависит от соотношения частиц металла и оксида металла.
Варьируя соотношение компонент функциональной фазы и стеклянной фритты, можно получить требуемое удельное сопротивление резистивного слоя. Широкое применение находят серебряно-палладиевые резистивныепасты, функциональной основой которых является палладий и оксид серебра. Кнедостаткам серебряно-палладиевых резистивных паст следует отнести высокую чувствительность к режимам термообработки и относительно низкую стабильность параметров получаемых резисторов. Для получения прецизионныхрезисторов используют пасты на основе оксида рутения RuO2 с добавками оксидов других металлов.
Ограниченное применение находят пасты на основе оксида индия, отличающиеся невысокой стабильностью параметров.Диэлектрические пасты бывают двух видов: для диэлектриковв конденсаторных структурах и для межслойной изоляции. Для конденсаторовобычно используют пасты, функциональной составляющей в которых служитпорошок из сегнетоэлектриков (например, титанат бария BaTiO3), имеющихвысокие значения диэлектрической проницаемости. Для межслойной изоляциииспользуют пасты на основе различных стекол.Основные технологические операцииКак уже отмечалось, основными технологическими операциями изготовления толстопленочных гибридных микросхем являются: нанесение паст наподложкуметодомтрафаретнойпечати;сушкапаст;вжиганиепо определенному температурному профилю; подгонка параметров полученных элементов.Схема установки для трафаретнойпечати элементов толстопленочных ГИСпредставлена на рис.
4.10. Цифрами обозначены: 1 – диэлектрическая подложка;2 – трафарет; 3 – «отпечаток» пасты; 4 –паста; 5 – ракель, с помощью которогопаста продавливается через отверстия втрафарете (ракель обычно делают из резиРис. 4.10. Схема установки длянанесения паст на подложкуны или полиуретана).91После нанесения паст их следует выдержать несколько минут для выравнивания.
Затем производится сушка при температуре 120 − 400 °С в течение20 − 80 мин, в процессе которой испаряется растворитель технологическойсвязки. Для получения качественной адгезии процесс сушки тщательно контролируется. Чрезмерно быстрая сушка (или сушка при слишком высокой температуре) может вызвать появление микротрещин, пузырьков, вспучиваний итак далее, снижающих временную стабильность элементов. Хорошие результаты дает сушка инфракрасным излучением, поскольку испарение растворителя вэтом случае начинается из областей на границе раздела паста – подложка, а нес поверхности пасты (как при обычной сушке в термошкафах).Следующей операцией является вжигание паст в многозонных печах конвейерного типа в воздушной атмосфере.
Печи обеспечивают нужный температурный профиль, который можно условно разбить на четыре участка(рис. 4.11). На первом участке (до 300 − 400 °С) скорость подъема температурыневысокая (около 20 °С/мин). На этом участке происходит выгорание остатковтехнологической связки. Этот процесс долженидти с умеренной скоростью: не слишком быстро и не слишком медленно. При быстром протекании процесса выгорание сопровождаетсяразрушением пленки, возникают пузырения, отслаивание пленки от подложки и так далее. Примедленном выгорании в пленке может остатьсяуглерод, входящий в состав органического свяРис. 4.11.
Температурныйзующего. Если пленка с остатками углерода попрофиль вжигания пастыпадет во вторую температурную зону, где начинает плавиться стекло, то могут возникнуть неконтролируемые реакции,ухудшающие качество элементов ГИС.На втором участке происходит плавление стеклянной фриттыи обволакивание расплавленной стеклянной массой частиц функциональнойфазы. Скорость подъема температуры здесь достигает 50 − 60 °С/мин.На третьем участке происходят сложные физико-химические процессы, определяющие основные параметры элементов ГИС.
Скорость изменения температуры на этом участке должна выдерживаться с точностью ±2 °С/мин,а максимальная температура – с точностью ±1 °С. Четвертый участок температурного профиля соответствует охлаждению подложки до комнатной температуры. Скорость снижения температуры должна быть достаточно медленной,чтобы исключить растрескивание пленки вследствие различия температурныхкоэффициентов расширения пленки и подложки.Электрофизические параметры толстопленочных элементов (сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, временная стабильность итак далее) в значительной степени зависят от качества подложки, вязкости паст,размеров входящих в состав паст частиц, режимов сушки и вжигания, режимовподгонки и многих других факторов. Основную роль здесь играют физико92химические процессы, происходящие в пасте при термическом вжигании.
Рассмотрим эти процессы на примере серебряно-палладиевых резистивных паст, всостав которых входят оксид серебра Ag2O, палладий Pd, стеклянная фритта ирастворитель.На начальной стадии термообработки (при Т < 330 °С) происходит испарение остатков органической связки и диссоциация Ag2O в соответствиис реакцией2Ag2O → 4Ag + O2.С повышением температуры (примерно от 330 °С до 520 °С) начинается окисление палладия:2Pd + O2 → 2PdO.При дальнейшем повышении температуры (приблизительно до 700 °С) происходит образование сплава Pd-Ag в соответствии с реакцией3PdO +2Ag → 2Pd⋅Ag +PdO + O2.При температурах, превышающих 700 °С начинается разложение оксида палладия:2PdO → 2Pd + O2.Таким образом, полученный в результате описанных выше процессов резистор состоит из композиции стекла, Pd, PdO и сплава Pd-Ag.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
