А. Б. Антиликаторов

2.11. Платы микроэлектронной аппаратуры

Дальнейшая микроминиатюризация электронной аппаратуры основана на широком использовании бескорпусных ИМС и микросборок частного применения, что ведет к существенному улучшению массогабаритных характеристик, теплообмена и повышению надежности изделий. Применение бескорпусных ИМС привело к созданию новых методов конструирования, потребовало дальнейшего совершенствования технологии коммутационных плат и внедрения методов микроэлектроники в производство ЭА. Современное конструктивно-технологическое построение ЭА позволило выделить несколько уровней электрических соединений, каждый из которых имеет свои специфические особенности сборки и монтажа: соединение ИМС и БИС на пассивной подложке гибридных ИМС и БИС, соединение гибридных ИМС и БИС на коммутационных платах ячеек, соединения между ячейками в блоке, соединения между блоками в аппаратуре. Таким образом, выделилась новая конструктивно-технологическая общность — микроэлектронная аппаратура (МЭА).

Наиболее распространенными методами коммутации функциональных модулей МЭА являются многослойные печатные платы, толстопленочная многослойная разводка, разводка на многослойной керамике, толстопленочная многослойная разводка на жестких и гибких платах. Для повышения плотности монтажа используют полуаддитивную и аддитивную технологию формирования слоев, а в субтрактивных процессах переходят на тонкую (9 мкм) и сверхтонкую (5 мкм) фольгу. Это позволяет исключать или уменьшать боковое подтравливание линий и изготавливать слои МПП с шириной токопроводящих дорожек 125—250 мкм.
Толстопленочная многослойная разводка выполняется путем последовательного нанесения на жесткую диэлектрическую подложку проводящих и диэлектрических паст методом трафаретной печати и последующего их вжигания. Коммутационные платы могут достигать размеров 100×120 мм, а изготавливают их на керамических основаниях из оксида алюминия (поликор, 22XC) или оксида бериллия (брокерит). Разработанные токопроводящие пасты на основе золота, серебра, никеля или сплавов платина—серебро—золото, палладий—золото, палладий—серебро, палладий—медь—серебро обеспечивают удельное сопротивление 0,005—0,1 Ом/мм². Для межслойной изоляции применяют пасты пленочной технологии.
Необходимость улучшения теплоотвода от мощных радиоэлементов и ИМС при работе в условиях повышенных температур способствовала появлению МПП с разводкой слоев на жестких металлических основаниях. В качестве материала основы используется алюминий, сталь, ковар (сплав железа с никелем и кобальтом), титан, которые покрываются смолой, эмалью или легкоплавким стеклом. Самым экономным материалом из этой группы является сталь с нанесенной пленкой эмали, в состав которой входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия, алюминия или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат, метилметакрилат) и пластификатор. Пленка соединяется с основанием путем прокатки между вальцами с последующим спеканием. Таким образом можно создавать многослойные структуры с различными механическими и электрическими характеристиками.
Изолирующий слой на поверхности алюминия получают нанесением эпоксидной смолы или анодным оксидированием.
Проводящие слои и монтажные переходы осуществляют химико-гальванической металлизацией. Недостатком ПП на металле является снижение быстродействия из-за сильной связи сигнальных проводников с металлическим основанием.
Высокие механическая прочность, химическая стойкость и объемное сопротивление и газовыделение при нагреве привели к созданию многослойных коммутационных плат на керамической подложке путем прессования, литьем под давлением или отливкой пленок. Процесс получения плат из керамических пленок позволяет снижать их шероховатость до 0,02—0,1 мкм, разнотолщинность до ±(0,01—0,05) мм и расширять технологические возможности при изготовлении МПП. Он состоит в следующем.
Мелкоизмельченное сырье (песок кварцевый, марганец углекислый, окисла хрома, глинозем) тщательно смешивают с технологической связкой, состоящей из поливинилбутираля, дибутилфталата, этилового спирта, и загружают в литьевую машину.
Под действием собственного веса керамическая масса равномерно истекает через фильеру и попадает на подложку из полиэтилентерефталата толщиной 30—100 мкм и шириной 120 мм, которая со скоростью 0,6 м/мин разматывается из рулона. Между фильерой и подложкой по всей ее ширине устанавливается одинаковый зазор 0,15—0,2 мм, который определяет толщину заготовки.
После отливки керамическую пленку разрезают на отрезки длиной 150—200 мм, собирают в пакеты и уплотняют, пропуская через вальцы. Заготовки вырубают на гидравлическом прессе, пробивают монтажные отверстия, либо используют в сыром виде и либо обжигают в печи сначала при температуре 1100 °С в течение часа, а затем при температуре 1600 °С в течение 24 ч. Полученные пластины шлифуют алмазными кругами для обеспечения разнотолщинности не более 25 мкм, относительного отклонения от плоскопараллельности не более 10 %, высоты микронеровностей 0,1—0,5 мкм.
Размеры керамических ПП не превышают 150×150 мм. Существуют два варианта получения многослойных керамических плат (МКП). По первому варианту проводят раздельное спекание слоев, последовательно наращиваемых на готовую керамическую подложку, металлизированную по толстопленочной технологии. Процесс обеспечивает получение МКП с числом слоев до 10.
Для металлизации отверстий применяется та же проводящая паста, что и для создания проводников. Заполнение отверстий пастой происходит либо за счет ее всасывания посредством вакуума, либо путем прессования между двумя слоями.
По второму варианту сначала изготавливают листы из пластифицированной керамики с отверстиями для межслойных переходов. На них по толстопленочной технологии наносят рисунок слоя токопроводящими пастами, выполняют переходы с одного слоя на другой, затем из листов составляют пакет и совместно спекают (рис. 2.37).

Рис. 2.37. Многослойная керамическая плата: 1 – цепи питания; 2 – БИС: 3 – контактная площадка; 4 – столбик припоя; 5 – 8 – слои; 9 – выводы
Метод позволяет изготавливать МКП с числом слоев до 20—30 с минимальной шириной проводников 0,4 мм и диаметром переходных отверстий 0,15 мм. Недостатком этого метода является 17—20 %-й разброс геометрических размеров плат от партии к партии из-за большой усадки керамики при обжиге, что препятствует автоматической сборке и тестовому функциональному контролю.
Многослойная разводка на гибких полимерных платах является одним из перспективнейших направлений в области монтажа МЭА, так как позволяет принимать форму корпуса любой конфигурации, обеспечивает малые толщины и массу, ударопрочность. Она эффективна при создании межячеечной и межблочной коммутации. Для ее изготовления используется полиэфирная, фторопластовая или полиэтиленовая пленка, обладающая высокими удельным объемным и поверхностным сопротивлением, низкой диэлектрической проницаемостью, хорошей теплопроводностью, радиационной стойкостью, минимальным газовыделением в вакууме. Но эти пленки плохо травятся, обладают низкой рабочей температурой, большой усадкой. Этих недостатков лишена полиимидная пленка, которая наряду с высокой прочностью на растяжение и термостойкостью (400 °С) хорошо травится в сильных щелочах.
Получают гибкие МПП по субтрактивной, полуаддитивной и аддитивной технологии. Переход с одного слоя на другой осуществляют химико-гальванической металлизацией. Технологический процесс изготовления слоев МКП на полимиидной пленке осуществляется по двум вариантам: на вакуумно-металлизированной и химически-металлизированной основе. Для первого процесса принята следующая технологическая цепочка: вакуумная металлизация — обезжиривание — сушка — декапирование — промывка — гальваническое меднение — никелирование — нанесение сплава олово—висмут. Второй процесс включает травление диэлектрика в растворе щелочи для придания шероховатости и повышения адгезии металлизации, сенсибилизацию в растворе SnCl₂, сушку, экспонирование через фотошаблон, активирование в растворе PdCl₂, химическую и (при необходимости) электрохимическую металлизацию.
МКП на полиимидной пленке формируются на базе двусторонних гибких коммутационных плат. Гибкие платы из полиимида имеют толщину 25—50 мкм. Материалу наряду с высокой прочностью на растяжение, хорошими изоляционными свойствами, химической стойкостью, несгораемостью присущи свойства, которые делают его незаменимым в процессах, связанных с вакуумным осаждением пленок и фототравлением. Это прежде всего наиболее высокая среди полимеров температурная устойчивость (он не теряет гибкость при температурах жидкого азота и в то же время выдерживает температуры эвтектической пайки кремния с золотом до 400 °С), отсутствие существенных газовыделений в вакууме при температуре 250 °С, высокая радиационная устойчи-вость и, наконец, способность к равномерному травлению в сильных щелочах.
К недостаткам полиимидных пленок можно отнести несколько повышенное водопоглощение и относительно высокую стоимость их производства, которая, однако, не столь существенна для изделий МЭА ввиду малой массы потребляемого материала. На рис. 2.38 представлена схема изготовления двухуровневой коммутации на основе полиимидной пленки.

Рис. 2.38. Схема изготовления двухуровневой коммутации на полиимидной пленке

Вначале с помощью двустороннего фототравления за один цикл формируются отверстия диаметром 20—30 мкм и диаметром 50—70 мкм на пленке толщиной 50 мкм в количестве нескольких тысяч на площади 60×48 мкм и нескольких десятков тысяч на площади 100×100 и 150×150 мм. При двустороннем фототравлении полиимида достигается благоприятная для вакуумной металлизации конусообразная форма отверстий, а проколы в пленке фоторезиста не вызывают появления лишних отверстий (травление на этих участках происходит приблизительно на половину толщины платы).

Вакуумная металлизация полиимида слоем Cr—Cu толщиной 1—2 мкм позволяют достигать большей равномерности, воспроизводимости и силы сцепления с подложкой, чем другие способы. После избирательного усиления металлизации слоем гальванической меди с защитным покрытием из электрохимических сплавов олово—висмут, олово—никель или олово—свинец получается двусторонняя коммутационная плата, которая обладает высокой надежностью мест пересечений и переходов. Для защиты слоев меди и обеспечения качественной пайки и сварки на контактных площадках гибких схем проводится электрохимическое осаждение олова с присадками висмута или свинца (3—5 мкм), никеля (1—2 мкм) и золота (1—2 мкм).
Установка гибких коммутационных плат на жесткое основание может быть выполнена различными способами в зависимости от выбранной конструкции микросборок и ячеек. Наиболее простым способом является приклейка гибкой двуслойной платы на жесткое основание с контактными площадками для соединения через фигурные изоляционные прокладки из полиимида, причем соединение с контактными площадками производится путем пайки через переходные металлизированные отверстия в двуслойных платах — там, где они не изолированы полиимидными прокладками. Усилие разрушения паяного соединения составляет в среднем 0,5 Н для отверстия 70 мкм и 2,3 Н для отверстия диаметром 250 мкм. Пайка в вакууме позволяет обеспечивать наиболее воспроизводимые условия протекания группового процесса, так как в этом случае нет необходимости ограничивать время пайки из-за окисления жидкого припоя. Этот фактор является в данном случае чрезвычайно важным ввиду того, что пайка происходит на развитой поверхности с регулярным расположением соединений. Кроме того, снижение парциального давления кислорода в камере пайки способствует диссоциации оксидов и, следовательно, улучшению смачивания отверстий припоем.
В ТП изготовления двусторонних коммутационных плат, несмотря на его прототу, имеется ряд особенностей, которые определяют в конечном итоге специфику получения качественных плат. К ним необходимо отнести следующие: качество исходной полиимидной пленки; активацию поверхности, без которой хорошее контактное взаимодействие с вакуумосажденным слоем металла невозможно; обеспечение равномерности травления до десятков тысяч отверстий в пленке; точное совмещение рисунка отверстий с рисунком коммутации на обеих сторонах несмотря на усадку пленки; гарантированную металлизацию переходных отверстий.