ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

(наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом)

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Укрупненная группа 210000 Электронная техника, радиоэлектроника и связь (номер и наименование укрупненной группы)

Направление 210200.62 Проектирование и технология электронных средств

(номер и наименование направления, специальности)

Факультет Радиотехнический____ Кафедра Конструирование и производство РЭА____

Красноярск СФУ 2007

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Лекция 1. Предмет технологии производства электронных средств 4

Лекция 2. Производственный и технологический процессы 11

Лекция 3. Средства технологического оснащения производства РЭА 20

Лекция 4. Печатные платы 30

Лекция 5. Методы формирования рисунка схем 41

Лекция 6. Сеткографический метод 48

Лекция 7. Фотохимический метод 58

Лекция 8. Фоторезисты 68

Лекция 9. Химическое травление 76

Лекция 10. Электрохимическая металлизация 82

Лекция 11. Химическая металлизация 98

Лекция 12. Сборка компонентов на печатных платах 114

Лекция 13. Методы выполнения электрических соединений 121

Лекция 14. Монтаж компонентов на печатной плате 128

Лекция 15. Физико-химические основы пайки 135

Лекция 16. Материалы для пайки 143

Лекция 17. Технологии групповой пайки 157

Лекция 18. Технология сварки 165

Лекция 19. Материалы для микросварки 172

Лекция 20. Нанотехнология 189

Лекция 21. Формирование микроконтактов 201

Лекция 22. От микро- и наноэлектроники к квантовым компьютерам 209

Лекция 23. LIGA технология 228

Лекция 24. Электронно-лучевая технология 242

Лекция 25. Молекулярно-лучевая эпитаксия 254

Лекция 26. Ионное плакирование 261

Лекция 27. Лучевые методы литографии 267

Лекция 28. Лазерные технологии 276

Лекция 29. Газофазная эпитаксия 284

Лекция 30. Золь-гель технология 295

Лекция 31. Технология жидкофазной эпитаксии 305

Лекция 32. Большие гибридные интегральные схемы 317

Лекция 33. Коммутация БГИС 325

Лекция 34. Монтаж кристалла к плате 332

ОГЛАВЛЕНИЕ 340

3

ВВЕДЕНИЕ

Курс “Технология производства электронных средств” является базой

для многих специальных дисциплин конструкторско-технологического про-филя. Широкое распространение радиоэлектронных устройств во всех отрас-лях народного хозяйства вызывает необходимость получения специалистами всех специальностей основ теоретических и практических знаний по сущест-вующей технологии разработки, изготовления и эксплуатации РЭА.

Технология, согласно этимологии, переводится с греческого языка «знаю, как» или «умею», что свидетельствует о насущной необходимости ос-воения технологических знаний, без которых невозможен прогресс общества.

Технология радиоэлектронной аппаратуры базируется на изготовлении печатных плат, как основного элемента, несущего электрическую схему и за-крепляющего электрорадиоэлементы. Важная роль в создании качественной аппаратуры принадлежит технологии монтажных соединений.

Современная микроэлектроника базируется на технологии тонких пле-нок, которая развивается, совершенствуется и является одним из наиболее актуальных направлений в современной науке. Именно пленочные техноло-гии обеспечивают расширение возможностей современной радиоэлектрон-ной и микроэлектронной аппаратуры, увеличивают степень интеграции эле-ментов, позволяют оптимизировать логику элементов и теплообмен.

Пленочные технологии призваны заменить массивные монокристаллы и твердые материалы покрытиями, обладающими аналогичными им свойст-вами. Интенсивное развитие пленочной технологии во второй половины XX века обусловило значительные успехи в получении монокристаллических, поликристаллических и аморфных пленок с регулированием их состава, структуры и свойств, при этом стало возможным получение покрытий с ультрадисперсной структурой. Последнее обеспечивает проявление новых свойств и способствует переходу на высокие функциональные уровни эле-ментов. Подобные материалы могли бы улучшить характеристики таких раз-личных устройств и изделий, как лазеры, фотопленка, электрочувствитель-ные люминофоры, магнитные накопители, суперкомпьютеры. Тонкие пленки кластеров с подходящими электронными свойствами могут представлять большой интерес для микроэлектроники (наноэлектроники в будущем).

4

Лекция 1

ПРЕДМЕТ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Модуль 1. Технология производства, как один из важнейших этапов создания электронных средств

Тема 1. Предмет технологии производства электронных систем. Производственный и технологический процессы

План лекции

1.1. Технология, как важнейший этап в создании электронных схем 1.2. Высокие технологии 1.3. Этапы развития технологии радиоэлектронных средств 1.4. Типы производств

1.1. Технология, как важнейший этап в создании электронных средств

Современный научно-технический прогресс невозможен без радио-электронной аппаратуры (РЭА), которая широко используется как при пла-нировании и управлении производством, так и в автоматизации производст-венных процессов, в научных исследованиях.

Курс “Технология производства электронных средств” является базой для многих специальных дисциплин конструкторско-технологического про-филя. Широкое распространение радиоэлектронных устройств во всех отрас-лях народного хозяйства вызывает необходимость получения специалистами всех специальностей основ теоретических и практических знаний по сущест-вующей технологии разработки, изготовления и эксплуатации РЭА.

Современный специалист – это специалист широкого профиля, соче-тающий глубокие фундаментальные знания и практическую подготовку для работы в области науки и техники.

5

Знания физико-химических основ технологии дают большой простор инженеру-технологу для проявления своего творческого потенциала и повы-шения эффективности технологического процесса, а, следовательно, произ-водства в целом.

Технология это совокупность знаний и производственных возможно-стей для выпуска конкретной продукции. Технологии являются важнейшим фактором конкурентоспособности и процветания национальной экономики. Технологии определяют обороноспособность страны.

Производство электронных средств оснащено сложным оборудованием и требует соблюдения высокой чистоты в производственных помещениях (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Цех микроэлектроники

Глобальных технологических направлений в мире около 50. Техноло-гия электронных средств – одно из них.

Технология – это сплав науки и искусства по воплощению идей созда-ния новой техники.

Технологии являются высоколиквидным товаром. Объем продаж вы-соких технологий в мире в несколько раз превышает объем продаж сырья, включая нефть, газ и древесину.

Технология электронных средств является одной из наукоемких отрас-лей промышленности. Технология электронных средств определяет состоя-

6

ние техники, радиоэлектроники, телевидения, связи. Электронные средства проникли во все сферы нашей жизни, они являются базой обороноспособно-сти нашей страны.

1.2. Высокие технологии

Уровень развития электронной техники в первую очередь зависит от технологии. Сейчас мы говорим о высоких технологиях. Этот термин вклю-чает:

Наукоемкие технологические процессы

Моделирование операций, технологических процессов и систем

Автоматизация, контроль процессов, авторегулирование;

Комплексное оборудование (автоматические линии, роботы, элек-тронно-лучевые и лазерные установки, рентгеновское оборудова-ние)

Высокие технологии базируются на организации и культуре производ-ства, элементной базе и степени развития ряда прикладных и фундаменталь-ных наук. Понимание физико-химических процессов изготовления электрон-ной аппаратуры определяет способы их осуществления (например, в процес-се пайки необходимо рассмотреть процессы диффузии, реакции образования твердых растворов или интерметаллидов). Поэтому важно разобраться в хи-мических процессах: межмолекулярном взаимодействии, хемосорбции, реак-тивной диффузии и др., на которые накладываются физическая диффузия, тепломассообмен, адсорбция, испарение. От понимания этих процессов зави-сит технико-экономическая эффективность технологии и рентабельность производства.

Технология радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) включает:

очистку поверхности различными способами;

формообразование, травление;

получение твердых слоев различных материалов;

изготовление деталей и узлов приборов и систем;

монтаж электрических соединений;

сборку компонентов на печатных платах и т.д.

В основе критериев для выбора той или иной технологии лежат такие характеристики радиоэлектронных устройств как величина выходной мощ-

7

ности, диапазон используемых частот, требуемое быстродействие, требова-ния к надежности, условия эксплуатации и др.

1.3. Этапы развития технологии радиоэлектронных средств

Технология РЭА имеет чрезвычайно высокие темпы развития в соот-ветствии с передовыми научными разработками. За истекшие 50 лет про-изошла смена 4 поколений РЭА в результате создания и совершенствования новой элементной базы, новых методов конструирования и формообразова-ния и новых материалов и технологий изготовления компонентов приборов и устройств.

В развитии радиоэлектронной аппаратуры можно выделить несколько этапов, на которых количественные изменения в технологии изготовления отдельных элементов РЭА вызвали качественные изменения в технологии сборки и монтажа радиоэлектронных приборов в целом.

Материальные затраты, переходя от одного поколения к последующе-му уменьшаются в десятки раз в результате совершенствования технологии, однако, потом они быстро растут по мере повышения функциональной слож-ности и увеличения степени интеграции БИС.

На первом этапе основными элементами РЭА были резисторы, конден-саторы, катушки индуктивности, электровакуумные и позже полупроводни-ковые приборы. Все эти элементы изготовляли в виде конструктивно закон-ченных деталей, укрепляемых на шасси с помощью опорных поверхностей, а их выводы соединяли соответствующим образом проводниками с помощью пайки. В дальнейшем этот вид монтажа получил название навесного монта-жа.

На втором этапе, когда появился метод печатного монтажа, удалось уменьшить габариты РЭА и повысить ее надежность. Развитие метода печат-ного монтажа привело к появлению интегральных микросхем. В печатных платах сначала заменили резисторы токоведущими дорожками из материала с большим удельным электрическим сопротивлением, затем конденсаторы - разрывами в токоведущих дорожках, заполненными соответствующим ди-электриком. Такие платы с подпаянными к ним бескорпусными полупровод-никовыми приборами получили название гибридных интегральных микро-схем.

8

Появление на третьем этапе развития РЭА интегральных микросхем открыло перед радиоэлектроникой практически неограниченные возможно-сти. Развитие технологии изготовления интегральных схем шло по пути воз-растания их сложности, увеличения числа элементов, степени интеграции. В результате этого появились сначала большие (БИС), а затем и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. В перспективе ожидается, что в кристалле раз-мером 12х12 мм число элементов достигнет I млн.

Каждый новый этап развития технологии изготовления РЭА не отрицал и не исключал ранее разработанную технологию и ранее применявшиеся элементы РЭА, а дополнял и обогащал ее, обеспечивал качественно новый уровень разработки, изготовления и эксплуатации аппаратуры. Поэтому на-ряду с интегральными микросхемами в новых разработках широко исполь-зуются в качестве элементов РЭА и дискретные транзисторы и электронные лампы. При решении каждой конкретной задачи при выборе элементной ба-зы и соответствующей ей технологии изготовления радиоэлектронного уст-ройства необходимо учитывать достоинства и недостатки каждого поколения РЭА.

На заводе «Микрон» в Зеленограде был проведен комплекс разработок по созданию элементной базы высокого уровня для бытовой аудио- и видео-аппаратуры: микросхемы, процессоры, модули, плоские экраны на основе жидких кристаллов. Совершенствуются программные и инструментальные средства проектирования. Внедрена система САПР для СБИС и АРС, ориен-тированная на открытые вычислительные системы «Проектирование с уче-том технологичности». Ведется строительство модуля следующего поколе-ния с площадью чистых производств 4000 м2 с техническими зонами класса чистоты 1. Девиз предприятия «Лидерство. Стабильность. Традиции». «Мик-рон» поставляет кристаллы для корейской компании «Самсунг».

1.4. Типы производств

В соответствии с ГОСТ 14.004-83 современное производство разделя-ется на различные типы: единичное, серийное и массовое.

Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры и малым объемом выпуска изделий. На рабочих местах выполняются разнооб-разные технологические операции, используется универсальное оборудова-

9

ние, квалификация рабочих очень высокая, уровень механизации низок. По-этому аппаратура единичного производства имеет очень высокую стоимость.

Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и боль-шим объемом выпуска изделий. На каждом рабочем месте закрепляется вы-полнение одной операции. При этом используется специальное высокопро-изводительное оборудование, связанное транспортными устройствами и кон-вейерами. Широко применяются автоматические линии и автоматизирован-ные производственные системы, управляемые от ЭВМ. Средняя квалифика-ция рабочих в массовом производстве ниже, чем в единичном, поскольку на настроенных станках и автоматическом оборудовании требования снижают-ся.

Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий со сравнительно большим объемом выпуска (от десятков сотен до тысяч регулярно повторяющихся изделий). Технологическая оснастка в ос-новном универсальная. Квалификация рабочих выше, чем в массовом произ-водстве, поскольку наряду с настроенными станками требуются квалифици-рованные рабочие для работы на универсальном оборудовании.

Развитие современной микроэлектроники базируется на технологии тонких пленок, ко-торая имеет бурные тенденции развития и совершенствования. Именно пленочные тех-нологии обеспечивают расширение возможностей современной радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры, увеличивает степень интеграции ее элементов и разре-шающей способности микросхем, тем самым позволяет оптимизировать логику ИМС и теплообмен.

Интенсивным развитием пленочной технологии со второй половины XX века в этой области достигнуты значительные успехи в получении моно-кристаллических, поликристаллических и аморфных пленок с регулировани-ем их состава, структуры и свойств, при этом возможно получение покрытий с ультрадисперсной структурой. Последнее обеспечивает появление новых свойств и способствует переходу на высокие функциональные уровни эле-ментов.

Вопросы к лекции 1 1. Что такое технология? 2. Назовите определение современного специалиста? 3. Что включает в себя термин высокие технологии? 4. Что включает в себя технология радиоэлектронной аппаратуры

РЭА?

10

5. Назовите основные элементы в развитии первого этапа радиоэлек-тронной аппаратуры?

6. Назовите основные элементы в развитии второго этапа радиоэлек-тронной аппаратуры?

7. Какой комплекс разработок был произведен на заводе «Микрон»? 8. Чем характеризуется единичное производство? 9. Чем характеризуется массовое производство? 10. Чем характеризуется серийное производство?

11

Лекция 2

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССЫ

Модуль 1. Технология производства, как один из важнейших эта-пов создания электронных средств

Тема 2. Средства технологического оснащения производства РЭА.

План лекции

2.1. Основные определения процессов и операций 2.2. Этапы производственного процесса 2.3. Технологические процессы производства печатных плат

2.1. Основные определения процессов и операций

Производственный процесс (ПП) представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства для изготовления РЭА. ПП включает:

изготовление изделий (печатных плат, микросхем, сборку и монтаж элементов и компонентов),

контроль качества выпускаемых изделий,

организацию снабжения, рабочих мест, управления,

технологическую подготовку производства. Технологический процесс (ТП) - это часть производственного процес-

са, строящаяся по отдельным методам управления (процессы механической и термической обработки, получения покрытий, литья, сборки, монтажа, кон-троля РЭА). Технологический процесс разделяют на операции.

Операция – это часть ТП, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте. Технологическая операция является основной единицей производст-венного планирования и учета. На основе операций устанавливается трудо-емкость изготовления изделий, их себестоимость, количество рабочих мест, оборудования, себестоимость. В условиях автоматизированного производст-ва под операцией следует понимать законченную часть технологического

12

процесса, выполняемую на автоматической линии, которая состоит из не-скольких единиц оборудования, связанных автоматическими транспортно-загрузочными устройствами. При гибком автоматизированном производстве непрерывность может нарушаться в периоды между отдельными позициями, выполняемыми на разных технологических модулях.

Технологическую операцию характеризуют позиции, установы, пере-ходы и приемы. Позиция – это часть технологической операции, выполняе-мая при неизменном положении инструмента относительно детали.

Установ – это часть технологической операции, выполняемая при не-изменном закреплении заготовок.

Технологический переход – законченная часть технологической опера-ции, характеризуемая постоянством режимов, поверхностей и применяемых инструментов.

Прием – совокупность действий человека при выполнении перехода. Например, для производства печатных плат характерны следующие

технологические операции: механическая обработка поверхности, химиче-ское или химико-гальваническое нанесение меди, получение рисунка схемы, травление, удаление защитной маски. Для каждой операции характерно не-сколько приемов, переходов, установов и позиций.

2.2. Этапы производственного процесса

На этапе проектирования объединяются усилия специалистов различ-ных профилей. При проектировании новых технологических процессов раз-рабатываются:

модели операций,

технологическое оборудование,

технологическая документация. В технологической документации приводятся параметры технологиче-

ского процесса, соблюдение которых гарантирует выпуск качественной про-дукции.

Технологический процесс изготовления изделий состоит из нескольких последовательных этапов:

На печатные платы устанавливаются многочисленные компоненты: ре-зисторы, конденсаторы, интегральные схемы, выводы которых соединены в единую электрическую схему.

13

Отдельные печатные платы и другие компоненты собираются в блоки, образуя законченную конструкцию.

Рис. 2.1. Производственный процесс изготовления электронных схем

На этапе настройки с помощью специальных настроечных элементов

выходные параметры элементов доводятся до заданных значений. На этапе герметизации осуществляется защита узлов и блоков от влия-

ния внешней среды. На этапе испытаний изготовленную аппаратуру испытывают при воз-

действии вибраций, удара, высокой температуры, влаги. На всех этапах изготовления осуществляется тщательный контроль

операций.

2.3. Технологические процессы изготовления печатных плат

На первом этапе изготовления печатной платы нарезаются заготовки материала нужного размера.

На заготовке сверлятся отверстия для установки компонентов и созда-ния электрических соединений меду слоями. На печатной плате могут распо-лагаться до 1000 отверстий диаметром около 100 мкм. Стеклянная крошка, образующаяся при сверлении стеклотекстолита, является абразивным мате-риалом, поэтому используются специальные твердосплавные сверла, вра-щающиеся со скоростью до 1500 оборотов в минуту. Точность установки сверла до 5 мкм.

14

После промывки поверхности на диэлектрических стенках отверстий создается электропроводящий слой (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Линия гальванического осаждения меди

Электропроводящий слой создается промывкой плат в суспензии, со-держащей электропроводящий графит, с последующей сушкой. Электропро-водящий слой, нанесенный на стенки отверстий, позволяет выполнить элек-трохимическое осаждение меди толщиной до 20 мкм. Этот слой меди обес-печивает хороший электрический контакт между проводниками на разных сторонах платы. Гальваническое осаждение меди выполняется на линии гальванического осаждения, состоящей из нескольких ванн. Современные технологии позволяют осаждать медь с высокой равномерностью в глубоких отверстиях при соотношениях толщины платы к диаметру отверстия до 10.

Для создания рисунка проводников, контактных площадок, защитных масок на обе поверхности платы наносится пленочный фоторезист. Заготовки платы перемещается из одного помещения в другое через шлюз. В модуле нанесения фоторезиста пленочный фоторезист, подогреваемый валками, ла-минируется с двух сторон печатной платы.

Участок для изготовления фотошаблонов и нанесения фоторезиста ос-вещается не актиничным для фотоматериалов светом(рис. 2.3). В этом поме-щении поддерживается температура с точностью до 1 градуса и влажность с

15

точностью до 5 % для того, чтобы расширение фотошаблонов и заготовок не менялось от температуры и влажности.

Рис. 2.3. Модуль нанесения фоторезиста

Для создания рисунка проводников, контактных площадок и масок ис-

пользуются фотошаблоны (рис. 2.4). Черные места на фотошаблоне образо-ваны экспонированными участками фотопленки.

Экспонирование осуществляется на фотоплоттере, в котором световой луч сканирует определенные участки пленки. Фотоплоттер управляется ком-пьютером в соответствии с технологическим рисунком платы. После эжкс-понирования пленка проявляется и сушится.

16

Рис. 2.4. Фотошаблон

На стадии экспонирования печатной платы свет проходит через про-зрачные места фоторезиста и экспонирует фоторезист. Освещенные места фоторезиста приобретают способность растворяться в растворе проявителя. Экспонирование осуществляется с двух сторон через два совмещенных фо-тошаблона. Для того, чтобы фотошаблон и плата не изменяли свои размеры из-за нагрева экспонирующим светом установки экспонирования, предусмат-ривают охлаждение платы.

В модуле проявления плата омывается с двух сторон струями прояви-теля, затем струями воды для промывки. Технологические параметры прояв-ления задаются из единой компьютерной сети предприятия или с пульта. В конце движения в этом модуле плата сушится горячим воздухом.

После формирования резистивной маски выполняется травление мед-ной фольги. Фоторезист защищает участки нижележащей пленки от травле-ния. В модуле травления осуществляется струйное травление платы с двух сторон. Травление ведется в медно-аммонийном растворе.

Cu + Cu(NH3)4SO4 2 Cu(NH3)2SO4

Плата движется по конвейеру и с двух сторон омывается струями тра-вителя. Закрытый рабочий объем камеры обеспечивает нормальные условия

17

работы персонала. Непрерывно ведется корректировка состава травителя и электролитическая утилизация меди и травильного раствора.

Затем промывается струями воды и сушится теплым воздухом. Наи-лучшее качество сушки достигается в инфракрасной печи (рис. 2.5).

Рис. 2.5.. Инфракрасная печь для сушки

После травления фоторезистивная маска смывается в растворе органи-ческого растворителя. После сушки в результате получается двухсторонняя печатная плата с металлизированными отверстиями.

Технология создания многослойных печатных плат (МПП) позволяет создавать различные типы отверстий в платах: глухие с гальванически осаж-денной медью, сквозные отверстия.

При изготовлении двусторонних печатных плат на полиимидной осно-ве лазером делаются сквозные отверстия в заготовке. В вакууме напыляются пленки с двух сторон заготовки, при этом одновременно создается металли-зация отверстий. Гальваническим осаждением припоя, фотолитографией и травлением пленок создается коммуникационная система проводников. Важ-ные достоинства полиимидных плат: малые габариты, вес, возможность од-новременно изготавливать платы и формировать гибкий пленочный кабель.

Технология изготовления печатных плат позволяет изготовить платы с заданным волновым сопротивлением проводников.

Производственная линия по изготовлению печатных плат представлена на рис. 2.6.

18

Рис. 1.2. Технологическая линия производства печатных плат

Сточные воды, производственные растворы и жидкие отходы, обра-зующиеся при производстве печатных плат, собираются раздельно, нейтра-лизуются и очищаются. В результате переработки получают отработанную воду, которая вновь используется в производстве печатных плат.

Вопросы к лекции 2

1. Что включает в себя производственный процесс? 2. Что такое технологический процесс? 3. Дайте определение операции и технологий операции? 4. Что такое технологический переход? 5. Что разрабатывается при проектировании новых технологических про-

цессов? 6. Что происходит на первом этапе изготовления печатных плат? 7. Как создается электропроводящий слой? 8. Как происходит процесс нанесения фоторезиста? 9. Что такое процесс травления и как он осуществляется? 10. Каковы достоинства инфракрасной сушки?

19

Лекция 3

СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЭА

Модуль 1. Технология производства, как один из важнейших эта-пов создания электронных средств

Тема 3. Технологическая подготовка производства РЭС

План лекции

3.1. Оснащение основных производственных цехов 3.2. Сверление отверстий 3.3. Лазерное сверление отверстий

3.1. Оснащение основных производственных цехов

Средства технологического оснащения производства электронной ап-паратуры включают:

технологическое оборудование,

технологическую оснастку (инструмент, средства контроля)

средства механизации и автоматизации производственных процессов. Состав технологического оборудования и оснастки целесообразно рас-

смотреть, исходя из профиля цехов производства РЭА. Заготовительные цехи оснащены оборудованием для получения загото-

вок из стандартных листов . Резку листов или рулонов металлов осуществ-ляют в основном гильотинными и роликовыми ножницами. Неметаллические материалы толщиной свыше 2,5 мм режут на специальных станках диско-выми пилами, фрезами или алмазными кругами.

Детали в производстве РЭА на 50-70% изготавливаются методом хо-лодной штамповки.

Штамповочные цехи оснащены эксцентриковыми и кривошипными прессами простого и двойного действия. Метод поэлементной штамповки заключается в последовательной обработке элементов деталей (наружного

20

контура отверстий, пазов) на сменных штампах координатно-револьверных прессов. В холодноштамповочное производство внедрены промышленные работы. Они позволяют механизировать вспомогательные операции (подачу полос, заготовок, съем и учет деталей) и превращают универсальные прессы в комплексно-автоматизированные агрегаты.

Литейный цех изготовления деталей из пластмасс имеет высокопро-изводительные машины для литья и прессования, пресс-автоматы.

Механические цехи оснащены преимущественно токарными станками автоматами, универсальными фрезерными и сверлильными станками, шли- фовальными станками. Механизация и автоматизация в механических цехах развивается по следующим направлениям:

1) использование токарных автоматов, холодновысадочных автоматов и токарно-револьверных станков.

2) внедрение станков с программным управлением, и ЧПУ , использо-вание промышленных роботов для вспомогательных операций и создание ав-тономных систем управления техническим процессом.

После механической обработки на поверхности деталей остаются за-грязнения. Качество очистки деталей обеспечит получение заданных па- ра-метров функциональных узлов. Для очистных операций применяются конус-ные, карусельные моечные машины, ультразвуковые ванны, центрифуги. Вместо токсичных органических растворителей все больше используются синтетические моющие препараты и щелочные обезжиривающие растворы. Таким же образом очищают собранные узлы и блоки аппаратуры от остатков пaяльных флюсов и др. загрязнений, влияющих на надежность аппаратуры.

Цехи по производству печатных плат оснащены автоматизированными линиями химической и электрохимической металлизации (рис. 3.1), установ-ками для нанесения фоторезистов (рис. 3.2), станками с ЧПУ для механиче-ской обработки.

21

Рис. 3.1. Автоматические линии очистки поверхности и металлизации

Рис. 3.2. формирование фоторезистивной маски

22

Оборудование с ЧПУ применяют для изготовления фотошаблонов и трафаретов, сверления отверстий в ПП, фрезерования плат, автоматизиро-ванными стендами контроля плат.

В цехах лакокрасочных покрытий организуются технологические по-точные линии, где окрасочные и сушильные камеры являются проходными, используются автоматические агрегаты- роботы "маляры" с распылителями.

Сборочные цехи оснащены переналаживаемыми конвейерными ли-ниями; универсальными рабочими местами электромонтажников; специали-зированным оборудованием по подготовке, установке и пайке ЭРЭ и инте-гральных схем на печатных платах; стендами для контроля и регулировки функциональных параметров сборочных единиц блоков и стоек РЭА. На оборудовании с ЧПУ производят установку и пайку ЭРЭ с планарными вы-водами, а также осуществляют контроль электрических цепей ячеек. Про-граммное управление обеспечивает автоматизацию проводного монтажа (трассировку проводов на платах, укладку проводов в жгутах, монтаж соеди-нений накруткой, контроль электрических цепей в модулях уровней).

Рис. 3.2. Монтаж компонентов на печатную плату

Оборудование и оснастку следует выбирать по производительности, тогда будет обеспечено его рациональное использование.

23

Предприятия, выпускающие РЭА на ИС, оснащены установками для диффузионного легирования, эпитаксии, термического окисления, вакуумно-го напыления, а также сборки и герметизации ИС.

Современное оборудование, изготовляемое немецкими, голландскими и австрийскими фирмами, оборудовано аналитическими установками. На-пример, установки высоковольтной ионной имплантации и анализа с помо-щью ионных пучков. Прибор сухого травления MILTISEM 440 комплектует-ся лазерным интерферометром, элипсометром для контроля текущей толщи-ны травящегося покрытия, квадрупольным масс-спектрометром (анализ про-дуктов травления) и оптическим спектроскопическим анализатором (химиче-ский состав поверхности). Универсальная печь фирмы TERMATEC осущест-вляет регулировку всех 5 зон с точностью до 10. Плазменные реакторы сухо-го травления, оборудование для фотолитографии, приборы контроля техно-логических процессов управляются от персональных компьютеров. В ком-пьютер поступает информация от нескольких датчиков состояния плазмы и индикаторов окончания процессов, что обеспечивает контроль и регулировку процесса.

3.2. Сверление отверстий

К качеству выполнения отверстий предъявляются следующие требова-ния:

цилиндрические отверстия должны быть с гладкими стенками;

отверстия должны быть без заусенцев;

предельные отклонения центров отверстий относительно узлов коор-динатной сетки должны составлять (±0,015) мм;

не должны иметь место деструкция диэлектрика в отверстиях и на-волакивание смолы по стенкам отверстий, поскольку это препятст-вует осаждению меди и приведет к разрыву электрической цепи;

точность сверления отверстий должна быть порядка +0,005 мм или 0,003 мм.

диаметр отверстий под металлизацию должен быть примерно на 0,005 мм больше для того, чтобы скомпенсировать толщину осаждаемых меди и металлорезиста. В производстве ПП применяют следующие способы получения мон-

тажных и переходных отверстий:

24

механический (сверление на станках с ПУ);

пробивка (для отверстий не подлежащих металлизации);

лазерное сверление;

фотолитография;

воздействие плазмы. Наиболее широко применяют сверление и пробивку (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Получение монтажных и переходных отверстий: а — сверление; б — пробивка

Станок для сверления ПП состоит из следующих основных узлов (рис.

3.4):

жесткой рамы из гранитной плиты — основания;

двухкоординатного стола, перемещение по осям которого осуще-ствляется с помощью прецезионных воздушных подшипников;

приводов координатных перемещений;

современного программного управления (ПУ) типа CNC, что обеспечивает безвибрационное позиционирование с макси-мально возможной точностью (+0,005) мм;

сверлильных головок с многопозиционностью при вертикальном перемещении по оси Z (шпиндели с воздушными подшипника-ми);

системы линейных измерений.

25

Рис. 3.4. Схема сверлильного станка: / — поперечный суппорт; 2 — сверло; 3 — па-

кеты заготовок ПП; 4 — двухкоординатный стол; 5 — основание (гранитная плита)

Многошпиндельные станки с ПУ обеспечивают высокое качество и

точность обработки отверстий, что очень важно для их последующей ме-таллизации.

Сложность выполнения операции сверления связана с обработкой в одном технологическом цикле различных по свойствам материалов, таких как медь, алюминий, стекловолокно, смола и других, для каждого из которых требуются разные режимы обработки, и существует большое количество факторов, влияющих на качество полученных отверстий.

Кроме того, повышение плотности монтажа, уменьшение ширины проводников, широкое внедрение технологии поверхностного монтажа, МПП числом слоев более 50-ти приводит к необходимости получения глу-боких микроотверстий (0 0,1...0,3 мм) при отношении d/H= 1: 10 и менее, а также глухих отверстий в МПП. Поэтому все больше ужесточаются требо-вания к оборудованию и технологии их изготовления.

Система управления CNC осуществляет:

прямое управление в режиме диалога в реальном и нереальном мас-штабе времени;

хранение нескольких программ в различных форматах;

редактирование программ в процессе работы.

26

Рис. 3.5. Установка автоматического сверления

3.3. Лазерное сверление отверстий

Сущность лазерного сверления заключается в воздействии излучения на обрабатываемую заготовку ПП, в результате которого происходит испа-рение или взрывное разрушение материала. Лазерное сверление отверстий в ПП применяется для получения: сквозных отверстий диаметром 40...50 мкм и более в фольгированных и нефольгированных заготовках ПП; глухих от-верстий диаметром до 25 мкм, глубиной менее 50 мкм.

Основными составными частями лазерного оборудования являются:

лазер твердотельный или газовый (СО2-лазер);

оптический канал для юстировки и фокусирования излучения;

двухкоординатный стол, на котором базируются заготовки;

система управления; система контроля и др.

Лазерное сверление отверстий ПП может осуществляться двумя спо-собами:

1 . С использованием специальной металлической маски с отверстия-ми, после совмещения которой с заготовкой ПП и воздействия лазерного излучения, происходит испарение материала основания ПП в местах рас-

27

положения отверстий на маске. Достоинством способа является высокая производительность, недостатком — необходимость изготовления металли-ческой маски с высокой точностью расположения и изготовления отверстий малого диаметра.

2. Путем подачи дозированного лазерного излучения импульсами малой длительности в зону формирования отверстий при обходе этих зон по программе.

Чаще всего для лазерной обработки прецезионных отверстий исполь-зуется мощный СО2-лазер, работающий в инфракрасном спектральном диапазоне. Поскольку излучение инфракрасного лазера хорошо поглоща-ется диэлектриком, но не поглощается медным покрытием ПП и не прони-кает через него, то перед сверлением требуется вскрытие медного покрытия химическим или механическим способами. Кроме того, диаметр пятна фо-кусировки СО2-лазера составляет порядка 70 мкм, что требует обязательного использования специальных масок для получения луча нужного диаметра.

Использование ультрафиолетового лазера с длиной волны 250 - 350 нм позволяет формировать проводники в металлическом покрытии печатных плат (для чего необходима плотность энергии излучения более 4 Дж/см2) и обрабатывать отверстия в диэлектрическом основании ПП (при плотности энергии излучения порядка 100 мДж/см2). При этом происходит удаление ди-электрика не только за счет его испарения, но и за счет процесса фотохи-мического разрушения.

Компания LPKF разработала станок Micro Line Drill, в котором опти-ческая система состоит: из Nd-YAG-лазера с длиной волны 355 нм, рабо-тающего на третьей гармонике; из зеркальной отклоняющей системы, обес-печивающей в сканированием луча по участку печатных плат, из фокусирующей системы, которая обеспечивает направление лазерного луча под углом 90° к поверхности печатных плат.

Вопросы к лекции 3

1. Чем оснащены заготовительные цеха? 2. Чем оснащены штамповочные цеха? 3. По каким направлениям развивается механизация и автоматизация в

механических цехах? 4. Что производится на оборудованиях с ЧПУ?

28

5. Какие требования предъявляются к качеству выполнения отверстий? 6. Какие способы получения монтажных и переходных отверстий приме-

няют в производстве печатных плат? 7. Из чего состоит станок для сверления печатных плат? 8. Что осуществляет система управления CNC? 9. Назовите основные части лазерного оборудования? 10. Расскажите 2 способа лазерного сверления отверстий печатных плат?

29

Лекция 4

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 4. Формирование рисунка схем

План лекции

4.1. Классификация печатных плат 4.2. Материалы печатных плат 4.3. Новая керамика для изготовления печатных плат 4.4. Многослойные печатные платы

4.1. Классификация печатных плат

Печатная плата (ПП) – это важнейший узел электронных средств, кото-рый обеспечивает закрепление компонентов и их соединение в электриче-скую цепь для передачи сигналов по печатным проводникам.

ПП стали доминирующим монтажным элементам в электронных при-борах с 1952 г. Эдисон уже в 1906 г. описал способ изготовления проводни-ков на изоляторе с помощью металлического порошка. Термин “Печатная плата” относятся к тому времени, когда при помощи трафаретной печати на керамические подложки наносили пастой из металлического порошка (AG, CO, связующими) по желаемому рисунку проводников которые после сушки и отжига отверждались и спекались.

Однако эта технология нашла широкое распространение, лишь в по-следнее время в микроэлектронике в виде толстопленочной технологии, а также при изготовлении керамических коммутационных плат.

Первый шаг к новой технике монтажа был сделан в 1925 г., когда Ф.Т. Гармону в США был выдан патент, в котором описана техника травления. Но быстрое развитее этой технологии началось позднее, когда англичанин Айс-лер разработал ее новый вариант, а именно субтрактивный метод, который применяется до сих пор.

30

Печатные платы могут быть односторонними (ОПП), двухсторонними (ДПП), многослойными (МПП). ОПП и ДПП представляют собой изоляци-онный материал с односторонним или двусторонним расположением печат-ных проводников. В МПП необходимы соединительные изоляционные про-кладки для электрической изоляции токоведущих покрытий. Совмещение рисунков проводников в МПП достигается с помощью отверстий в слоях или штифтов штампа.

Печатные платы различаются по виду основания печатной платы. Керамические печатные платы изготавливают вжиганием пасты в ке-

рамические основания платы. Высокая теплопроводность основания, малые диэлектрические потери обеспечивают их для построения мощных и высоко-частотных устройств.

Металлические печатные платы имеют основания из меди, титана, ин-вара, покрытые изоляционным слоем. Такие платы используются для тепло-нагруженных модулей. Эта технология позволяет располагать плату на зад-ней крышке прибора или на корпусе автомобиля.

Рис. 4.1. Металлическая печатная плата

Гибкие печатные платы формируются на полиэфирной или полиимид-

ной основе и позволяют уменьшить массу и объем электронной аппаратуры. На основе гибких плат создают уникальные сложные гибко-жесткие конст-

31

рукции с повышенной надежностью. Гибкие печатные платы используются для создания разнообразных пленочных клавиатур.

Платы на фторопластовом основании используются для создания высо-кочастотных модулей, так как фторопласт обладает очень малыми потерями на высоких частотах.

Наиболее широко применяются печатные платы на стеклопластиковом основании. Этот материал не дорог, обладает хорошими диэлектрическими свойствами, позволяет формировать односторонние, двухсторонние и много-слойные печатные платы.

По прочностным характеристикам платы делятся на несколько классов. Наиболее сложны платы для установки микросхем с матрицей шариковых выводов. Подвод проводников к посадочному месту на плате с матрицей контактных площадок в многослойных печатных платах возможен только с проводниками шириной менее 100 мкм.

Рис. 4.2.. Печатная плата с рисунком проводников и контактными площадками

На поверхность печатной платы наносят защитные покрытия на основе

канифоли, эпоксидных или полиэфирных смол, которые устраняют возмож-ность образования электрических мостиков между слоями проводников, воз-никающих вследствие загрязнения и влаги.

Печатные платы способствуют повышению плотности монтажа, сни-жению длины проводников, уменьшению массы и габаритов приборов, сни-жению паразитных связей за счет использования экранирования и низкоом-

32

ных проводников. При изготовлении ПП используются групповые автомати-зированные методы, снижаются ошибки при монтаже. ПП обеспечивают простоту проверки и хорошую ремонтопригодность, что повышает надеж-ность и механическую стабильность приборов и устройств.

Рис. 4.3. Печатная плата с защитным покрытием

Применение ПП разнообразно: ОПП и ДПП используются в бытовой

электронике, технике связи, блоках питания, в измерительной и высокочас-тотной технике в вычислительной технике. МПП в технике управления авто-матического регулирования, вычислительной, ракетной и авиационной. МПП, изготовленные на основе одностороннего или двухстороннего фольги-рованного стеклотекстолита и прокладочной ткани, имеют от 3 до 20 слоев проводников, соединяемых посредством металлизированных отверстий.

К недостаткам печатных плат можно отнести нежелательные емкост-ные и индуктивные связи и увеличенное время разработки.

4.2. Материалы печатных плат

Основой ПП является диэлектрик с высокой химической и термической стойкостью, минимальной деформацией и водопоглащением (до 0,5). Удель-ное сопротивление не менее 1010 Ом. В качестве диэлектрика ПП широко ис-пользуются стеклотекстолит (СТ), который получают пропиткой бесщелоч-ных стеклянных тканей эпоксифенолформальдегидным лаком (ЭФФЛ) на

33

вертикальных пропиточных машинах с сушкой (v = 0,8 – 1,2 м/мин) и намот-кой на барабан.

Таблица 4.1

Материалы печатных плат

Материал Марка Толщина фольги, мкм

Толщина материала с фольгой, мм

Область применения

Гетинакс фольги-рованный

ГФ-1-35 ГФ-2-35 ГФ-1-50 ГФ-2-50

35 35 50 50

1,5-2,0-2,5-3,0

ОПП ДПП

Стеклотекстолит фольгированный

СФ-1-35 СФ-2-35 СФ-1-50 СФ-2-50

35 35 50 50

0,8-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0

ОПП ДПП

Стеклотекстолит СТЭФ-1-2ЛК - 1,0-1,5 ДПП (для по-лиаддитив ного метода)

Тонкий фольгиро-ванный диэлектрик

ФДМ-1А 35 0,25-0,35 ГПП

Гибкий фольгиро-ванный диэлектрик

ФДЛ 35; 50 0,06-0,07-0,1 ГПК

Стеклотекстолит фольгированный травящийся

ФТС-1-20А ФТС-2-20А ФТС-1-35А ФТС-2-35А

20 20 35 35

0,08-0,15-0,18-0,27-0,50

МПП и ГПП

Стеклоткань про-кладочная

СПТ-3 - 0,025-0,060 МПП

Стеклотекстолит фольгированный (СФ) получают склеиванием стекло-

текстолита и медной фольги на гидравлических прессах, (или 3 слоя стекло-текстолита и подаваемая с двух сторон медная фольга), пропускают через на-гретое прижимное устройство, при этом диэлектрический материал полиме-ризуется, а фольга плотно прижимается с обеих сторон.

Гетинакс – слоистый прессованный пластик на основе бумаги, пропи-танной термореактивной смолой. Фольгированный гетинакс обозначают ГФ. Содержание смолы СФ и ГФ 40 – 60%.

34

Медную фольгу толщиной 0,035 – 0,18 мм (35 – 180 мкм) изготавлива-ют прокаткой либо электрохимическим осаждением. Несмотря на высокие механические свойства катаной фольги, она имеет ряд недостатков: примеси металлов, малая ширина (150 – 300 мм), местами выгорание меди из-за пере-грева. Поэтому предпочтение отдаётся электрохимической фольге, которая получается при вращении барабана – катода из нержавеющей стали в раство-ре соли меди, при определённой плотности тока и скорости вращения. По-крывающий катод осадок меди определённой толщины при выходе барабана из электролита отдирается от поверхности, протягивается через промывное и сушильное устройство и наматывается на приёмную гильзу.

Для повышения температурной стойкости и адгезии фольги к диэлек-трику производится электрохимическое оксидирование фольги: фольга обра-батывается в растворе NaOH при определённой плотности тока. Образуется на поверхности защитный слой Na2CuO2, который не препятствует пайке.

Чем точнее фольга, тем более тонкие проводники можно получить на печатных платах: 25 – 75 мкм.

4.3. Новая керамика для изготовления печатных плат

Существующая технология производства печатных плат с использов-нием фольгированных диэлектриков имеет ряд существенных недостатков: большой непроизводительный расход рафинированной меди, длительность процесса и значительное количество сточных вод, содержащих кислые тра-вильные растворы. Кроме того, в ряде случаев применение традиционных оснований печатных плат из гетинакса и текстолита неприемлемо в силу их низкой термостойкости и вероятности возгорания. Все эти недостатки можно исключить, применяя основания из алюмооксидной керамики, успешно ап-робированные в производстве толстопленочных схем, а также более дешевые и надежные стеклокерамические материалы, работы, по созданию которых интенсивно ведутся в последние годы. С целью расширения возможностей использования керамических материалов для изготовления негорючих пе-чатных плат были проведены исследования по формированию керамических печатных плат на базе природного минерала пирофиллита, для поиска соста-ва исходной шихты и снижения температуры обжига керамики были исполь-зованы различные стеклонаполнители и керамические вяжущие массы.

35

Таблица 4.2.

Характеристические температуры стеклонаполнителей Наполнитель

Фаза С-1 С-2 СЦ-1 СЦ-2

Начало деформа-ции

560…580 660…610 310…320 500…515

Каплеобразование 690…700 680…690 350…360 610-630

Начало растека-ния

720…740 750…760 380…390 690…710

Полное растека-ние

770…810 800…820 460…480 730…750

Кристализация 450…460 720…740

Были изготовлены образцы в виде прессовок, в качестве пластификато-

ра использован раствор поливинилового спирта в воде. Образцы готовились односторонним прессованием шихты с пластификатором и обжигались в ка-мерных печах, при этом градиент температуры в зоне обжига составлял не более 20 оС. По окончании обжига образцы охлаждались вместе с печью до температуры 650 оС, а затем на воздухе.

Первая ступень обжига керамики определялась либо температурой рас-текания стекла, либо температурой кристаллизации ситаллоцемента, по-скольку температурные режимы обжига были ниже температур распада пи-рофиллита, получившиеся образцы представляли собой собственно пирофи-литовую керамику. Дальнейшее исследование проводили с использованием в качестве наполнителя керамической вяжущей массы (КВМ) типа твердого фарфора.

Для измерения электрофизических характеристик полученной керами-ки на плату с двух сторон были нанесены электроды с последующим их вжи-ганиему при температуре 750 оС в течении 10-12 мин. Измерения показали следующие результаты: диэлектрическая проницаемость 8, удельное объем-ное сопротивление при постоянном токе, напряжении 100 В и температуре 20

С более 21013 Ом, а при 100 С около 1010 Ом.

36

4.4. Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (МПП) обеспечивают возможность передачи наносекундных сигналов без искажения за счет наличия экра-нирующих слоев и изоляционных прокладок между сигнальными слоями, короткие электрические связи, возможность увеличения числа слоев без значительного возрастания продолжительности технологического цикла и стоимости, возможность электрического экранирования, устойчивость к внешним воздействиям и др.

Недостатками МПП являются: малая площадь контакта сквозного металлизированного отверстия с торцами контактных площадок внутрен-них слоев, что может привести к разрыву электрических цепей при пайке ЭРИ или в процессе эксплуатации при механических и термических воз-действиях; низкое качество химической меди, которую применяют в качест-ве подслоя перед гальваническим меднением элементов печатного рисунка; значительная разница ТКЛР меди, диэлектрика и смолы и пр.

МПП различаются по конструкции.

с открытыми контактными площадками;

с выступающими выводами;

попарного прессования

послойного наращивания

Особенностью конструкции МПП с открытыми контактными пло-щадками является отсутствие электрической связи между слоями и ее по-явление только после установки и пайки выводов ЭРИ к контактным пло-щадкам любого из слоев (рис. 4.4). Каждый слой (их может быть более 20-ти) изготавливают на одностороннем фольгированном диэлектрике химиче-ским негативным методом. Отверстия в слоях получают штамповкой. По-сле сборки, совмещения и склеивания слоев клеем БФ-4 на специальном приспособлении обеспечивается доступ к контактным площадкам внутрен-них слоев. Для увеличения площади контакта диаметр контактной пло-щадки должен быть больше диаметра отверстия.

37

Рис. 4.4. Конструкция МПП с открытыми контактными площадками: 1 – открытые контактные площадки, 2 – печатный проводник, 3 – слой диэлектрика

К достоинствам МПП с открытыми контактными площадками следу-ет отнести большое число слоев, ремонтопригодность, а к недостаткам — невысокий класс точности (3-й).

В многослойных ПП с выступающими выводами электрическая связь между слоями выполняется с помощью печатных проводников внут-ренних слоев, отогнутых на наружный слой МПП и закрепленных изоля-ционными вкладками (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Конструкция МПП с выступающими выводами: накладка; 2 — контактная площадка; 3 — выступающий вывод; 4 — печатный проводник

К преимуществам данного метода данной конструкции относятся: большое число слоев (до 15-ти); высокая механическая прочность; воз-можность параллельного выполнения операций.

При изготовлении МПП методом попарного прессования (рис. 4.6) скачала получают две ДПП с металлизированными отверстиями комбини-рованным негативным методом, затем их прессуют вместе с размещенной

38

между ними изоляционной склеивающей прокладкой. После сверления в полученном полупакете сквозных отверстий получают рисунок наружных слоев и сквозные металлизированные отверстия. Затем эти полупакеты прессуют, сверлят сквозные отверстия и получают рисунок наружных сло-ев и металлизированные отверстия комбинированным позитивным мето-дом. Таким образом осуществляют электрические соединения между на-ружнымппи и внутренними слоями МПП.

Рис. 4.6. МПП, изготовленная методом попарного прессования

К недостаткам метода попарного прессования можно отнести: дли-тельный технологический цикл последовательного выполнения операций; большое количество химико-гальванических операций и др.

При изготовлении МПП методом послойного наращивания (рис. 4.7) сначала на первый слой перфорированного диэлектрика напрессовывается медная фольга с одной стороны, затем проводится операция химико-гальванического меднения. При этом медь полностью заполняет отверстия в диэлектрике и осаждается на поверхности диэлектрика, свободной от фольги. На этом сформированном проводящем слое выполняется рисунок схемы химическим негативным методом. Затем напрессовываетя второй слой перфорированного диэлектрика, проводится химико-гальваническое меднение отверстий и на поверхности диэлектрика выполняется рисунок второго слоя и т. д. Связь между слоями осуществляется при помощи стол-биков меди в отверстиях.

39

Рис. 4.7. МПП, изготовленная методом послойного наращивания

К преимуществам метода послойного наращивания относятся: на-дежность межслойных соединений; большое число слоев (до 10). Недостатки метода послойного наращивания: длительный технологический цикл; невозможность использования ЭРИ со штыревыми выводами; как в конструкции МПП отсутствуют отверстия; высокая стоимость изготовле-ния.

Вопросы к лекции 4

1. Что представляют собой ОПП и МПП? 2. Для чего на поверхность ПП наносят защитные покрытия? 3. Для чего используются платы на фторопластовом основании? 4. Какие преимущества печатных плат на стеклопластиковом основа-

нии? 5. Где используются ОПП, ДПП и МПП? 6. Как изготавливают керамические печатные платы? 7. Как получают стеклотекстолит? 8. Как изготавливают медную фольгу? 9. Какие особенности конструкции МПП с открытыми контактными

площадками? 10. Методы изготовления МПП.

40

Лекция 5

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ РИСУНКА СХЕМ

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат Тема 4. Формирование рисунка схем

План лекции

5.1. Подготовка поверхности 5.2. Методы получения рисунка схем 5.3. Офсетная печать 5.4. Лазерное формирование рисунка

5.1. Подготовка поверхности

Подготовка поверхности печатной платы является важной операцией, от которой зависит адгезия наносимых впоследствии слоёв. Неполное удале-ние загрязнений с подложек может привести к закорачиванию электрической цепи, коррозии металлов, ухудшению адгезии пленок, повышению влагопро-ницаемости.

Для выбора метода очистки требуется знать, какие загрязнения имеют-ся на поверхности. Оценка может быть только визуальной. Поэтому, в произ-водстве ПП, метод очистки подбирают эмпирически.

Подготовка различных поверхностей требует различных подходов. Поверхность фольги подвергается механической обработке смесью

маршалита с полировальной известью и промывается. Затем химическая под-готовка поверхности заключается в обезжиривании в горячем щелочном рас-творе (сода, Na3PO4 + ПАВ) или в органических растворителях (спирт, аце-тон), подтравливании в растворе хромового ангидрида или персульфата ам-мония и промывке водой. Сушка осуществляется при 80 – 100 0С в течение 10 минут. В специальном очистителе на основе H2SO4 и ПАВ платы одно-временно обезжириваются и частично подтравливаются. Отверстия после сверления подвергаются гидроабразивной обработке для удаления заусенец и насоса эпоксидной смолы с помощью пистолетов – распылителей водной суспензии карбида бора или электрокорунда.

41

Для снятия окислов применяется вращающиеся щетки или круги из не-тканого нейлона насыщенные абразивным материалом с одновременной по-дачей воды. Контроль чистоты производится по полноте смачивания фольги водой.

Поверхность диэлектрика для химического осаждения меди подверга-ют механической обработке – пескоструйной или гидроабразивной с порош-ком Al2O3, затем платы промывают тёплой водой с протиркой щётками. Для получения микро-шероховатостей (для лучшей адгезии слоя меди) и повы-шения скорости связывания (увеличение функциональных групп) произво-дится химическая модификация - обработка в растворах Cr6+, содержащих Na2Cr2O7 и концентрированной H2SO4. Поверхностный слой диэлектрика частично разрушается с присоединением –OH4 и –OSO3H групп. Затем платы промывают, нейтрализуют и снова промывают.

Для удаления эпоксидной смолы, наволакиваемой при сверлении, ис-пользуется подтравливание в смеси кислот H2SO4 и HF, образуется орто-сульфоновая кислота, переходящая в раствор. Для нейтрализации использу-ется KOH или 10% Na2CO3. Образовавшиеся соли удаляют промывкой в го-рячей и холодной воде. При необходимости повторяются гидроабразивная и УЗ – обработка.

Предложен сухой способ плазменного травления в низкотемператур-ной плазме в смеси газов О2 и СF4. Плазма превращает смолу в легко летучее вещество, не требует промывок и сушек, процесс автоматизирован. Платы загружают в вакуумную камеру, откачивается воздух, впускаются газы и по-дают напряжение – возбуждается плазма, затем откачивают продукты реак-ции.

Очистка предполагает разрыв адсорбционных связей между подложкой и загрязнениями без нарушения поверхности самой подложки. Для большин-ства подложек эффективна очистка в ультразвуковой ванне с растворителем. Ультразвуковые ванны вызывают кавитацию (образование и схлопывание га-зовых пузырьков) с локальными повышениями гидростатического давления. При этом растворитель проникает между загрязнениями и подложкой. В ка-честве растворителей используются галоидозамещенные углеводороды – трихлорэтилен, хлористый метил и другие легко перегоняющиеся. Раствори-тели с высоким поверхностным натяжением высвобождают большую энер-гию при кавитации, а с низким способны проникать в микропоры. Для очист-ки подложек используются частоты 20–50 кГц, нижний предел устанавлива-

42

ется исходя из условий слышимости, а верхний определяется возможностью вызывать кавитацию.

Химическая обработка поверхности применяется с ультразвуком или самостоятельно. Химические реагенты делятся на две группы: щелочные (омыляют жиры и снижают поверхностное натяжение) и кислотные (взаимо-действуют с окислами, превращая их в растворимые соли). Иногда после хи-мической очистки на поверхность оседают ранее удаленные загрязнения. Для их удаления используется деионизированная дистиллированная вода и изо-пропиловый спирт (парообразный). Желательно наличие нейтральной атмо-сферы. В специальном очистителе на основе H2SO4 и ПАВ платы одновре-менно обезжириваются и частично подтравливаются.

В качестве модификаторов средств химической очистки используют ряд моноэфиров НООС–СН=СН-СООR, где R-C2H5,C4H9,C6H13,C8H17. Уста-новлено, что обработка поверхности растворами моноалкил-малеинатов уве-личивает адгезионную прочность в 1,5 - 2,0 раза и значительно повышает во-достойкость полиэтиленового покрытия (ПЭПк). Установлено, что лучшие модифицирующие свойства в изученном ряду проявляют моноэтил и моно-бутилмалеинаты. При экспозиции в воде, адгезионная прочность таких ПЭПк сохраняет высокие значения в течение 50 и более суток.

Кипячение в водных растворах Н2О2 и NH4OH также способствует со-леобразованию, но тормозит процесс нарушения поверхностного слоя. (H2O2

320 мл, NH4OH 80 мл на один литр Н2О). Высота микронеровностей при

этом не возрастает, а уменьшается на 100 ангстрем. По данным ведущих зарубежных фирм и отечественных специалистов,

технология очистки, которая обеспечивает хорошие результаты для подло-жек из стекла, сапфира, керамик, состоит в следующем:

Ультразвуковая промывка в CH3Cl при 20 С.

Ультразвуковая промывка в CH3Cl при 70 С и в парах растворителя.

Кипячение в растворе Н2О2.

Промывка в горячей дистиллированной воде, кипячение (15 минут).

Сушка в потоке чистого N2 или Ar при температуре 110 С (15 минут).

Охлаждение в потоке проходящего газа. Свежеочищенная поверхность может повторно загрязниться из атмо-

сферы производственного помещения. Поэтому подложки должны храниться в герметичных эксикаторах (не более 1,5–2 часов) или немедленно поме-щаться в установку для нанесения пленок.

43

Окончательная очистка от адсорбированных газов и воды производится

в вакуумной камере при откачке воздуха и прогреве до 200–300 С. Еще бо-

лее глубокая очистка достигается ионной бомбардировкой в тлеющем разря-де. При этом органические молекулы загрязнений расщепляются и образуют-ся летучие соединения. Однако при неправильно выбранных режимах (на-пряжение, время обработки) тлеющий разряд может стать источником за-грязнений (конденсация С-Н, Al со стенок).

5.2. Методы получения рисунка схем

Для получения рисунка схемы используются следующие методы:

офсетная печать;

лазерный;

сеткографический;

фотохимический метод. Фотохимичекий метод является наиболее распространенным, по-

скольку имеет высокую разрешающую способность и позволяет получать платы с высокой степенью интеграции элементов.

5.3. Офсетная печать

Офсетная печать обеспечивает 1—2 класс точности ПП с точностью воспроизведения рисунка (±0,2) мм. Способ нашел применение в массовом и крупносерийном производстве и состоит из следующих основных этапов:

1. Изготавливается клише (форма для офсетной печати) из алюминия, цинка, их сплавов и пластмасс с изображением рисунка схемы; ос-новными операциями изготовления являются травление, гравирова-ние, прессование, обработка гидрофобизирующей жидкостью, сбор-ка; конструктивно формы для офсетной печати разделяются на не-сколько видов: высокой печати, глубокой печати и с расположением печатных участков в одной плоскости;

2. Клише (форма) закатывается трафаретной краской; 3. Краска с клише снимается с помощью офсетного валика, по-

крытого резиной; офсетным валиком краска переносится на подготовленную поверхность заготовки ПП;

44

4. Сушка краски при высокой температуре. Наиболее технологичной, надежной и точной является форма

для сухого офсета, для которого в качестве основания используют пластину из алюминия толщиной 0,5...1,0 мм. На нее наносят тонкий слой силиконового лака, не смачиваемого трафаретной краской, которой впоследствии закатывается форма. На слое лака лазерным гравиро-вальным автоматом выжигается рисунок ПП. Готовую форму уста-навливают на станок офсетной печати, который имеет рабочее поле размером до 500 х 600 мм, точность совмещения контактных площадок (+0,1) мм, производительность 300 отпечатков в час.

Достоинства способа высокая производительность, возможность

автоматизации процесса, тиражеспособность; недостатки — низкая точ-ность, получения рисунка, пористость слоев краски вследствие малой толщин» высокая стоимость оборудования.

5.4. Лазерное формирование рисунка схемы

В настоящее время применяется и в перспективе планируется ши-роко использовать лазер при экспонировании фоторезистов путем вычер-чивания рисунка, соответствующего топологии схемы, без применения фотошаблона, что исключает боковую подсветку проводников и смещение рисунка в результате усадки пленочных фотошаблона, При получении ри-сунка схемы без использования фоторезиста, фотошаблона и целого ряда операций получения защитного рельефа обработка фольгированного ди-электрика осуществляется мощным излучением ультрафиолетового лазе-ра с длиной волны 250...300 нм.

Обработка проводится в такой последовательности: 1. сначала излучением УФ-лазера большой мощности (плотность

энергии излучения составляет более 4 Дж/см2) частично испаряют ме-таллическое покрытие на поверхности заготовки печатных плат в тех местах, где в дальнейшем будут пробельные места печатных плат, т. е. изоляционные участки. Частичное испарение проводят для того, чтобы мощное излучение УФ-лазера, проникающее сквозь тонкий слой металлического покрытия, не разрушило диэлектрик под обра-батываемым участком;

2. осуществляется химическое травление остаточной толщины (еди-

45

ницы микрометров) проводящего покрытия в местах лазерной об-работки, которое происходит без подтравливания проводников вследствие малой толщины удаляемого металла и продолжитель-ности процесса травления. Ширина проводников и расстояние между ними в результате лазер-

но-химической обработки соизмеримы с первоначальной толщиной ме-таллического покрытия заготовки ПП, а минимальные размеры зависят от диаметра пятна фокусировки и составляют приблизительно 20 мкм.

При прямом лазерном формировании проводящего рисунка ПП. Процесс обработки состоит из следующих основных этапов:

получение заготовки из нефольгированного полиимида;

подготовка поверхности и сушка;

напыление промежуточного слоя хрома толщиной порядка 20 нм, затем меди или золота толщиной не более 100 нм на всю поверхность заго-товки ПП. Ограничение по толщине связано с необходимой про-зрачностью напыленных слоев для УФ-излучения, которая гаранти-рует возникновение плазмы на границе раздела между металличе-ским покрытием и полиимидом;

лазерное формирование рисунка путем облучения поверхности УФ-лазером с плотностью энергии излучения порядка 50...200 мДж/см2 через рабочую маску, изготовленную из кварцевого стекла с хромовым напылением рисунка схемы, и проецирования из-лучения с помощью объектива на определенный участок поверхно-сти. Излучение лазера проникает через металлическое покрытие, вызывает мгновенное испарение полиимида, приводящее к удалению металла с поверхности;

синхронное перемещение заготовки и хромовой маски при помощи отдельных координатных столов на соседний участок поверхности и его лазерная обработка;

химическое осаждение меди, никеля или золота на сформированный проводящий рисунок заготовки ПП, и получение проводников ши-риной более 15 мкм и толщиной порядка нескольких микрометров. Наряду с быстрой полимеризацией покрытия должны иметь комплекс

гарантированных эксплуатационных свойств с учетом воздействия экстре-мальных условий. Это относится, например, к защитным покрытиям - мас-кам, которые после пайки печатных плат на волне расплавленного припоя должны, оставаясь на печатной плате, сохранять высокую адгезию к разно-

46

родным материалам, термоудароустойчивость, влагостойкость, необходимые электрические характеристики и др. Указанным условиям эксплуатации от-вечают эпоксидные термополимеризующиеся эмали ЭП-941 и 979, но они требуют сушки в печи в течение 2 ч при температуре 100-120 °С. При созда-нии аналогичных фотополимеризуемых композиций ЭП-918 и ФПК-ТЗ на-ибольшую трудность представляло избежать размягчения покрытия, налипа-ния расплава припоя и других дефектов в процессе пайки.

Вопросы к лекции 5

1. К чему могут привести неполное удаление загрязнений с подложек? 2. Как подготавливают поверхность диэлектрика для химического

осаждения меди? 3. Химическая обработка ПП. 4. Что используют в качестве модификаторов средств химической

очистки? 5. Каким образом достигается глубокая очистка подложек? 6. Какие методы используются для получения рисунка схемы? 7. Основные этапы массового и крупносерийного производства оф-

сетной печати. 8. Достоинства и недостатки офсетной печати. 9. В какой последовательности проводится обработка излучением

ультрафиолетового лазера? 10. Этапы формирования проводящего рисунка ПП лазером.

47

Лекция 6

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 4. Формирование рисунка схем

План лекции

6.1. Сущность сеткографического метода 6.2. Материалы сеток 6.3. Прямой и косвенный методы сеткографии 6.4. Светочувствительные композиции 6.5. Материалы красок

СЕТКОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД

6.1. Сущность сеткографического метода

Для получения рисунка схем впервые был использован способ вжига-ния пасты, который в дальнейшем получил название «сеткографический».

Сеткографический способ нанесения защитного рельефа заключа-ется в получении изображения рисунка схемы путем продавливания специ-альных кислотостойких быстросохнущих трафаретных красок ракелем (рези-новой лопаткой) через сетчатый трафарет, на котором рисунок схемы об-разован ячейками сетки, открытыми для продавливания, и закрепления красок на поверхности заготовки ПП в результате испарения растворителя (рис. 6.1).

Защитные свойства трафаретных красок зависят от оптимальной вели-чины вязкости, которая устанавливается в соответствии с температурой, но-мером сетки, сложностью рисунка схемы и пр. Оптимальная величина вязко-сти характеризуется легким и равномерным растеканием и продавливанием краски сквозь отверстия сетки трафарета под воздействием ракеля, изготов-ленного из листов маслобензостойкой резины или полиуретана. Основными видами трафаретных красок являются: защитные щелочесмываемые; быстро-

48

сохнущие и защитные гальваностойкие; смываемые органическим раствори-телем (хлористым метиленом).

Рис. 6.1. Сеткографический способ нанесения защитного рельефа: 1 — трафарет; 2 — краска; 3 — основание ПП

6.2. Материалы сеток

Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из алю-миниевого сплава, на которую натянут тканый материал, к которому предъявляют следующие требования: материал ткани должен быть проч-ным на разрыв, устойчив к растяжению, истиранию, бездефектным, не должен взаимодействовать с растворителями трафаретной краски, величина просветов должна быть в 1,5—2 раза больше толщины нити.

Сетчатые трафареты изготавливают из синтетических тканей (капро-на), из металлических сеток (латунь, бронза, коррозионно-стойкая сталь) и из комбинированных сеток, в которых металлическая центральная часть, со-ответствующая размеру рабочего поля, вклеивается в натянутую на раму ка-проновую ткань клеем «Адгезив-2В» или клеем «Виланд-5К», а капрон под металлической сеткой удаляют концентрированной азотной кислотой. Пред-приятия в основном используют сетки из капрона, реже из нержавеющей стали, еще реже из полиэфирных волокон.

Наибольшую точность и долговечность имеют сетки из нержавею-щей стали или фосфористой бронзы с размером ячеек 40...50 мкм; наиболь-шую эластичность — сетки из лавсана, капрона, металлизированного нейло-нового моноволокна. Сетка равномерно натягивается в раме с заданным уси-лием на пневматических установках натяжения сетки (например, ПУНС-901).

Одним из недостатков сеток является их растяжение при многократном использовании, поэтому важнейшей их характеристикой является тираже-устойчивость. Самая большая тиражеустойчивость у сеток из нержавеющей

49

стали (до 20 тыс. отпечатков с одной сетки), далее идут полиэфирные сетки (до 10 тыс. отпечатков) и капроновые (до 5 тыс.).

6.3. Прямой и косвенный методы сеткографии

Для получения рисунка трафарета применяют прямой или косвенный способы.

При прямом способе на натянутые сетки с временной подложкой из полиэтилентерефталатной пленки наносится фотополимеризующаяся ком-позиция методом полива («Полисет», или типа ФСТ (ТУ610-028-029), или композиция «Фотосет-Ж» — для синтетических тканей), и получают изо-бражение схемы фотохимическим способом (экспонирование через ФШ. проявление, дубление, промывка, обезжиривание, контроль качества) [58]. Для экспонирования изображения на сетку может быть использована уста-новка экспонирования сетчатых трафаретов УЭСТ-901А, выпускаемая АООТ НИТИ-ТЕСАР (г. Саратов).

При косвенном способе рисунок схемы переносится на сетку из пле-ночных материалов, таких как пленка СПФ, пигментная бумага (ТУ29-01-06—70) и др. Достоинством косвенного метода является высокое качество изображения, недостатком — низкая тиражестойкость трафарета (до 600 от-тисков), длительность процесса его изготовления. Получение рисунка трафа-рета возможно также с применением фоторезиста марки «Фотосет-Ж» (ТУ6-15-1467—84), который наносится на натянутую сетку, обработанную в адге-зионном составе, поливом. Затем на сетку устанавливают ФШ с антиадгези-онным слоем (5%-ный раствор парафина и уайт-спирит), чтобы не прилип к сетке, и проводят экспонирование изображения в течение 3...5 мин при ос-вещенности 3000...3500 лк. Проявляют этиловым спиртом при помощи ват-ного тампона.

Достоинством фоторезиста «Фотосет-Ж» является высокая тираже-стойкость и разрешающая способность (40 линий/см), что позволяет полу-чать ПП по 3—4 классу точности (порядка 0,2 мм ширина проводников и расстояний между проводниками), короткий процесс изготовления трафа-рета и способность полимеризоваться в жидком состоянии. После нанесе-ния изображения участки сетки, свободные от рисунка, покрывают кле-ем БФ-4. Рязанский проектно-технологический институт разработал серию

50

нового оборудования для изготовления сетчатых трафаретов с получением изображения от 20 до 40 дюймов и более.

При сеткографическом способе нанесения защитного рельефа исполь-зуют полуавтоматы трафаретной печати, автоматы шелкографии, автомати-ческие линии сеткографической печати. Оборудование для трафаретной пе-чати обеспечивает нанесение красок теплового или УФ отверждения, плав-ную регулировку скорости движения ракеля, быстрое и точное совмещение заготовки и трафарета, вакуумную фиксацию заготовок, печать через сетча-тый трафарет, загрузку и разгрузку заготовок, и включает загрузочное уст-ройство, машину для рихтовки заготовок ПП, сеткографический станок, сушильную печь, накопитель. Наибольший формат печати составляет 620 х 650 мм, производительность — порядка 1000 оттисков/ч.

Одной из проблем трафаретной печати является продолжительность сушки, для решения которой разрабатывают краски мгновенной сушки, со-держащие мономерно-полимерные композиции и фотоинициатор, которые закрепляются на заготовке под действием УФ-излучения.

Удаление трафаретной краски с заготовки ПП после операции трав-ления меди с пробельных мест производится в установках струйного типа 3...5)%-ным раствором горячей щелочи при Т= 40...60 °С в течение 10...20 с.

В оборудовании для одновременного нанесения трафаретной краски на стороны заготовки, ПП устанавливаются вертикально.

Сеткотрафаретный способ изготовления печатных плат (ПП) является самым распространенным, надежным и дешевым.

Для получения рисунка печатной схемы на сетке используют как жид-кие светочувствительные составы (полисет и фотосет), так и сухие пленоч-ные фоторезисты. В СНГ применяют сухой пленочный фоторезист марки ФП, выпускаемый Красноярским заводом "Квант" (толщина све-точувствительного слоя 20, 30, 40 мкм, разрешающая способность или мини-мально воспроизводимый элемент – 100 мкм).

Способ применения прост, на металлическую или синтетическую сет-ку, натянутую на раму, наносится ровным слоем раствор бихромата аммония. Затем пленочный фоторезист копировальным слоем прикатывается к сетке. Далее следует сушка при температуре 40-45 °С в течение 15-20 мин. Затем снимается лавсановая подложка и с плотно приложенным к поверхности на-несенного фоторезиста фотошаблоном идет экспонирование УФ-источником в течение 90 с при мощности лампы 1000 Вт на расстоянии 50-60 см. Экспо-нированный образец проявляется водопроводной водой в течение 2-3 мин.

51

После облучения материал стоек к толуолу, бензину, бутилацетату и другим органическим растворителям.

Однако данный материал неудобен в применении из-за необходимости очувствлять сетку бихроматом аммония. Поэтому в настоящее время в разра-ботке находится трафаретный СПФ (условное название СПФ-ТОС). Разра-батываемый материал имеет следующие характеристики:

толщина светочувствительного слоя, мкм 20, 40, 60;

разрешающая способность, мкм 100;

тиражеустойчивость, отп. 5000;

эффективное время экспонирования, мин, не более -10;

усадка слоя; %, не более 5;

растяжение слоя при печати, мкм/м - до 500;

химически стоек к органическим растворителям бутилацетату, метил-целлозольву, ацетону, толуолу, уайт-спириту, краскам серии СТ.3.12, СТ.3.13, СТ.3.5, композициям ФПК-ТЗ, ТЩ и ТМ; Экономический эффект планируется получать за счет упрощения изго-

товления трафаретных форм, повышения качества трафаретов и полученного с них оттиска, исключения операции очувствления при изготовлении трафа-рета, а также за счет возможности при изготовлении малых серий повторно использовать трафареты и сократить расход ситовых тканей.

6.4. Светочувствительные композиции

Одной из последних разработок в области светочувствительных мате-риалов является создание жидкой фотополимерной композиции марки ФС-1к, аналогичной по свойствам и технологическим приемам жидкой ком-позиции "Фотосет-Ж". Данная композиция, в отличие от "Фотосета-Ж", об-ладает более высокой светочувствительностью, что уменьшает время экспо-нирования. Кроме того, ФС-1к обладает более ярким цветом, что дает воз-можность оператору в более короткие сроки обнаружить и устранить дефек-ты на сеткотрафарете.

Рассмотрим приготовление сеткотрафаретных форм. Нижняя лав-сановая пленка толщиной не менее 60 мкм помещается на гладкую, ровную поверхность (стекло, оргстекло). На нее накладывается трафаретная рама с натянутой и обезжиренной сеткой, на которую наливается композиция. Верхней армирующей пленкой является фотошаблон. Для защиты рабочей

52

поверхности фотошаблона со стороны эмульсии от воздействия жидкой ком-позиции ее обрабатывают, смазкой из воска, растворенного в бензине. Фото-шаблон накладывают эмульсионной стороной на политую композицией сет-ку, после чего она равномерно распределяется валиком или ракелем по по-верхности формы. Выдавливаемые излишки композиции собираются и могут быть использованы для повторного применения с предварительной фильтра-цией.

Как же происходит экспонирование и проявление. В качестве источни-ка экспонирующего излучения используются люминесцентные уль-трафиолетовые лампы марки ЛУФ-80 или другие, аналогичные по мощности. Расстояние от источника излучения до поверхности формы 150-350 мм. Вре-мя экспонирования 1-3,5 мин (подбирается экспериментально). Проявление осуществляется многократной протиркой ватным тампоном, смоченным эти-ловым спиртом. К концу проявления не должно происходить окрашивания тампона в цвет, характерный для композиции (ярко-красный).

Контроль качества печатной формы производится в проходящем свете визуально или с помощью лупы. В заполимеризованном слое должны отсут-ствовать сквозные точки, царапины и повреждения. В пробельных местах не должны присутствовать следы недопроявленной композиции. Обнаруженные дефекты в виде проколов и царапин перекрываются клеем "Адгезив-2В" или эпоксидной смолой с нерабочей стороны формы.

Для получения рисунка ПП на фольгированном диэлектрике использу-ются термоотверждающиеся краски СТ.3.5, СТ.3.12, СТ.3.13, СТ.3.19. Режим сушки на воздухе в течение 6 ч или в термошкафу при температуре 60 °С в течение 40 мин. Использование таких красок делает процесс сеткографии растянутым во времени, т. с. недостаточно технологичным.

Более технологичными являются фотополимерные композиции с УФ-отверждением, позволяющие сократить продолжительность отверждения по-крытий до нескольких секунд, что является решающим фактором в проблеме автоматизации технологических процессов.

Наряду с быстрой полимеризацией покрытия должны иметь комплекс гарантированных эксплуатационных свойств с учетом воздействия экстре-мальных условий. Это относится, например, к защитным покрытиям - мас-кам, которые после пайки ПП на волне расплавленного припоя должны, ос-таваясь на ПП, сохранять высокую адгезию к разнородным материалам, тер-моудароустойчивость, влагостойкость, необходимые электрические ха-рактеристики и др. Указанным условиям эксплуатации отвечают эпоксидные

53

термополимеризующиеся эмали ЭП-941 и 979, но они требуют сушки в печи в течение 2 ч при температуре 100-120 °С. При создании аналогичных фото-полимеризуемых композиций ЭП-918 и ФПК-ТЗ наибольшую трудность представляло избежать размягчения покрытия, налипания расплава припоя и других дефектов в процессе пайки.

Композиция ЭП-918 образует на ПП отвержденные покрытия в течение 15 с при УФ-облучении на конвейерной установке ртутно-кварцевыми лам-пами суммарной мощностью не менее 10 кВт и эффективной частью спектра 200-450 нм. Композиция не содержит органических растворителей, является двухкомпонентной, требует предварительного введения фотоинициатора, по-сле чего пригодна к употреблению в течение не менее 4 ч. Нанесение рисун-ка (цвет - зеленый) производится через трафарет вручную или на любом сет-кографическом станке. При однократном нанесении покрытие имеет толщи-ну 15 - 25 мкм и воспроизводит рисунок с шириной линий и расстоянием между ними 0,25 мм. После УФ-полимеризации покрытие выдерживает по-гружение в расплав припоя ПОС-61 при температуре 260 °С в течение не ме-нее 10с, воздействие спиртобензиновой смеси в течение не менее 5 мин и термоциклирование в интервале температур от -60 до +125 °С (не менее 30 циклов). Адгезия на ПП до и после воздействия указанных выше факторов равна 1 баллу по методу решетчатого надреза. В процессе автоматизирован-ной пайки на волне припоя некоторые флюсы, в т. ч. водные, оказывают раз-рушающее действие на защитное покрытие ЭП-918, в связи с чем необхо-димо применять дополнительную термообработку в течение 15 мин при тем-пературе 135 °С, улучшающую все свойства покрытия за счет углубления процесса полимеризации. Это же рекомендуют и фирмы "Курт Нортэн" (Швеция) и "Коотс" (Великобритания).

В случае, когда необходимы усиленная влагозащита поверхности ПП и механическое закрепление проводников, целесообразно применять защитное покрытие повышенной толщины - 40-50 мкм, получаемое двукратным нане-сением композиции с УФ-полимеризацией каждого слоя в течение 15с. Мар-кировочные фотополимерные композиции в условиях пайки волной припоя находятся в менее жестких температурных условиях. Тем не менее, к ним предъявляются высокие требования, касающиеся надежной адгезии к боль-шому набору разнообразных материалов, а также стойкости ко многим рас-творителям и другим обезжиривающим средствам, к покровным лакам и ме-ханическому истиранию.

54

6.5. Материалы красок

В настоящее время разработаны два вида маркировочных красок - ФПК-М и СКУМ. Эти краски имеют белый, синий и красный цвета, обра-зующие покрытия толщиной около 30 мкм, полимеризуются в течение 20 с и удовлетворяют приведенным выше требованиям. Указанные краски приме-няются взамен красок термосушки СТ.3.19 и ТНПФ, не содержат раствори-телей. Маркировочные краски с УФ-отверждением с близкими к отечествен-ным краскам свойствами изготавливаются зарубежными фирмами "Hollmul-ler" (Германия), “Coats” (Великобритания) и др.

К сеткографическим материалам типичного технологического назначе-ния относятся композиции, применяющиеся для получения на ПП токопро-водящего рисунка и удаляющиеся после его образования. Главным требова-нием, предъявляемым к таким краскам, является высокая химическая и галь-ваническая стойкость в условиях изготовления ПП химическим и комбини-рованным позитивным способами, предусматривающими использование сильно агрессивных водных сред. Кроме того, такие покрытия должны не только быстро полимеризоваться, но и быстро сниматься с заготовок ПП при обработке соответствующими органическими растворителями или водными растворами.

Этим требованиям отвечают фотополимерные композиции ФПК-ТЩ и СКУ. Обе краски отверждаются УФ-облучением. Покрытия обладают хоро-шей адгезией к меди, они стойки, не изменяют внешнего вида и не отслаива-ются в кислом растворе травления меди при температуре 40-45 °С в течение 20 мин, а также при комнатной температуре в течение более 2 ч в электроли-те сернокислого меднения, борфтористом и кремнефтористом электролитах гальванического осаждения сплава "олово-свинец".

Следует отметить, что гальваностойкость полимерных материалов не-достаточно оценивать только по их способности выдерживать без разруше-ния воздействие электролитов в условиях гальваноосаждения металлов. Не менее важным является воздействие испытуемого полимерного покрытия на электролит за счет растворения в нем продуктов гидролиза связующего, а также содержащихся в связующем низкомолекулярных примесей и исходных непрореагировавших компонентов.

Выдержка опытных образцов в дистиллированной воде показывает, что указанные вещества способны существенно изменять рН среды, при этом од-новременно происходит уменьшение массы пленки. Воздействие на электро-

55

лит более значимо и выражается в изменении структуры осаждаемого метал-ла и ухудшении его механических свойств (например, в резком повышении хрупкости и снижении адгезии медного слоя).

Сложность взаимодействия полимерного материала и электролита, за-висящего от их структуры и состава, в какой-то мере объясняет производство зарубежными фирмами специальных гальваностойких красок, сочетающихся с типовыми электролитами для осаждения тех или иных металлов.

Краска СКУ гальваностойка в электролите сернокислого меднения, кремнефтористом и борфтористом электролитах осаждения сплава "олово-свинец". Краска ФПК-ТЩ имеет хорошие печатные свойства, но образуемое покрытие не является гальваностойким: оно быстро, в течение нескольких суток, загрязняет электролит меднения, ухудшая при этом качество осажден-ной меди, а в электролитах осаждения сплава "олово-свинец" изменяет окра-ску и отслаивается. В настоящее время композиция доработана, ее недостат-ки большей частью устранены.

Применение в технологии изготовления ПП разработанного комплекса сеткографических фотополимеризуемых композиций открывает возможности для создания автоматизированных систем производства с весьма короткими технологическими циклами, позволяет экономить электроэнергию, материа-лы, трудозатраты и производственные площади. Отсутствие растворителей снижает загрязнение окружающей среды и улучшает условия труда.

Вопросы к лекции 6

1. В чем заключается сеткографический способ нанесения защитного рельефа?

2. От чего зависят защитные свойства трафаретных красок? 3. Что представляют собой сетчатые трафареты? 4. Из чего изготавливают сетчатые трафареты? 5. Прямой и косвенный методы сеткографии. 6. Приготовление сеткотрафаретных форм. 7. Маркировочные краски - ФПК-М и СКУМ. 8. Какие требования предъявляются к сеткографическим краскам? 9. Гальваностойкие полимерные материалы? 10. Какие возможности открывает комплекс сеткографических фотополимеризуемых композиций?

56

Лекция 7

ФОТОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 4. Формирование рисунка схем

План лекции

7.1. Сущность фотохимичекого метода 7.2. Субтрактивный фотохимический метод 7.3. Аддитивный фотохимический метод 7.4. Производство многослойных печатных плат

7.1. Сущность фотохимичекого метода

Основным методом изготовления печатных плат являются фотохими-ческий метод, который заключается в получении рисунка проводников и контактных площадок путем засвечивания фоточувствительного материала через фотошаблон.

Перенос рисунка печатных проводников на фольгированый диэлектрик осуществляется с помощью светочувствительнго материала, называемого фоторезист, что означает чувствительный к свету (фото) и устойчивый к травлению (резист). Фоторезисты образуют устойчивый к травлению слой толщиной 10 – 30 мкм.

Резисты наносят различными методами. Если структура рисунка пе-чатных проводников не приводит к повышенным требованием по допускам, используется метод трафаретной печати, который эффективен в больших се-риях благодаря использованию автоматического оборудования.

Основой для работы во всех методах служат позитивные или негатив-ные фотошаблоны, получаемые путем фотокопирования оригинала рисунка ПП. Чаще используются фотопленки, а при высоких требованиях к допускам – фотопластины.

57

При трафаретной печати фотошаблоны служат для изготовления тра-фарета, а при офсетной печати – для изготовления клише.

Фотохимический метод подразделяется на три метода:

субтрактивный с применением фольгированного диэлектрика, при ко-тором рисунок схемы образуется за счёт травления части поверхности;

аддитивный, где проводящий рисунок поверхности получается химиче-ским осаждением металла на нефольгированный диэлектрик;

полуаддитивный или комбинированный – на диэлектрике с химиче-ским осаждением меди наращивается электролитический слой меди.

В основном печатные платы изготавливаются комбинированным методом, поскольку отверстия в диэлектрике, предназначенные для монтажа ЭРЭ с ме-таллическими выводами, требуют химической металлизации и электрохими-ческого наращивания металлизированного слоя.

7.2. Субстрактивный метод

Преимущества субтрактивного метода заключается в хорошей адгезии печатных проводников, изготовлении ОПП без применения процессов мета-лизации и др.

Недостатки:

необходима высокачественная электролитическая медная фольга

потери меди при травлении до 60%

проблема сточных вод, поскольку регенерация меди из травильных растворов экономична только для больших производств.

для металлизации отверстий ПП необходимы дополнительные химиче-ские гальванические процессы, а также особые защитные покрытия (плакирование сплавом Sn – Pb или Au)

ограничение минимальной ширины зазоров и проводников из-за под-травливания

уменьшения площади монтажа для МПП Схема технологического процесса изготовления ОПП субтрактивным

методом приведена на рис. 7.1.

58

Рис.7.1. Схема технологического процесса изготовления ОПП субтрактивным методом

В основе технологии изготовления ДПП субтрактивным методом лежат

те же процессы, что и при создании ОПП (рис. 7.2), дополненные созданием переходных соединений. Их реализация, т.е. электрическое соединение 2 сторон ПП является самой критичной технологической операцией.

59

Рис.7.2. Технология изготовления ДПП субтрактивным методом

Методы, основанные на впаивании проволоки или штифтов или на

применении полых заклепок, малопригодны для массового производства и малонадежны. В настоящее время для соединения проводников ДПП приме-няют только металлизированные отверстия. Отверстия для металлизации по-лучают сверлением. Пробивка непригодна т.к. разрушает структуру материа-ла на стенках отверстий. Диэлектрик может быть металлизирован только хи-мическим осаждением с предварительной сенсибилизацией и активацией. Химический слой меди тонок – до 5 мкм. Для утолщения слоя меди исполь-

60

зуется гальваническое усиление после создания защитного рельефа методом фотопечати. И наконец, наносится устойчивый к травлению металлорезист (плакирование ПП), который также облегчает процесс пайки. Золото в ос-новном используется для переключающих контактов и печатных соедините-лей. Металлизированные отверстия существенно повышают надежность па-янных соединений за счет того, что припой в результате капиллярных сил за-полняет все отверстие.

При негативном методе возможны 2 варианта. Либо операции повто-ряются при использовании в качестве фотошаблона негатива печатных плат. Либо после создания защитного рельефа производится защитное покрытие медных поверхностей, не защищенных фоторезистом. Последующими опе-рациями удаляется ФР или производится травление Cu фольги, при этом гальванически осажденные слои служат защитной маской.

7.3. Аддитивный метод

При этом методе исходным является нефольгированный диэлектрик, на поверхность которого наносится рисунок печатных проводников химическим осаждением.

Преимуществами аддитивного метода над субтрактивным является:

более высокая надежность, т.к. проводники и металлизация отверстий получается в едином процессе

однородность соединений между проводниками и металлизацией от-верстий

отсутствие подтравления

отсутствие гальванического защитного покрытия при травлении

экономия меди, травителей и уменьшение затрат на нейтрализацию сточных вод. Наряду с этими преимуществами, особенностями аддитивного метода

является, равномерность толщены слоя в отверстиях и на поверхности, а также хорошие механические и физические свойства химически осажденной меди (твердость, износостойкость, паяемость).

Недостатками метода являются высокая стоимость изделия (в 3 – 4 раза выше, чем при гальваническом осаждении) и низкая стоимость осажде-ния. Рассмотрим 2 основных варианта аддитивного метода изготовления ПП: химический и химико – гальванический или комбинированный

61

В первом варианте проводящие слои получают на основе восстанови-тельного осаждения, при этом возможно получать слои толщиной 0,010 мкм

подбирая соответствующие условия осаждения (pH, t, ). Схема технологиче-ского процесса химического аддитивного метода включает:

сверление и очистку отверстий в диэлектрике;

сенсибилизацию и активизацию поверхности;

создание защитного рельефа методом фотопечати;

химическое меднение;

удаление фоторезиста;

создание неметаллизированных отверстий;

нанесение маски для пайки (трафаретная печать).

В комбинированном методе на поверхности нефольгированного ди-

электрика сначала получают химическим методом слой меди толщиной 5 мкм, который служит основой для селективного гальванического наращива-ния рисунка проводника. Однако из- за неравномерного распределения плот-ности тока гальванических ванн, возможна неравномерная толщина покры-тий в отверстиях. Поскольку активация с помощью растворов SnCl2 и PbCl2 производится на всей поверхности ПП, то после создания защитного рельефа и гальванического наращивания необходима короткая операция травления тонкого слоя химически осажденной Cu с нежелательных мест.

Особенно экономичен аддитивный метод при изготовлении МПП с ме-таллизированными отверстиями.

62

7.4. Производство многослойных печатных плат

Производство многослойных ПП (МПП) заключается в создании от-дельных слоев печатных проводников и изоляционных слоев. Изоляционные слои могут быть очень тонкими, т.к. стабильность МПП зависит от их сум-марной толщины и качества соединений. Схема технологического процесса изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий включает:

Изготовление слоев по субтрактивной позитивной технологии на ДПП;

 

Сборка слоев и изоляционных прокладок;

Прессование;

Сверление и очистка отверстий;

Подтравливание диэлектрика;

Металлизация отверстий, включающая сенсибилизацию и активацию, химическое меднение, создание защитного рельефа, гальваническое усиление меди, гальваническое осаждение металлорезиста, удаление фоторезиста, травление;

Создание неметаллизированных отверстий.

63

Таким образом, совмещение рисунков проводников в МПП достигается с помощью базовых отверстий в слоях (или штифтов штампов).

В процессе прессования связующее вещество изоляционных прокладок затвердевает и соединяет при этом слои в жесткую конструкцию. Одновре-менно отдельные рисунки проводников изолируются друг от друга.

По другому методу изготовления МПП, во всех слоях, лежащих выше места контактирования, выполняется перфорация. Благодаря этому провод-ники различных слоев МПП становятся доступными для соединения, к ним припаиваются выводы радиодеталей или ставят перемычку из калиброванной проволоки, которую можно провести над поверхностью ПП. Однако, этот метод не позволяет осуществлять непрерывный технологический процесс и не соответствует требованиям серийного производства.

Для МПП наиболее целесообразным является создание металлизиро-ванных отверстий. Металлизация приводит к электрическому соединению проводников различных слоев МПП, поскольку отверстия проходят сквозь контактные площадки. Благодаря подтравливанию диэлектрика в отверстиях, можно достигнуть 3-х стороннего охвата медного кольца, что обеспечивает надежное соединение.

Для МПП используются также заготовки с двухсторонним расположе-нием печатных проводников и металлизированными отверстиями (метод по-парного прессования). В спрессованной МПП просверливаются и металлизи-руются отверстия лишь в тех точках, где необходимо обеспечить соединение слоев или осуществить установку навесных элементов. Этот метод позволяет увеличить плотность электрических соединений, которая может быть еще больше в случае применения навесных элементов с планарными выводами.

Для обеспечения точности в производстве МПП применяется автома-тический координатограф, а также станки с программным управлением для сверления отверстий. Выполнение документации на трассировку МПП осу-ществляется с помощью ЭВМ, это позволяет исключить ошибки, неизбежные при ручной обработке. Потребителю печатных плат необходимо только под-готовить информацию для ввода в ЭВМ или на специальных бланках выпол-нить эскизы требуемой ПП. Благодаря этому рационализуется и обеспечива-ется экономический производственный цикл. В производственных помеще-ниях поддерживаются постоянные климатические условия.

Метод послойного наращивания формирует многослойную структуру не из заранее подготовленных слоев, а в непрерывном процессе нанесения изоляционных и проводящих слоев. В качестве подложки используется кера-

64

мический материал. Нанесение слоев можно проводить как на одной, так и на обеих сторонах подложки.

В керамике в неотожженом состоянии можно создавать отверстия для соединения нижних проводящих слоев коммутационной структуры.

Рис.7.3. Процесс послойного наращивания

При использовании толстопленочной технологии изоляционные и про-водящие составы наносятся с помощью трафаретной печати и затем вжигают. Выбор материалов для подложек очень ограничен из – за высоких тепловых нагрузок. Большей частью используют Al2O3 или BeO.

В другом варианте этого метода, с помощью трафаретной печати нано-сятся только изоляционные слои, а проводящие создаются на основе метода подобного аддитивному.

По тонкопленочной технологии диэлектрические и проводящие слои наносят с помощью термовакуумного распыления, испарения и т.д. Такие покрытия могут быть нанесены в 1 цикле вакуумной откачки, но они чувст-вительны к внешним механическим воздействиям, а затраты на оборудование значительны.

Вопросы к лекции 7

1. В чём заключается фотохимический метод изготовления печатных плат?

2. Каким методом, в основном, изготавливаются печатные платы? Поче-му?

3. Преимущества и недостатки субтрактивного метода? 4. Почему методы, основанные на впаивании проволоки или штифтов или

на применении полых заклепок малопригодны для массового произ-водства?

65

5. Преимущества и недостатки аддитивного метода над субтрактивным? 6. Что включает в себя схема технологического процесса химического

аддитивного метода? 7. Методы изготовления многослойных печатных плат. 8. Каким образом обеспечивается точность в производстве МПП? 9. В чём заключается метод послойного наращивания? 10. С помощью чего по тонкопленочной технологии наносят диэлектриче-

ские и проводящие слои?

66

Лекция 8

ФОТОРЕЗИСТЫ

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 4. Формирование рисунка схем

План лекции

8.1. Фоторезисты на основе поливинилового спирта 8.2. Негативные фоторезисты на основе полиакрилатов 8.3. Позитивные фоторезисты 8.4. Нанесение фоторезистов 8.5. Сухие пленочные фоторезисты

8.1. Фоторезисты на основе поливинилового спирта В полиграфической промышленности первоначально использовались

светочувствительные системы на основе природных органических веществ – желатин, альбумин и другие. Очувствителями их являются соли Cr – бихро-маты, причём (NH4)2Cr2O7 даёт более чёткий рисунок, чем K2Cr2O7. Природ-ные коллоиды с низкой восприимчивостью свойств и непродолжительностью хранения вытесняются синтетическими полимерами, например, поливинило-вый спирт (ПВС):

ПВС+(NH4)2Cr2O7 (8-10%) Фоторезисты (ФР) наносят на сухие и мокрые заготовки. Под действи-

ем ультрафиолетовых лучей происходит смешивание слоя и потеря раство-римости в результате образования связей между функциональными группа-

67

миПВС и Cr3+ . Затем выдерживают 24 часа для прохождения процесса диф-фузии.

ФР негативный, нетоксичен, хорошо растворим в воде. Недостатком ФР на основе ПВС является его темновое дубление (в темноте), что исключа-ет длительное хранение заготовок со слоем ФР. Это происходит в результате диссоциации бихромата в воде с выделением хромовой кислоты H2CrO4, ко-торая задубливает слой ФР.

Негативные ФР на основе поливинилцинномата имеет разрешающую способность 500 линий/мм. ПВЦ – это продукт взаимодействия ПВС с хлор-ным ангидридом коричной кислоты. Растворяется лишь в органических со-ставах.

Наносится на сухую поверхность, проявление ведётся в органических

растворах или их парах. Темновое дубление отсутствует. На основе ПВЦ в США выпускается KFR “Kodak Photo Resist”. Но из- за токсичности и слож-ности синтеза ФР используются только при изготовлении интегральных мик-росхем.

8.2. Негативные фоторезисты на основе полиактилатов

Негативный ФР типа “холодная эмаль” на основе акриловых соедине-ний представляет собой композицию сополимеров с инициатором полимери-зации – бензолформальдегидной смолой. Под действием УФ – лучей инициа-тор полимеризации распадается на свободные радикалы, которые иницииру-ют полимеризацию.

J+hR10+ R2

0 ; R0+MRM0 и т. д.

Фотополимерный слой обладает высокой химичечкой стойкостью и не требует дубления. В щелочной среде он неустойчив, что используется для снятия после травления.

68

8.2. Позитивные фоторезисты

ФР на основе диазосоединений – позитивный, создаёт группу –N=N–, обуславливающий светочувствительность. Под действием света диазосоеди-нения разлагаются с образованием инденкарбоновых кислот, растворимых в растворах щелочей, NH4OH, Na3PO4.

Диазосоединения в композиции с различными полимерами (для повы-

шения кислотостойкости и предотвращения кристаллизации) растворяют в спиртах, кетонах. ФР наносится на сухую поверхность заготовки. Для улуч-шения адгезии слоя ФР с подложкой производится термическое дубление при температуре 115 – 120 0С в течении 1- 2 часов. В ФР на основе диазосое-динений отсутствует темновое дубление. Разрешающая способность ФР на основе диазосоединений 350 – 400 линий/мм, а на основе ПВС – 50 ли-ний/мм. Фирмой “Динахем” выпускается плёночный ФР, состоящий из поли-эфирной плёнки, покрытой диазоэмульсией, который проявляется парами аммиака.

8.4. Нанесение фоторезистов на поверхность

ФР наносится на предварительно подготовленную поверхность заго-товки следующими методами:

окунанием

центрифугированием

пульверизированием

валиковым способом Способы малопроизводительны, а при центрифугировании 80% ФР

сбрасывается с заготовки. Исключают потери ФР и обеспечивают равномер-ность распределения способы:

69

медленного вытягивания заготовки с заданной скоростью;

истечение с заданной скоростью фоторезиста из ёмкости с заготовкой. Затем следуют операции сушки (30 – 40 0С в течении 30 мин), экспони-

рования, проявления. Проявленный рисунок подвергается химическому и термическому дублению для повышения химической стойкости ФР. Химиче-ское дубление осуществляется в растворе CrO3, при этом образуются новые поперечные связи в ФР. Термодубление осуществляется в расплаве солей KNO2 и NaNO3 при температуре 2050С, затем расплав стекает, и заготовки охлаждают, промывают или используется нагрев ИК – лампами, которые обеспечивают хорошую адгезию, т.к. подогревают подложку быстрее, чем ФР.

Недостатки жидких ФР:

Неоднородность слоя по толщине;

Затекание ФР в металлизированные отверстия;

Большая ширина проводников и зазоров (250 мкм).

8.5. Сухие пленочные фоторезисты

Все используемые в технологии изготовления ПП сухие пленочные фо-торезисты негативного типа. Они представляют собой трехслойный матери-ал, имеющий готовый светочувствительный слой определенной толщины. Слой термопластичен и обладает липкостью при повышенных температурах. На подложку сухой фоторезист наносится в процессе ламинирования.

Необходимым компонентом фоторезистов всех типов является пленко-образующий полимер, выбор которого в значительной степени определяет основные свойства и технические характеристики материала. От свойств по-лимерного компонента зависит тип применяемого проявителя и удаляющего агента. По этому признаку фоторезисты делятся на

проявляемые органическими растворителями,

водопроявляемые,

проявляемые органо-водными растворами. В СНГ выпускаются следующие типы сухих пленочных фоторезистов:

органопроявляемые - СПФ-2, СПФ-АС-1, СПФ-П, водно-щелочные - СПФ-ВЩ-2, СПФ-ПНЩ, ТФПК. Фоторезист ТФПК выпускается в ограниченных количествах.

В 1989 г. была начата разработка нового поколения фоторезистов. Так,

70

разрабатывались шесть типов пленочных фоторезистов - сухой пленочный фоторезист "защита" с водно-щелочной обработкой (СПФ-З-ВЩ), сухой пле-ночный фоторезист повышенной надежности для получения рисунка повы-шенной надежности (СПФ ПНЩ), лазерный (СПФл), сеткотрафаретный (СПФс), позитивный (СПФп), бесконтактный (СПФ6). Их свойства приведе-ны в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Свойства пленочных фоторезистов

Фоторезист Показатели

СПФ-З-ВЩ

ПФ-ПНЩ

СПФл СПФс СПФп СПФ6

Количество слоев в ма-териале

3 3 3 2 3 3

Толщина светочувст-вительного слоя, мкм

75,100,110 5,50 60

20,40,60

20,40,60

20,40,60

Светочувствитель-ность, мДж/см3

90 80 30

10...40

60

80

Разрешающая способ-ность,мкм

150...200 100 50

100

50

100

Гарантийный срок хра-нения, мес

9

9 6

12

9

9

В настоящее время на мировом рынке предлагаются сухие пленочные

фоторезисты семи зарубежных фирм, в том числе "Дюпон" (США - ФРГ), "Дайнахэм" (США), "Хитачи" (Япония), "Хехст-Озатек" (ФРГ) и др. Изу-чаются и сравниваются физические, химические и технологические свойст-ва. Проведение сравнительных испытаний 23 марок сухих пленочных фото-резистов отечественного и зарубежного производства позволяют сделать вы-вод о том, что отечественные фоторезисты аналогичны зарубежным образ-цам по своим технологическим и эксплуатационным свойствам. Однако по воспроизводимости свойств от партии к партии и стабильности техно-логических параметров отечественные фоторезисты значительно уступают зарубежным образцам.

Для метрологического обеспечения контроля значений указанных па-раметров разрабатывались методики определения светочувствительности,

71

спектральной чувствительности, водопоглощения, механической прочности, прочности сцепления с подложкой, разрешающей способности, гальвано-стойкости, полноты полимеризации и твердости (для СПФ-З-ВЩ). Использо-вание разработанных и существующих методик определения различных ха-рактеристик сухих пленочных фоторезистов позволяет выбрать наиболее оп-тимальные условия эксплуатации материалов.

В процессе разработки, например, СПФ-З-ВЩ составлена достаточно обширная программа определения различных характеристик материала, пре-дусматривающая технологические и эксплуатационные испытания, а также определение диэлектрических показателей. Столь большой перечень пара-метров, по которым проводятся испытания сухого пленочного фоторезиста СПФ-З-ВЩ, обусловлен его назначением - использованием в качестве маски под пайку, а также для электрической и механической защиты ПП от внеш-них воздействий при хранении и эксплуатации.

Для нанесения СПФ-З-ВЩ требуется особое оборудование - ламинатор с вакуумным прижимом. В процессе ламинирования СТФ-3-ВЩ наносится на обе поверхности одновременно, и основная задача здесь достичь плотного прилегания светочувствительной композиции к поверхности проводников, проникновения ее между проводниками и в зазоры, а также полного удале-ния воздуха из пространства между защитным покрытием и схемой ПП.

Поскольку адгезия, кроме влияния тепла и вакуума, определяется еще и качеством подготовки поверхности, необходимо обеспечить очистку поверх-ности IIП с помощью обезжиривающих растворов и сушку платы в течение 1 ч при температуре 115±2 °С в термошкафу. Если время между подготовкой поверхности и нанесением фоторезиста превышает 3 ч, то непосредственно перед нанесением сушку ПП следует повторить.

Защитный фоторезист является негативной системой, т. е. системой, теряющей растворимость под действием УФ-излучения. В процессе экспони-рования области, подвергаемые УФ-облучению, полимеризуются и не рас-творяются при последующем проявлении. Области, на которых в дальней-шем будет производиться пайка, открываются при проявлении.

В зависимости от типа защитной маски проявление может осуществ-ляться либо в органических растворителях, либо в водных растворах щело-чей. В рассматриваемом случае проявителем служит 2 %-ный раствор каль-цинированной соды Na2CO3.

Проявление СПФ-З-ВЩ производится при температуре 38-40 °С, Вре-мя проявления зависит как от растворимости светочувствительной компози-

72

ции, так и от толщины неэкспонированной защитной маски. Используя со-временное оборудование, можно добиться достаточно качественного прояв-ления со скоростью 1,5-3 м/мин. После проявления производится промывка в чистой воде, сушка и визуальный контроль, который позволяет выявить де-фекты покрытия и несовмещение фотошаблона при экспонировании. (По-скольку фотошаблон в процессе экспонирования и хранения подвергается воздействию окружающей среды, возможны деформационные процессы, в связи с чем рекомендуется делать фотошаблоны на специально обработан-ных фотопленках типа "Дименшен Майстер" фирмы Дюпон или на стекле.)

Последующие операции при использовании СПФ-З-ВЩ - это экспони-рование УФ-излучением без шаблона и термосушка. Для отверждения ис-пользуют УФ-излучение интенсивностью 5-7 Дж/см2. Термосушка осуществ-ляется в термошкафу при температуре 130-150/оС в течение 1-2 ч. В зависи-мости от типа используемого фоторезиста эти операции могут быть дополне-ны предварительной сушкой перед УФ-экспонированием без шаблона. Це-лью двух последних операций является дополнительная полимеризация в слое защитной маски при большой толщине светочувствительной компози-ции.

Итак, защитные маски должны выполнять следующие функции: 1) обеспечивать изолирующее покрытие; 2) обеспечивать оптимальные условия при монтаже, особенно поверх-

ностном, включая обеспечение достаточно хорошей поверхности для клеев и компонентов;

3) предотвращать миграцию ионов металла; 4) обеспечивать защиту межслойных переходов, что позволяет разме-

щать на них компоненты при поверхностном монтаже и таким образом уве-личивать плотность монтажа.

Применение защитных масок позволяет производить ПП, используя только контактные площадки. Применение сухих защитных масок открывает также новые возможности для автоматизации и механизации процесса про-изводства ПП.

С учетом тенденции к увеличению плотности монтажа и трассировоч-ной плотности ПП перспективные разработки сухих и, особенно, жидких фо-торезистов направлены на создание материалов с разрешающей способно-стью 50-70 мкм. Кроме того, необходимость отхода от использования орга-нических растворителей, особенно хлорорганических, диктует необходи-мость разрабатывать фоторезисты с водно-щелочной обработкой, хотя этот

73

вариант требует, в свою очередь, создания надежных очистных сооружений с гарантированной очисткой воды в замкнутом цикле.

Вопросы к лекции 8

1. Что такое фоторезист и каковы его функции? 2. Типы фоторезистов. 3. Какие виды фоторезистов были использованы первоначально? 4. Как осуществляются процессы сшивки в фоторезистах? 5. Эволюция фоторезистов на основе поливинилового спирта. 6. Негативные фоторезисты на основе полиакрилатов 7. Позитивные фоторезисты 8. Способы нанесения жидких фоторезистов 9. Сухие пленочные фоторезисты 10. Технологические особенности нанесения пленочных фоторезистов.

74

Лекция 9

ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 4. Формирование рисунка схем

План лекции

9.1. Процесс травления 9.2. Травители для меди 9.3. Производственный процесс травления 9.4. Электрохимиеский процесс травления

9.1. Процесс травления

Травление – это химическое разрушение материала под действием га-зообразных или жидких травителей.

Продукты реакции в общем случае удаляются благодаря подвижности травителя.

Травление применяется для:

получения рисунка ПП в субрактивном методе;

при изготовлении сетчатых трафаретов и фильтров, масок (исп. мет. фольга);

профильного травления для изготовления деталей из тонкой жести и фольги;

создания металлически чистых поверхностей для последующего осаж-дения слоев;

создания определенного рельефа поверхности;

удаления изоляционных слоев (травление стекла и эпоксидной смолы в отверстиях МПП). Необходимо учитывать состояние поверхности травящегося металла.

Иногда окисные слои пассивируют поверхность и травитель не может дос-тигнуть металлической фазы, при этом может наблюдаться сильное локаль-

75

ное растворение. Поэтому загрязнения необходимо удалять перед травлени-ем.

Физическая неоднородность металла определяется различной ориента-цией поверхностных кристаллов, а также различными дефектами построения кристаллической решетки. Крупнокристаллическая структура металлических слоев может оказать вредное действие.

Химическая неоднородность определяется границами кристаллов, на которых предпочтительно осаждаются загрязнения и концентрируются де-фекты, а также различным химическим составом компонентов. Она проявля-ется в виде образования отверстий, зазоров и рисок.

Поэтому еще на стадии получения металлических слоев необходимо обращать внимание на их мелкозернистость, химическую чистоту и беспо-ристость.

Эффективность процесса травления определяется реакциями диффу-зии, окисления и восстановления, протекающими на границе фаз металл – раствор. Ход этих реакций можно регулировать поддержанием заданных температуры и состава травителя.

Основы травления заключаются в том, что металлы, растворяясь в ки-слотах, образуют положительно заряженные ионы, например Cu2+ .

Большое влияние на качество оказывает скорость травления. Обычно для металлических слоев она составляет 10-50 мкм/мин. Малая скорость травления, а значит большая продолжительность травления, приводят к бо-ковому подтравливанию. Необходимое постоянство состава травителя, а зна-чит малое время травления, достигаются с применением установок с непре-рывной регенерацией раствора. Качество травления характеризуется степе-нью бокового подтравливания, которая определяется фактором травления

F = H / l

При изготовлении ПП субтрактивным методом F достигает 2-4. Для уменьшения бокового подтравливания в травильные растворы вво-

дят специальные добавки: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди, например, Ag, Hg, Pt, Pd, Au, которые оказывают каталитическое дей-ствие на процесс, а органические соединения (мочевина, аминотриазол, ами-ды и др.), адсорбируясь на боковых поверхностях, ингибируют их растворе-ние.

76

Скорость травления меди зависит от состава травителя, концентрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обработки, температуры рас-твора и количества меди, перешедшей в раствор.

9.2. Производственный процесс травления

Технологический процесс травления состоит из операций:

предварительной очистки меди от пассивирующих пленок и загрязне-ний;

непосредственного травления Cu с пробельных мест;

очистки поверхности диэлектрика.

Химическое травление осуществляется:

погружением ПП в травитель

наплескиванием раствора или разбрызгиванием;

струйным методом через форсунки перпендикулярно плоскости. Производственная линия травления включает следующие операции: за-

готовка с помощью роликового транспортера помещается в камеру для трав-ления, где сопла располагаются таким образом, чтобы травитель разбрызги-вался под давлением 4 кгс/см2 перпендикулярно поверхности заготовки. Для достижения равномерного травления осуществляются колебания струй с по-мощью держателей сопел. Благодаря перпендикулярному падению струй подтравливание мало. Траектория струи обеспечивает изначальное боковое подтравливание, а постоянное обновление окислителя и удаление продуктов реакции обеспечивает высокую производительность.

Далее платы подают в камеры нейтр. и промывки, затем сушки. Благо-даря интенсивной многократной промывке нейтр. и сушки обеспечивается полное удаление остатков травителя. В противном случае возможны корро-зия и ухудшение электрических свойств.

Технологическое оборудование компонуется по модульному принципу и содержит модули травления, регенерации, промывки, осветления, сушки, которые объединяются транспортной системой и системой трубопроводов. Автоматические модульные линии оснащаются устройствами для контроля кислотности раствора, его температуры и давления в форсунках.

Последним этапом является удаление резиста, которое осуществляется растворением в Cl-органических растворителях, или в концентрированной H2SO4.

77

9.2. Травители для меди

Травление выполняют химическим или электрохимическим способом. Для химического процесса используются составы на основе FeCl3, H2O2,

HcrO3, CuCl2, персульфата аммония (NH4)2S2O6 и хлорида натрия NaCl. Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили

травильные растворы на основе FeCl3 (плотность 1,36 – 1,42 г/см2). Они от-личаются высокой и равномерной скоростью травления, высокой четкостью контуров, незначительной токсичностью, экономичностью. Суммарная реак-ция травления:

2 FeCl3 + Cu CuCl2 + 2 FeCl2.

Скорость процесса травления составляет 40 мкМ/мин, а по мере накоп-

ления ионов Cu снижается до 5-6 мкМ/мин. Повышение температуры и pH травителя приводит к образованию илистого осадка, который с трудом уда-ляется при промывке.

Если платы покрыты металлорезистами на основе олова, то FeCl3 не пригоден, а используется раствор персульфата аммония.

Cu + (NH4)2S2O8 CuSO4 + (NH4)2SO4

Реакция сопровождается выделением тепла. Травление приводит к

большому боковому подтравливанию, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей химических реакций по границам зерен. Кроме того, раствор склонен к саморазложению.

Стабильными параметрами травления характеризуются растворы на основе хлорной меди, хотя они несколько уступают по скорости травления FeCl3, но в них не образуется шлам, боковое подтравливание невелико. Воз-можна полная регенерация отработанного раствора.

Растворение Cu протекает по реакции:

Cu + CuCl2 2CuCl2

Повышение производительности процесса достигается использованием

раствора CuCl2 + FeCl3.

78

Травление Cu в растворе H2O2 проводится в кислой среде по реакции:

Cu + H2O2 CuO + H2O

CuO + H2SO4 CuSO4+ H2O.

Получаемая CuSO4 является химически чистым веществом, легко из-

влекается и используется для технических целей. В солянокислых растворах перекиси водорода травящей способностью

обладают также и продукты реакции (CuCl2).

Cu + H2O2 CuO + H2O

CuO + 2HCl CuCl2 + H2O.

Травильные растворы на основе хромовой кислоты используют для

ПП, покрытых металлорезистами Au, Sn-Ni, Sn-Pb. Однако травитель имеет низкую скорость растворения меди, высокую стоимость и токсичность, труд-но регенирируется. Окисление Cu осуществляется по реакции:

3Cu + 2CrO42 - + 16H+ 2Cr3 + + 3Cu2 + + 8H2O.

Щелочные растворы на основе хлоритов характерезуются высокой ско-

ростью травления, отсутствием осадка, однако процесс неустойчив и само-произвольно разлагается, не поддается регенерации.

9.4. Электрохимический процесс травления

Электрохимическое травление меди основано на анодном растворении меди и восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Процесс ха-рактерезуется высокой и стабильной скоростью травления. Однако, приме-нение метода сдерживается неравномерностью удаления металла по плоско-сти платы. Предложено использовать подвижные носители заряда, которые представляют собой частицы графита, расположенные в суспензированном электролите CuSO4. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Электрохими-ческое травление имеет минимальное подтравливание.

79

После удаления меди с пробельных мест ПП промывают, сушат. Если на поверхности металлических резистов (Sn-Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нерастворимые соединения, вызы-вающие ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18 – 25оС в течении 3 – 5 мин в растворах HCl + тиомочевина + ПАВ.

Пример составов травителей и режимов процесса:

FeCl3 + HCl, t=20-60oC, Vтравления=25-35 мкм/мин (NH4)2S2O6 + H2SO4 + CuSO4, t=40-50oC, Vтрав=10-20 мкм/мин CuCl2 + HCl, t=25-40oC, pH=0,4-0,6, Vтр=20-25 мкм/мин CuCl2 + H2O2 + H2SO4 + NH4Cl, t=25-40oC, pH=8-10, Vтр=20-25 мкм/мин.

Вопросы к лекции 9

1. Что такое процесс травлеия? 2. Для чего применяется травление? 3. От чего зависит скорость травления? 4. Из каких операций состоит производственный процесс травления? 5. Что происходит далее с платами после травления? 6. Как компонуется технологическое оборудование? 7. Какими способами выполняют травление? 8. Какими растворами выполняют травление в технологии производства ПП? 9. Что такое электрохимическое травление?

80

Лекция 10

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 5. Технологии химической и электрохимической металлизации

План лекции

10.1. Гальванотехника 10.2. Теоретические основы электрохимии 10.3. Электрохимическое зарождение новой фазы на металле 10.4. Влияние различных факторов на рост пленки

10.1. Гальванотехника

Гальванотехника основана на явлении перемещения частиц дисперсной среды под действием электрического поля, называемом электрофорезом. Электрофорез имеет место только в случае заряженных частиц.

Гальванический метод нанесения покрытий изобретен в 1837 г. в Рос-сии. В гальванотехнике основной катодной реакцией является осаждение ме-талла в соответствии с уравнением:

Mn+ + ne- = M0

Во многих случаях эта реакция сопровождается побочными реакциями

(выделением водорода и др). Анодные процессы в гальванической ванне заключаются в ионизации

металла при работе с растворимыми анодами:

M0 = Mn+ + ne-.

На нерастворимых анодах протекает реакция выделения кислорода.

81

Катодное электроосаждение следует рассматривать как процесс кри-сталлизации металлов, причем кристаллы образуются постепенно путем сра-стания отдельных атомов, первоначально дающих нестойкие аморфные кол-лоидные частицы, затем принимающих кристаллическую форму. Характер осадка определяется условиями возникновения и роста отдельных кристал-литов, а также условиями взаимодействия кристаллитов между собой. Для того, чтобы покрытие обладало хорошими защитными свойствами, необхо-димо прочное сцепление кристаллитов с основой и между собой. Кроме того, покрытие должно быть эластичным.

Достоинствами гальванических покрытий являются относительная простота ведения процесса и возможность регулирования толщины слоя.

Недостатки - неравномерность толщины металлизации, наличие внут-ренних напряжений в покрытии, обусловленное искажением кристалличе-ской решетки металла и включением в нее посторонних веществ в процессе осаждения, что ведет к хрупкости покрытий и образованию трещин.

10.1. Теоретические основы электрохимии

В 1865 г. Д.И. Менделеев создал “Химическую теорию растворов”, со-гласно которой растворы суть непрочные химические соединения - сольваты. Ранее Аррениус сделал вывод, что диссоциация в растворах есть диссоциа-ция электролитическая, то есть происходящая с образованием атомов или групп атомов, несущих определенные заряды. Растворы относятся к провод-никам второго рода, электропроводность которых объясняется присутствием положительно или отрицательно заряженных ионов.

Ионы образуются непосредственно при растворении вещества и несут эквивалентное количество положительных и отрицательных зарядов таким образом, что все участки раствора остаются внешне нейтральными. Катиона-ми (знак +) обычно являются металлы и водород, а анионами (знак -) - метал-лоиды и их группы. Число зарядов соответствует химической валентности атомов.

KCl == K+ + Cl-

BaCl2 == Ba2+ + 2 Cl-.

82

Под действием электрического тока ионы независимо друг от друга и среды движутся к полюсам с противоположным знаком: катионы (+) движут-ся к отрицательному катоду, анионы (-) - к положительному аноду. Для того, чтобы создать пространственную направленность электронных переходов, катод и анод нужно соединить проводником первого рода.

Для осуществления процесса электролиза создана электрохимическая система или ячейка (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Электрохимическая ячейка.

Ячейка состоит из следующих элементов: раствора электролита, в ко-

тором реагирующие вещества диссоциированы на ионы; двух электродов, погруженных в электролит; проводника, соединяющего электроды во внеш-ней цепи с источником тока

Если химический процесс сопровождается поглощением электрической энергии от внешнего источника тока, то ячейку называют электролитической ванной или электролизером. В электролитической ванне катод - это электрод, на котором происходит приобретение реагирующими частицами электронов, то есть процессы восстановления:

Cu2+ + 2e = Cu

Анод - электрод, на котором протекают реакции с потерей электронов,

то есть процессы окисления. При этом вещество анода может анодно раство-ряться (подвергаться ионизации), например:

Zn - 2e = Zn2+

83

А нерастворимые электроды, типа Pt, передают электроны ионам раствора либо отводят электроны от атомов, находящихся в растворе.

При погружении металлической пластинки в раствор своих ионов ме-талл и раствор взаимодействуют и становится возможным переход ионов из металла в раствор и обратно. Если энергия связи ионов в кристаллической решетке металла больше, чем энергия гидратации этих металлов в растворе, то после погружения металла в раствор катионы металла будут переходить из раствора в кристаллическую решетку. Это ведет к заряжению электрода по-ложительным электричеством, а раствора - отрицательным.

Рис. 10.2. Иллюстрация двойного электрического слоя

Появление противоположно заряженных обкладок затрудняет даль-

нейший переход ионов в решетку металла, и в системе устанавливается ди-намическое равновесие. Толщина двойного электрического слоя (ДЭС) дос-тигает 1 мкМ. Теорию простейшего двойного электрического слоя называют теорией плоского конденсатора. Одна из его пластин - поверхность электро-да, другая - приэлектродный слой, состоящий из плотной, закрепленной и диффузионной частей. Плотная часть ДЭС включает адсорбированные ионы, в диффузной части характер распределения ионов определяется действием электрических сил и теплового движения.

Для разряда ионов необходимо приложить разность потенциалов меж-ду электородом и слоем прилегающего к нему электролита. Эту разность на-зывают электродным потенциалом (Еа, Ек - анодный и катодный потенциа-лы). Абсолютным электродным потенциалом характеризуется скачок потен-циала между металлом и раствором (Zn/ZnSO4, Cu/CuSO4). Стандартным электродным потенциалом называется потенциал электрода, находящегося в растворе его ионов с активностью равной 1, то есть в разбавленном растворе, где отсутствует взаимодействие между ионами. Значения электродных по-тенциалов необходимо знать, чтобы вычислить значения свободной энергии

84

и константы равновесия химических реакций, определения направления про-цесса при заданных условиях (температура, концентрация). Константа равно-весия Кр зависит от разности стандартных потенциалов взаимодействующих систем.

Если расположить стандартные электродные потенциалы, измеренные по водородному электроду, в порядке возрастания, то получим ряд, который свидетельствует об относительной активности металлов.

РЯД НАПРЯЖЕНИЙ Na -2.71 Zn -0.70 Te -0.33 Sn -0.10 As +0.30 Ca -2.50 Cr -0.60 Co -0.29 H 0.00 Cu +0.34 Mg -1.55 Fe -0.43 Ni -0.22 Sb +0.10 Ag +0.80 Mn -1.0 Cd -0.40 Pb -0.12 Bi +0.20 Au +1.50 Водород занимает в ряде центральное положение, выше его располо-

жены электроотрицательные металлы, ниже - электроположительные. Пер-вые способны легко окисляться, последние - благородные - сравнительно инертные металлы. Из двух металлов при равной концентрации ионов стоящий выше металл образует отрицательный полюс, а стоящий ниже - по-ложительный, причем электродвижущая сила такого элемента будет равна алгебраической разности потенциалов первого и второго металлов. Каждый металл, расположенный выше в ряду, способен вытеснять все нижестоящие металлы из солеобразных соединений. Все неблагородные металлы способны вытеснять водород, растворяясь в кислотах или даже разлагая чистую воду.

Электродные потенциалы металлов далеко не безразличны к присутст-вию в растворе различных солей. Наиболее сильное влияние на потенциалы металлов оказывают соли, наиболее подверженные гидратации.

Гитторф пришел к выводу о том, что все ионы движутся с различными скоростями. Например, при электролизе HCl скорость движения ионов Н+ в 5 раз больше, чем ионов Cl-. Вследствие различных скоростей, концентраций ионов и зарядов доля участия ионов в переносе электричества неодинакова и характеризуется числом переноса - отношением количества электричества, перенесенного данным сортом ионов к общему количеству электричества, прошедшего через раствор

п = Ii / I

85

Как показал Брединг, скорости движения ионов подчиняются периоди-

ческому закону Менделеева. Катионы Na, K, Rb, Cs, характеризуются наи-большими скоростями движения. Ионы, движущиеся с наименьшими скоро-стями Al, Zn,Cd, обладают в то же время наименьшими объемами. Объясня-ется это тем, что ионы с малыми собственными объемами гидратируются большим числом молекул воды, чем ионы с большими объемами. Гидратиро-ванный ион, разряжаясь на электроде, освобождает воду, что приводит к раз-бавлению раствора вблизи электрода. Поэтому числа переноса воды играют значительную роль в изменении концентрации ионов на электродах, наряду со скоростями их движения.

Толщина и скорость роста слоев зависят от изменения концентрации раствора непосредственно у фронта роста. Необходимо обеспечить равно-мерное поступление разряжающихся ионов к растущим участкам поверхно-сти электрода.

10.3. Электрохимическое образование новой фазы на металле

Характерной особенностью процесса возникновения новой фазы явля-ется существование начального пересыщения, то есть концентрация вещест-ва вблизи электрода оказывается выше, чем в насыщенном растворе. Увели-чение степени пересыщения раствора связано с ростом химического потен-циала растворенного вещества при пропускании тока. Роль пересыщения иг-рает дополнительный скачок потенциала на границе металл-раствор, то есть перенапряжение. Подводимое количество электричества тратится сначала на заряжение поверхности катода, потенциал которого смещается в отрицатель-ную сторону. Когда достигается некоторое начальное перенапряжение, дос-таточное для образования зародыша, начинается разряд ионов металла и по-являются центры кристаллизации. Так как рост уже возникшего кристалла может происходить при перенапряжении, меньшем, чем необходимое для образования зародыша, то происходит снижение перенапряжения. Отдель-ными замедленными стадиями процесса, вызывающего перенапряжение, мо-гут быть образование новых или достройка старых фазовых слоев на по-верхности электрода, а также химические превращения веществ и перестрой-ка фаз.

86

При электролизе пересыщение зависит от скорости образования сво-бодных атомов, а поэтому скорость электродного процесса - поляризация - должна сильно влиять на качество осадка.

Для изучения механизма и кинетики электродных процессов очень важны графические зависимости изменения потенциала с увеличением плот-ности тока - поляризационные кривые.

Поляризация электрода возникает вследствие подачи тока от внешне-го источника и определяется разностью между стандартным потенциалом металла и потенциалом электроосаждения. По своему характеру поляризация делится на концентрационную, химическую и кристализационную. Концен-трационная поляризация обусловлена затруднением электрохимических ре-акций на электродах вследствие медленной диффузии ионов металла в элек-тролите. Она может быть значительно уменьшена перемешиванием и повы-шением температуры электролита. Химическая поляризация вызвана замед-лением электрохимических реакций вследствие трудности разряда комплекс-ных и гидратированных ионов металла. Кристаллизационная поляризация возможна при электроосаждении сплавов, когда сближение потенциалов со-осаждаемых металлов достигается за счет энергии образования сплавов.

Если перенапряжение сосредоточено на границе раздела фаз (в двой-ном электрическом слое или непосредственно за ним), то концентрационная поляризация наоборот сосредоточена в объеме раствора и является следстви-ем замедленной доставки ионов (диффузия, миграция, конвекция) к поверх-ности электрода. Концентрационную поляризацию иначе называют диффу-зионной. Причиной замедленного протекания электродного акта может слу-жить возникновение фазовых или адсорбционных пленок на поверхности электрода, что именуется анодной или катодной пассивностью.

Размеры кристаллов, их форма и скорость роста и срастания между со-бой зависят от степени перенасыщения раствора кристаллизующимся веще-ством. При перенапряжениях, недостаточных для образования трехмерного зародыша, ионы металла могут все же разряжаться с образованием атомов, адсорбирующихся на поверхности электрода или внедряющихся в нее, обра-зуя интерметаллическое соединение.

В общем случае перенапряжение на ванне в гальванотехнике рассчиты-вается следующим образом. Для разложения соли к электродам необходимо приложить напряжение, минимальное значение которого называют потен-циалом разложения Ер. Потенциал разложения определяется силой химиче-

87

ских связей элементов разлагаемого соединения или как разность анодного и катодного потенциалов в условиях реакции

Ер = Еа - Ек.

При этом потенциале электролиз протекает с бесконечно малой скоро-стью. Для того чтобы ускорить его, необходимо подать избыточный потен-циал, который расходуется на преодоление омических сопротивлений и по-ляризации. Следовательно, напряжение на ванне Ев есть сумма потенциала разложения соли Ер, падений напряжения на электролите, электродах, раз-

личных контактах ( IR) и потенциалов поляризации Еп

Ев = Ер + IR + Еп.

Согласно Фольмеру, рост кристаллов при электроосаждении проис-

ходит послойно в результате образования двухмерных зародышей, которые, распространяясь, заполняют поверхность грани. Наблюдения за гранями рас-тущих кристаллов показывают, что по поверхности грани распространяются не слои молекулярных размеров, а относительно толстые “пакеты”. Рост фронта такого пакета может иметь ступенчатое строение, однако, и отдель-ные ступеньки состоят из многих сотен или десятков элементарных слоев. У фронта роста пакета происходит быстрый разряд ионов металла. Однако во-прос о молекулярном механизме остается неясным.

По Фольмеру, новый слой должен зарождаться на углу грани, реже - на ребре. Выделение металла при электролизе происходит не на всей поверх-ности грани кристалла, а лишь на наиболее активных, быстро перемещаю-щихся ее местах. К первоначально активным местам относятся вершины уг-лов и ребер кристаллов, искажения кристаллической решетки и другие де-фекты поверхности катода. На таких местах и возникают первые зародыши, которые растут за счет присоединения к грани новых адсорбированных ато-мов, удерживаемых силами притяжения. Практически всегда в монокристал-лах имеются дислокации атомов, которые дают возможность кристаллам рас-ти без образования новых двухмерных зародышей. Выход спиральной дисло-кации на поверхность образует неисчезающую ступень роста.

Таким образом, структура электролитических осадков определя-ется соотношением диффузионных и пассивационных явлений. Чем больше

88

образуется новых кристаллов в единицу времени, тем более мелкозернисты осадки и наоборот.

10.4. Влияние различных факторов на рост пленки

Важное влияние на процесс роста покрытий оказывает ориенти-рующее действие подложки, проявляющееся при небольших различиях по-стоянных решетки металла покрытия и основы (не более 15%). Покрываемая поверхность должна быть совершенно свободна от загрязнений и иметь хо-рошо выявленную структуру металла. Чем крупнее кристаллы покрываемой поверхности, тем продолжительнее влияние ее структуры на структуру осад-ка. Ориентация на монокристаллических подложках распространяется вглубь растущего осадка на расстояние до 4 мкм. На поликристаллической поверхности с определенной ориентацией кристаллов структура воспроизво-дилась лишь в очень тонких (0.1-0.2 мкМ) пленках. Эпитаксиальные (повто-ряющие структуру основы) пленки имеют наиболее прочное сцепление с по-верхностью основного металла.

С увеличением толщины покрытия ориентирующее влияние поверх-ности основания постепенно уменьшается, вследствие протекания побочных процессов, нарушающих развитие решетки кристаллов и направление их ориентации. Дальнейшая ориентация кристаллитов определяется условиями электроосаждения и природой осаждающегося металла. Ориентирующее действие основы исчезает при применении больших плотностей тока.

Степень и направление ориентации, общее для всех элементарных кри-сталликов осадка, называется его текстурой. У электрохимически осажден-ных металлов текстура полнее выражена, чем у металлургически полученных покрытий. Характер текстуры зависит от состава раствора, наличия в нем тех или иных поверхностно-активных добавок. В настоящее время нет обще-признанной теории, объясняющей возникновение текстуры в зависимости от условий электрохимического выделения металла.

Наличие текстуры осадка сообщает анизотропность его свойствам (за-висимость свойств от направления). Текстурированные гальванические по-крытия имеют большое практическое значение.

П р и р о д а м е т а л л а обуславливает характер осадка. Так Cu, Ni, Co способны к образованию гладких мелкокристаллических осадков, тогда как Sb, Pb обычно дают сложные катодные образования в виде щеток, ветвей

89

и др. Остальные металлы стоят в промежутке между этими крайностями. Для W пока не найдено способа электроосаждения.

М. Фольмер делит металлы на две группы: 1. Металлы с малой поляризацией: Hg, Cu, Zn, Cd, Ag,Bi. Hg имеет

только концентрационную поляризацию, а у Cu, Zn, Cd, Ag, Bi к ней добав-ляется и структурная поляризация, обусловленная своеобразным слоевым ростом кристаллов. При этом процесс протекает на активных участках по-верхности - ступенях. Металлы, выделяющиеся без перенапряжения (Hg) или с малым перенапряжением (Ag, Tl, Pb, Cd, Sn), образуют катодный оса-док губчатого типа или изолированные кристаллы и их агрегаты. Металлы первой группы практически не склонны к комплексообразованию, имеют низкие температуры плавления и поэтому могут проявлять большую поверх-ностную подвижность. Для Bi, Cu, Zn характерны некоторое перенапряжение и образование более мелкокристаллических осадков.

2. Металлы с большой поляризацией, например подгрупа Fe, обра-зуют обычно мелкозернистые осадки. Металлы Fe и Pt групп, а также Cr и Mn образуют осадки в виде пучков волокон, ориентированных по линиям то-ка. Их ионы легко образуют комплексы. Из растворов комплексных солей образуются осадки с неориентированными субкристаллами без явных границ зерен. Эти металлы имеют высокую температуру плавления (поверхностная подвижность атомов мала), выделяются и растворяются со значительным перенапряжением. При достаточно большом отрицательном потенциале ио-ны разряжаются по всей поверхности электрода, образуя новые трехмерные зародыши - осадок получается субкристаллический или неявнокристалличе-ский.

Процессы катодного осаждения металлов из комплексных электроли-тов обычно протекают с относительно большим перенапряжением (торможе-нием), чем из растворов их простых солей, что создает более благоприятные условия для получения плотных мелкокристаллических осадков.

П р и р о д а э л е к т р о л и т а значительно влияет на осаждаемый ме-талл. Необходимо подобрать электролиты с высокой рассеивающей способ-ностью (РС). При электролизе простых солей более подходящи сульфаты менее - хлориды и нитраты. Если металл склонен образовывать грубые кри-сталлы, полезно прибавление веществ, образующих комплексы с солями, на-пример: KCN дает комплексы с Ag Cu, Zn, Au по типу KAg(CN)2, фосфор-ная кислота дает комплексы с основными солями (SnCl2 и др).

90

Кислотность должна быть достаточной для предотвращения осаждения нерастворимых оснований и основных солей на катоде, например в случае Zn, Cd, Fe, Ni, Cu), но не должна быть слишком большой во избежание вред-ного выделения водорода.

Электропроводность электролита является величиной, обратной сопро-тивлению. Удельная электропроводность (электропроводность 1 см3 жидко-сти) сильно зависит от концентрации раствора и с разбавлением раствора увеличивается: для слабых электролитов - вследствие роста степени диссо-циации, для сильных - в результате уменьшения межионного взаимодейст-вия. Максимальная электропроводность наблюдается в растворах солей с концентрацией до 0.01 г-экв/л, а для кислот и оснований - до 0.001 г-экв/л. Экспериментальный факт увеличения электропроводности с разбавлением объясняется тем, что в более концентрированных растворах движение ионов задерживается притяжением противоположно заряженных ионов, между тем при больших разбавлениях взаимное влияние ионов ослабевает. С увеличе-нием температуры электропроводность увеличивается в связи с увеличением подвижности ионов.

К о н ц е н т р а ц и я с о л е й сильно влияет на качество осадка, кото-рое улучшается при увеличении концентрации, но до оптимального предела, выше которого улучшений нет.

П е р е м е ш и в а н и е э л е к т р о л и т а применяется с целью под-держания постоянной концентрации раствора у электродов и устранения концентрационной поляризации, а также для увеличения рассеивающей спо-собности электролитов и осуществляется механическими мешалками или сжатым воздухом. Последнее непригодно для легкоокисляемых электроли-тов, например, железнения. Иногда применяется УЗ-перемешивание, которое изменяет условия адсорбции, пассивации и структурообразования на катоде.

При перемешивании электролита необходимо периодически или не-прерывно фильтровать раствор, чтобы очистить его от загрязнений анодным или донным шламом, которые могут загрязнять катод.

Наложение переменного тока на постоянный имитирует перемешива-ние и способствует образованию мелкозернистых полублестящих осадков.

П л о т н о с т ь т о к а должна быть выбрана соответственно обстоя-тельствам. При малой плотности тока процесс протекает медленно и катод покрывается неравномерно. Большие плотности тока излишне быстро нагро-мождают на катод массы кристаллов, которые не успевают компактно распо-ложиться. Кроме того, возможное выделение водорода разрыхляет осадки и

91

способствует образованию гидроокисей вследствие обеднения раствора ио-нами Н+ и подщелачивания среды.

Обычно употребляется плотность тока 0.002-0.02 мА/см2 . Повышение плотности тока в большинстве случаев способствует обра-

зованию на катоде мелкозернистых осадков металла. Это объясняется увели-чением числа активных мест поверхности катода. А образование дендритов объясняется неравномерным распределением тока на поверхности катода и установлением на выступах повышенной плотности тока. При этом обра-зующиеся кристаллы растут по направлению к аноду. Однако, в некоторых случаях повышение плотности тока до известного предела способствует оп-ределенной ориентации кристаллитов в осадке.

Электрический режим осаждения влияет и на равномерность покрытий. При использовании низких плотностей тока середина плат покрыта толще, при высоких - толщина покрытия на углах и кромках плат превышена.

Допустимая плотность тока тем больше, чем выше концентрация соли выделяемого металла, температура электролита и скорость перемешивания.

Н е с т а ц и о н а р н ы й р е ж и м электролиза включает реверсиро-вание тока или применение импульсного тока. Периодическое колебание по-тенциалов в процессе электролиза влияет на кинетику разряда ионов метал-ла, на адсорбционные и поверхностные явления. Применение нестационар-ного электролиза во многих случаях позволяет получить покрытия с улуч-шенными физико-химическими свойствами. Например, наложение перемен-ного тока на постоянный приводит к получению плотных гладких беспо-ристых покрытий серебра толщиной до 500 мкм. При электролизе реверсиро-ванным током покрываемая деталь через определенный промежуток времени находится под воздействием тока обратного направления. Отношение катод-ного периода к анодному составляет 10:1 - 20:1. В анодный промежуток вре-мени осадок частично растворяется главным образом на микровыступах рельефа, что предотвращает образование дендритов и гибки.

Т е м п е р а т у р а увеличивает электропроводность ванны и умень-шает потенциал, необходимый для поддержания определенной плотности то-ка. Нагрев ускоряет кристаллизацию, снижает катодную поляризацию, спо-собствуя образованию крупнозернистых осадков, увеличивает выход металла по току, уменьшает внутренние напряжения и хрупкость осадков. Повыше-ние температуры используют для увеличения растворимости применяемых солей и электропроводности раствора, предупреждения или устранения пас-сивирования анодов, а также для уменьшения количества водорода в элек-

92

тролитическом осадке. Температура оказывает влияние и на ориентацию кристаллов в осадке, ее превышение снижает степень совершенства тексту-ры.

Г е о м е т р и ч е с к и е ф а к т о р ы значительно влияют на равно-мерность осаждения. Важно расстояние между анодами и платами (не менее 150 мм) и одинаковое направление плат. Толщина покрытия на ближайших к анодам участках может быть в 3-5 раз больше, чем в средней зоне ванны. Следует учитывать правила, являющихся следствием законов Ома и Кирхго-фа:

1. В электролите ток течет по линии наименьшего сопротивления (где раасстояние между анодом и платой наименьшее). Платы должны распола-гаться параллельно анодам.

2. Наибольшее количество электричества стекает с острых углов и кромок, где и осаждается наибольшее количество металла. Поэтому на по-крываемой поверхности не должно быть заусенцев, раковин, трещин. Чисто-та поверхности должна быть не ниже 7-го класса. При этом обеспечивается повышенная коррозионная стойкость и экономичность расходования метал-лов.

Для поддержания постоянного состава электролитов, устранения пас-сивации анодов и обеспечения равномерности распределения металла по-верхность анода должна быть в 2 раза больше катодной. Плата погружается на 5-8 см глубже анода. Расстояние от анода до края ванны должно быть больше, чем расстояние до платы.

Наиболее эффективным приемом создания равномерных покрытий яв-ляется применение специальных неметаллических экранов, в основном из винипласта, элипсоидные отверстия в которых удлиняют путь силовых ли-ний тока к кромкам и углам и обеспечивают равномерность покрытий. Под-бор размеров отверстий в экранах производится опытным путем.

Анод Экран Плата Экран Катод

Рис. 10.3. Расположение элементов в электролитической ванне

93

В связи с тем, что растворимые аноды содержат примеси, создающие шероховатость покрытия, они заключаются в чехлы из химически стойких тканей, например хлопчатобумажная ткань “Бельтинг”. Экранами могут служить пластмассовые кожухи, надеваемые на аноды.

Выполнение этих условий весьма индивидуально для каждого элек-трометаллургического осаждения и осуществляется по определенным рецеп-там. Поэтому постоянный контроль производства необходим для рацио-нального проведения процесса. Для визуального контроля используется стол контролера, оборудованный подсветом с матовым стеклом и сеткой.

10.4. Оборудование для гальванической металлизации печатных плат

В отечественной практике используются автоматизированные линии

АФ-8, построенные по агрегативному принципу из универсальных узлов, комплектуемых по индивидуальному требованию заказчика. Система “Галь-ваник” разработана АН СССР. Автоматизированы транспортировка деталей из ванны в ванну, контроль и регулирование основных технологических па-раметров в ваннах: рН; температура; плотность тока; уровень и циркуляция электролита.

Английская фирма разработала систему узлов “”Модуль-Х”, вклю-чающую ванны из полипропилена, щит управления нагревателями, насосами, фильтрами, перемещением катодных штанг, а также климатизатор - прибор для фильтрования, перемешивания и термостатирования раствора. С уста-новкой автооператоров “Молуль-Х” становится автоматизированной линией, управляемой программным устройством с перфолентой из химически стой-кой пластмассы.

Для удаления окисных пленок с поверхности защитного покрытия про-изводится осветление его с использованием автоматической линии осветле-ния. Линия может быть снабжена устройством для автономной корректиров-ки растворов. Анализ ванн производится колориметрическим методом. Серь-езное внимание уделяется созданию датчиков для контроля электролитов. Разработаны автоматический титрометр и регулирующее устройство для введения корректирующих добавок. Внедрен флюоресцентный анализатор электролита, основанный на рентгено-радиометрическом методе анализа.

Существует с е л е к т и в н ы й м е т о д о с а ж д е н и я гальваниче-ских покрытий, заключающийся в том, что анод изготавливается в виде

94

стержня для ручной работы с насадкой и кисточкой. Кисточка пропитывается соответствующим электролитом. В процессе нанесения покрытия использу-ется высокая плотность тока и скорость наращивания металла достигает 50 мкМ/мин. Для селективного метода разработаны специальные электролиты, позволяющие получить беспористые осадки, специальные источники пита-ния и регуляторы тока. Насадки изготавливаются из высокопрочного графита диаметром 0.6 мм и способны обрабатывать отверстия диаметром 0.8 мм.

Для снижения уноса электролита предусматривается выдержка плат над ваннами или специальные обдувочные устройства. Некоторые фирмы ус-танавливают в линиях ванны-уловители или делают первую промывку в ван-нах с непроточной водой, которая затем используется для пополнения рабо-чих ванн.

Вопросы к лекции 10

1. На чем основана гальванотехника? 2. Что такое гальванический метод? 3. В чем заключается химическая теория растворов? 4. Что характеризуется числом переноса? 5. Что такое пересыщение? 6. Как определяется структура электролитических осадков? 7. Какие факторы влияют на рост пленки? 8. Какое оборудование используется при гальванической металлиза-

ции печатных плат?

9. В чем заключается селективный метод осаждения гальванических по-крытий?

95

Лекция 11

ХИМИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

Модуль 2. Технология изготовления печатных плат

Тема 5. Технологии химической и электрохимической металлизации

План лекции

11.1. Использование процесса химической металлизации 11.2. Теоретические основы химической металлизации 11.3. Технологические особенности процесса 11.4. Подготовка поверхности деталей для химической металлизации 11.5. Технологические способы химической металлизации

11.1. Использование процесса химической металлизации

Степень надежности и долговечности машин и механизмов может быть в значительной мере повышена нанесением на металлические поверхности разнообразных износостойких и защитно-декоративных покрытий. Класси-ческие способы гальванотехники не всегда применимы при нанесении по-крытий на детали сложной конфигурации, собранные узлы, элементы кото-рых изготовлены из различных металлов. Использование химического спо-соба осаждения металлопокрытий позволяет решить эти проблемы и обеспе-чить равномерность покрытия независимо от профильности детали. Кроме того, с помощью химического восстановления можно металлизировать по-верхности из неметаллов, например, из радиотехнической керамики (фарфо-ра, стеатита, кварца, тиконда, термоконда, ферритов и др.), - искусственных алмазов, а также пластмасс. Металлизированные поверхности, например Ni-P, являются хорошим подслоем под пайку, обеспечивают смачиваемость припоями и способствуют получению доброкачественных паяных швов при помощи мягких припоев, стойких в коррозионном отношении. Никелевое по-крытие является хорошей основой для последующего нанесения эмалей, создания отражательных поверхностей, а также для электрохимического на-ращивания слоя.

96

Металлизация поверхности с использованием растворов, содержащих восстановитель, отличается своеобразием химических превращений. Воз-можная в этом процессе широкая вариация содержания в осадках неметалли-ческого компонента (Р, В), а также атомов другого металла открывает пер-спективу получения покрытий с различными свойствами, удовлетворяющи-ми требованиям современной техники.

11.3. Теоретические основы процесса химической металлизации

В основе способа лежит реакция восстановления иона до металла с по-мощью восстановителя (в основном гипофосфита). О возможности протека-ния такой реакции сообщалось еще в 1844 г. Вюртцем. Однако, только в 1946-47 г. Бреннером и Pиддером реакция была осуществлена, причем иссле-дователи отметили каталитическую природу процесса.

Восстановление никеля гипофосфитом протекает только на поверхно-сти, катализирующей реакцию (Fe, Ni, Co, Аl, Pd). При нанесении покрытий

на материалы, не являющиеся катализаторами реакции восстановления (стекло, пластмассы, Си, W, Тi и др.), возникает необходимость модифици-рования поверхности нанесением на нее слоя катализатора. Это осуществля-ется в двух последовательных операциях, получивших название сенсибили-зация и активация.

Перед активированием иногда необходимо выполнить “очувствление” поверхности с помощью сенсибилизатора. Подложка окунается в подкислен-ный 10% раствор хлористого олова (SnCl2), при этом на поверхности возни-кает слой геля Sn(OH)Cl, обладающий восстановительными свойствами. Дальнейшая обработка в растворе активатора - хлористого палладия (PdCl2 1 г/л) - вызывает образование на поверхности тонкого слоя Pd. Образующиеся частицы Рd, обладая каталитическими свойствами, играют роль зародышей, на которых происходит восстановление Ni.

Пример. Образцы стекла тщательно обезжирили пастой из окиси маг-ния, промывали и выдержали 2 ч в 2% растворе NaOH, снова промывали. Сенсибилизация осуществлялась в 10% растворе SnCl2 в HCl:H2O = 1:1 в те-чении 20 - 30 с. После промывки в дистиллированной воде активирование проводили в растворе PdCl2 с концентрацией 0,5-1 г/л, подкисленного соля-ной кислотой до pH=2-3, в течение 10-20 с. Далее подложку переносили в раствор для никелирования.

97

В процессах сенсибилизации и активации осуществляется следующая реакция:

SnCl2 + H2O = Sn(OH)Cl + HCl

Для ускорения процесса гидролиза SnCl2 рекомендуют после сенсиби-

лизации обработать образцы в горячей воде при температуре 90-95 0С, что способствует получению однородных плёнок покрытия.

В соляных растворах PdCl2 находится в виде соединения H2PdCl4. Ре-акция его восстановления протекает по уравнению:

Sn(OH)Cl + H2PdCl4 + HCl = Pd + H2SnCl6 + H2O

Pd2+ + 2e = Pd0+

Sn2+ 2e = Sn4+

Если активация поверхности осуществляется без сенсибилизации непо-средственной обработкой в растворе PdCl2, то на поверхности адсорбируется гелеобразный гидроксид палладия, который при последующем погружении в раствор гипофосфита переходит в восстановленную форму. При этом качест-во покрытия снижается.

Другой способ активации заключается в обеспечении контакта с более электроотрицательным металлом, например Fe, А1. За счет работы возни-кающего гальванического элемента на поверхности детали образуется перво-начальный слой Ni, наращивание которого продолжается самостоятельно.

Процесс химического восстановления иона никеля до металла осуще-ствляется из растворов соли никеля в присутствии восстановителя (гипофос-фит, борат и др.) и различных добавок, улучшающих процесс. Суммарный процесс химического никелирования включает, по крайней мере, 3 реакции:

NiCl2 + 2 NaH2PO2 +2 H2O = Ni + 2 Na2PO3 + H2 + 2 HCl

2 NaH2PO2 = 2 NaH2PO3 + P + NaOH + ½ H2

2 NaH2PO2 + H2O = NaH2PO3 + H2

98

В электронной форме реакция окисления-восстановления запишется так:

N12+ + 2е = N10

2Р+ - 2е = 2 Р0

На восстановление одного иона никеля требуется два иона гипофосфи-та. При этом снижается рН раствора в связи с выделением водорода и обра-зованием щелочи.

Существует несколько вариантов объяснения механизма протекания химического никелирования.

1. Электрохимический вариант Брениера исходит из образования ло-кальных гальванических элементов, однако это положение не нашло экспе-риментального подтверждения.

2. Ведущей гипотезой в объяснении механизма процесса является ги-потеза о главной роли в процессе восстановления атомарного водорода. Со-гласно такому представлению, процесс протекает ступенчато в две стадии: каталитическое разложение гипофосфита водой с образованием атомарного водорода:

NaH2PO2 + H2O = NaH2PO3 + 2 H(a),

и восстановление ионов никеля атомарным водородом, адсорбирован-

ным на поверхности катализатора:

NICl2 + 2 Н = Ni + 2 HC1. Химическое никелирование всегда сопровождается выделением газо-

образного водорода, что говорит о значительной мобилизации атомарного водорода.

3. Другая гипотеза основана на участии в реакции восстановления ак-тивных частиц ОН' в щелочном растворе и H2PO2 в кислом. Предполагается довольно сложная схема электронных переходов.

4. Механизм химического никелирования объясняют образованием не-стабильного гидридного иона Н-, отделяющегося от молекулы гипофосфита:

H2PO2

- + H2O = НРО32- + 2 Н+ + H-

99

N12- + 2 Н- = N10 + Н2.

5. Достаточно обоснованной является теория адсорбированных ионов. Адсорбированные на металле ионы гипофосфита могут отдавать водород по связи Р-Н, причем фосфор может соединяться с металлом. А адсорбирован-ные ионы ОН- сообщают металлу отрицательный заряд. Восстановление ни-келя осуществляется также в адсорбционном слое, посредством присоедине-ния электронов.

11.3. Технологические особенности процесса химического никелирования

Согласно уравнениям реакций, на восстановление 1 иона никеля требу-ется 2 иона гипофосфита. Максимальная скорость осаждения наблюдалась при молярном соотношении соли никеля к гипофосфиту 0,5-0,6. Оптималь-ными концентрациями найдены: 27 г/л NICl2 и 60 г/л NaH2PO2. Анионы соли никеля оказывают существенное влияние на скорость процесса, и при ис-пользовании ацетата либо сульфата никеля скорость наращивания покрытия снижается.

В процессе реакции восстановления иона никеля гипофосфитом проис-ходит уменьшение концентрации реагирующих веществ, одновременно по-вышаются кислотность раствора и концентрация фосфит-иона. Падение кон-центрации основных компонентов тем больше, чем выше отношение площа-ди поверхности S к объему раствора V. Однако с увеличением объема рас-твора по отношению к S образуется дополнительное количество никелевого порошка в растворе и снижается коэффициент использования гипофосфита, определяемый по формуле:

К = (QC 0 + Qp) / Q ,

где: QC 0 и Qp - количество гипофосфита, затраченное на восстановле-

ние С0 и Р по уравнениям реакций; Q-количество израсходованного гипо-фосфита, определяемое анализом.

Оптимальное отношение S/V = 0,5-1.0 дм2/л.

100

С увеличением концентрации гипофосфита К снижается в связи с уско-рением реакции взаимодействия гипофосфита с водой, а скорость реакции восстановления никеля увеличивается.

Образование покрытия становится заметным лишь при температуре раствора 50 °С на поверхности детали возникают пузырьки водорода.

С повышением температуры скорость процесса возрастает, и при 98-99 0С она максимальна. Присутствие в растворе эффективных комплексообра-зующих и стабилизирующих добавок позволяет вести процесс при 102-1030С со скорость 60 мкм/ч.

Химическое никелирование протекает в интервалах рН 4 – 5,5 и 8 – 10. В области рН 5,5 – 8 происходит частичный гидролиз соли никеля. Для под-держания рН в определенных пределах в раствор вводятся буферирующие добавки, например, уксуснокислый натрий (СH3COONa) или соли органиче-ских дикарбоновых кислот (малоновой, янтарной, глутаровой, адипиновой), а также аминокислоты. Введение в растворы 10-20 г/л буферирующих добавок повышает скорость процесса в 2-3 раза, а коэффициент использования гипо-фосфита от 25 до 40 %. Кроме того, уксуснокислый натрий влияет на внеш-ний вид покрытия и придает ему блеск при содержании 30 г/л в растворе, од-нако, при содержании СН3ОСООNа 30 г/л покрытия темнеют.

Еще больше поднять коэффициент использования гипофосфита позво-ляют стабилизирующие добавки, действие которых основано на том, что они изолируют фосфиты от взаимодействия с раствором и способствуют макси-мальному использованию металла. В качестве стабилизаторов применяются каталитические яды - сульфид висмута, сульфид цинка, тиомочевина, тио-сульфат натрия, хромат свинца, а также сегнетова соль. Концентрация стаби-лизаторов низка - 10-6 г/л. Их введение повышает скорость процесса на 50-60% и вдвое снижает расход гипофосфита.

Для того, чтобы предотвратить накапливание в растворе побочных продуктов реакции - фосфитов никеля, в раствор вводят комплексообразую-щие добавки - глицерин, лимоннокислый натрий, аммиак в щелочных рас-творах. Наибольшая скорость процесса восстановления достигалась при мольном соотношении [C6H6O7

2- ] [Ni2+] = 1. Процесс химического никелирования чувствителен к примесям, по-

скольку имеет автокаталитическую природу. Ионы, выступающие в качестве каталитических ядов (Cd, Pb, KCNS). сильно замедляют восстановление, то-гда как небольшое количество ионов Fe, Ca, Mg и других не сказывается на течении реакций.

101

В качестве блескообразующих добавок рекомендуют использовать са-харин, тиомочевину, кофеин, а также соли Сo, Zn, Cd.

Растворы с рН 4 – 6,5 применяют главным образом при нанесении по-крытий на детали из черных и некоторых цветных металлов (медь, латунь).

С течением времени скорость никелирования уменьшается и через 6 часов реакция прекращается. Для поддержания скорости процесса раствор корректируют через каждые 30 минут добавлением соли никеля и гипофос-фита и 2%-го раствора КаОН по показаниям рН-метра. Через 3-4 ч в ванну добавляют буферирующую добавку. Перед очередным корректированием раствор фильтруют, при этом продолжительность работы раствора увеличи-вается до 22 ч.

Веществами, способными улучшить работу кислых растворов, являют-ся сульфид свинца 10-20 мг/л, алличеп (спиртовая настойка лука и чеснока) 15 мл/л, малеиновый ангидрид, препятствующие разложению раствора.

Щелочные растворы с рН 7 – 9 применяются в основном для нанесения покрытий на нержавеющую сталь, Al, Ni, Mg, различные неметаллы, а также для осаждения многокомпонентных покрытий (Ni-Co-P, Co, W-P и др.). Ско-рость никелирования в щелочных растворах существенно возрастает и со-ставляет в среднем 18-20 мкм/ч (за 24 ч).

В случае одноразового использования растворы вырабатываются до обесцвечивания с использованием 80 % металла. Без корректирования сни-жение скорости никелирования протекает менее интенсивно, чем в кислом растворе. Благодаря наличию в составе раствора таких комплексообразовате-лей, как аммиак и лимоннокислый натрий они могут при корректировании работать длительное время. Стоимость покрытий снижается.

Приготавливать рабочие растворы можно в водопроводной воде, но не в жесткой воде. При составлении раствора восстановитель вводится непо-средственно перед погружением детали. Рекомендуется соблюдать следую-щую последовательность растворения компонентов:

Пример: (NH4)2SO - 50 г/л, NiS04 - 25 г/л, алличеп - 15 мл/л, NaH2РО4 - 25 г/л, сегнетова соль - 5 г/л, 25% NH4OH до рН 9-10. Далее раствор нагрева-ют до 99-100°С и загружают летали с плотность»? загрузки 1-2 дм2/л. Ско-рость осаждения составляет 55-60 мкм/ч.

11.4. Подготовка поверхности деталей к химической металлизации

102

Для получения высококачественных покрытий, прочно сцепленных с металлом-основой, необходимо обеспечить чистоту поверхности посредст-вом механической, химической и электрохимической обработки.

Механическая обработка включает шлифование, полирование, галтов-ку, пескоструйную очистку. Шлифуют деталь в несколько переходов, ис-пользуя крупно- и мелкозернистые образивы, а затем специальные пасты, мастики, жиры. Полируют деталь на кругах из байки, бязи, полотна, покры-тых полировочными пастами. В состав паст входят: окись хрома, олеиновая кислота, стеарин, парафин, крокус, церезин и др. Изделия из кислотоупорных и нержавеющих сталей подвергают пескоструйной обдувке для удаления окалины и загрязнений. В качестве абразива применяют кварцевый песок, наждак, трепел, кукурузные хлопья. В рабочую жидкость добавляют ингиби-торы коррозии - нитрит натрия, эмульсол и др. Поверхность становится ма-товой с равномерной шероховатостью. Галтовка мелких деталей производит-ся во вращающихся барабанах, в которые добавлены абразивные материалы (стальные шарики, дробь, наждак, стекло и др.), а для смягчения трения гал-товку ведут в растворах мыла, кислот, щелочей. Наряду со шлифованием и полированием в барабанах происходит удаление заусенцев, продуктов корро-зии и загрязнений. К механической обработке относится крацевание - обра-ботка поверхности детали щетками из стальной или латунной проволоки на специальных станках.

Комбинированный механический и химический способ пламенной очистки дает возможность получить сухую и чистую поверхность, свобод-ную от окислов.

Обезжиривание производится в растворах, щелочей и органических растворителей. Жиры растительного и животного происхождения хорошо омыляются и растворяются водой. Минеральные масла (вазелин, парафин, смазочные масла и полировочные пасты) не реагируют со щелочами. Они со-стоят из смеси углеводородов и растворяются в органических растворителях: бензине, керосине, дихлорэтане, трихлорэтане. Окончательное обезжирива-ние проводится в горячих щелочных растворах, содержащих синтетические ПАВ (ОП-7, ОП-10). Концентрацию щелочей необходимо поддерживать в пределах 150-180 г/л для черных металлов и 30-50 г/л для меди и ее сплавов. Для обезжиривания А1, Zn, Pb, Sn и их сплавов применяют растворы, содер-жащие гидрофилизирующие соли (Na2СО3, K2CO3, KCN, Na3PO4) с концен-трацией 100-150 г/л. Исследования показали, что лучшей моющей способно-

103

стью обладают растворы тринатрнйфосфата, а также жидкого стекла в каче-стве эмульгатора (9-10 г/л). Эмульсионное обезжиривание способно удалить даже продукты неполного сгорания топлива.

Для интенсификации обезжиривания применяют электрохимическую и ультразвуковую обработку. Поляризация детали снижает прочность прили-пания масла, а бурное выделение газа оказывает механическое воздействие на жировую пленку. Электрохимическое обезжиривание меди, латуни, брон-зы, цинка, алюминия, а также черных металлов нужно вести на катоде, так как анодная обработка сопровождается растворением этих металлов. Сталь-ные детали обезжиривают на аноде во избежание наводороживания. После электрохимического обезжиривания детали прошивают водой и декапируют в HCl для удаления налета.

Ультразвуковая обработка основана на преобразовании высокочастот-ного электрического тока в высокочастотные колебания жидкости (органиче-ские растворители, щелочные растворы, горячая вода) и явлении кавитации - образовании и захлопывании полостей в жидкости, заполненных насыщен-ным паром.

Качество обезжиривания оценивается по смачиваемости металла во-дой. При хорошем обезжиривании вода покрывает металл сплошной плен-кой.

Травлением удаляют загрязнения, образующиеся путем химического превращения слоев металла (окалина, ржавчина и др.). Травление производят в растворах кислот и щелочей. Наибольшая скорость травления достигается при концентрации кислот: серной 20-25%, соляной 15-25%. При повышении температуры от 15 до 60 0С скорость травления увеличивается в 10-15 раз. Следует учитывать, что травлению подвергается не только окислы, но и ме-талл, при этом происходит выделение водорода, который проникает в металл и вызывает водородную хрупкость. Поэтому в состав травильных растворов добавляют ингибиторы, замедляющие скорость растворения металла. При этом скорость растворения окислов изменяется незначительно. В качестве ингибиторов используются ОП-7, ОП-10, ПЖ, уникол, сульфошлам, КС, УМ, МН-10. Медь и цветные металлы травят в кислотных растворах, алюминий - в щелочных. Процесс кислотного травления можно усилить в несколько раз наложением ультразвука. Применение усиленного перемешивания и струй-ной подачи растворов ускоряет процессы и повышает качество обработки. Электрохимическому травлению подвергаются в основном чёрные металлы.

104

При катодной поляризации можно затормозить растворение металлов и обеспечить полное растворение металлов.

Декапирование – это удаление пленки окислов после хранения очи-щенной детали - является важной операцией подготовки поверхности. Про-

изводится непосредственно перед нанесением покрытия в течение 0,5 5

минут в зависимости от срока хранения. Декапирование, благодаря легкому протравливанию, обеспечивает адгезию покрытий. Для остальных деталей

рекомендуется 5 10% HCl, для меди и её сплавов 5 10% H2SO4 , для цвет-

ных металлов 3% HNO3 и 2% H2SO4 , для Zn, Al 3 5% NaOH. Нержавеющую

сталь подвергают электрохимическому катодному декапированию в 15 20%

HCl в течение 1-2 минут. После декапирования необходима тщательная про-мывка в проточной воде.

С целью улучшения адгезии покрытия иногда используется процесс пассивирования поверхности металла - образования тонкого оксидного слоя за счет анодной обработки деталей, либо выдержка в растворах КСN, К2СО3, K2Cr2O7.

Химическое электролитическое полирование производится после ме-ханической шлифовки в кислотных и щелочных растворах. Сплавы подвер-гаются полированию, если представляют собой твердые растворы, иначе один из компонентов выщелачивается. Для химического полирования меди используется раствор H2S04 250 мл/л, HNO3 250 мл/л, NaNO2 212 г/л при температуре 20-40 0С. выдержка 1-3 минуты. Для полирования алюминия ис-пользуется смесь серной, азотной и фосфорной кислот при температуре 110-120 0С. Электрополирование меди, заряженной отрицательно (катод), осуще-ствляют в фосфорной кислоте при 15-20 0С в течение 5-6 минут. Алюминий для электрополирования заряжают положительно (анод).

Чистота поверхности определяется и способом сушки. Эффективна сушка с помощью сжатого очищенного воздуха. Чем больше коэффициент сухого трения, тем лучше очищена подложка. Эффективность очистки опре-деляют по фигурам дыхания: серая фигура дыхания соответствует матовой поверхности, а при хорошей очистке конденсирующиеся пары сливаются в зеркальную водяную пленку - черная фигура дыхания.

Очищенная подложка быстро адсорбирует газы, которые очищают от-жигом в вакууме, бомбардировкой положительными ионами, либо в тлею-щем разряде. При этом ионы расщепляют углеводороды загрязнений и уда-ляются в виде газа СО.

105

11.5. Технологические способы химической металлизации

Часто оборудование для химической металлизации монтируется в галь-ваническом отделении, что дает возможность использовать уже имеющиеся ванны для химического и электрохимического обезжиривания, промывки. Наиболее рациональная схема размещения оборудования приведена ниже:

1 ванна обезжиривания в бензине;

2 ванна электрохимического обезжиривания;

3 ванна промывки водой;

4 ванна травления;

5 ванна декапирования;

6 реактор;

7 ванна приготовления гипофосфита.

Материал ванн должен быть термостойким, не химически активным, не

подвергаться никелированию, механически прочным, обладающим тепло-проводностью. При малых объемах раствора используются стеклянные ста-каны и колбы, погруженные в горячую воду. Для больших объемов приме-няют керамические и фарфоровые ванны. Для кислых растворов могут быть использованы эмалированные емкости. Для футерования ванн используются мастика из резинового клея Б-88, окись хрома в соотношении 1:1, эпоксид-ные смолы и пленки полиэтилена. Обогрев ванн осуществляется с помощью электрических нагревателей, либо водяных и паровых рубашек.

Химическое никелирование может быть осуществлено в непроточных и проточных растворах. При одноразовом использовании раствора (непро-точный способ) в ванну с горячей водой погружают стеклянные колбы с ра-бочим раствором, вращающиеся со скоростью 8-10 об/мин, для перемешива-ния раствора (рис. 11.1). Контактный термометр, связанный с электрическим нагревателем, регулирует температуру раствора. Плотность загрузки велика 4-5 дм2/л. Способ используется для нанесения тонких слоев никеля (до 10 мкМ).

106

Рис. 11.1. Схема химической металлизации проточного типа

Для получения более толстых покрытий необходима меновая плот-

ность загрузки и большее количество времени. Поддержание постоянного со-става рабочего раствора возможно лишь в проточных реакторах при непре-рывной циркуляции, фильтрации и корректировании раствора (рис.11.1).

Рабочий раствор в большом количестве (до 8500 л) хранится в резер-вуаре 1 при 55-65°С, откуда через теплообменник 2 поступает в ванну хими-ческого никелирования 3. Обедненный раствор идет в бак регенерации 5. где производится добавка химикатов нужной концентрации. Откорректирован-ный раствор поступает на фильтр 6, где очищается от твердых включений. Высокая скорость циркуляции раствора (до 270 л/ч) заменяет перемешива-ние.

1 3 5

2 4 6

Рис.11.2. Непроточный реактор для химической нейтрализации

107

Хорошая циркуляция раствора определяет качество и равномерность покрытия, особенно на деталях с длинными и глухими отверстиями, пазами, выемками. Необходимо правильно завешивать детали, например, отверстие вниз.

Регенерация растворов химического никелирования осуществляется осаждением никеля в виде гидроокиси 10-кратным избытком NaOH для раз-рушения буферной добавки СН3СООNa. Ni(ОН)2 растворяют в стехиометри-ческом количестве серной или соляной кислот и возвращают в процесс. В ос-тавшийся раствор, содержащий гипофосфит, вводят 4-5 кратный избыток окиси кальция с перемешиванием 1 ч при 70-80 0С, при этом выпадает 70-80% фосфита. Фосфит можно отделить хлорным железом, образующим ком-плексное соединение Na2[Fe(ОН)(НРО3)2] 2 H2O - осадок, нерастворимый в холодной воде. После отдаления фосфита раствор корректировался и исполь-зовался далее.

Получение гипофосфита является важной проблемой химического спо-соба осаждения металлопокрытий. Общепринятый способ получения гипо-фосфитов основан на взаимодействии щелочи с белым (желтым) фосфором, который очень ядовит. Красный фосфор - безопасное и дешевое сырье, но менее химически активен.

4Р +4NaOH + 3Н2О = 2NaH2PO2 + NаНРО3 + РН3 + H2O + Na3P04

Подобраны оптимальные условия реакции: содержание Р - 1000 г/л,

NaOH - 200 г/л, продолжительность 1ч, температура 100 0С, в результате ко-торых отфильтрованный раствор, содержащий 230 г/л гипофосфита и 100 г/л фосфита может быть непосредственно использован для химического никели-рования. Раствор разбавляют до содержания гипофосфита 10 г/л, остаточную щелочь нейтрализуют СН3СООН до содержания СН3СOONa 10 г/л. К полу-ченному раствору добавляют соль Ni 20-30 г/л, доводят рН до 5-5.5 и нагре-вают.

В случае необходимости раствор технического гипофосфита может быть очищен от фосфита с помощью 4-кратного избытка СаО после нейтрализации избыточной щелочи уксусной кислотой до концентрации ацетата 5-15 г/л, а затем серной кислотой до рН=2 при нагревании до 100 0С и перемешивании в течение 40-60 минут. Выпавший в осадок Са(НРО3) удаляется фильтрованием.

108

11.6. Химическое меднение

Химическое меднение производят в щелочных растворах, содер-жащих соль меди, восстановитель (обычно формалин). Покрываемая поверхность должна обладать свойствами, катализирующими реакцию восстановления меди. В качестве катализаторов используют Ag, Au, Pd, Pt, Ir, Ro, Os, нанесенные тонким слоем для инициирования осаждения первого слоя, далее процесс протекает автоматически.

На 1 моль меди практически расходуется 3-5 молей формалина (формальдегида). Повышенный расход формалина и щелочи объясняет-ся их дополнительным расходом на побочную реакцию:

2 НСОН + ОН = НСОС + СН3ОН

С увеличением содержания формалина возрастает скорость медне-ния, оптимальное его количество 60 мл/л; Значение рН должно быть выше 11. В щелочном растворе протекает следующая реакция, катали-

затором которой является медь:

НСОН + ОН = НСОС +Н2

СuS04 + Н2 = Сu + Н2SO4.

Добавление в растворы химического меднения никелевых солей

улучшает протекание реакции и качество меднения. В качестве ком-плексообразователей применяют тартраты, сегнетову соль, глицерин, которые увеличивают растворимость солей меди в щелочной среде, спо-собствуют восстановлению меди. В качестве стабилизаторов используют тиомочевину, гипосульфит, ПАВ, продувание инертными газами.

С целью повышения адгезии медного покрытия к основе, перед травле-нием поверхность обрабатывают в водном растворе катионоак-тивного ПАВ (ОП-10, оксалин Л-15,пропамин Д-15, синтамин ДТ-18 и др.). После травления детали обрабатывают в растворе неионогенного ПАВ для обеспечения равномерности распределения активных центров (эфиры алкилфенолов, полиакриламиды) и активируют в растворе PdCl2.

Для химического меднения чаще применяют растворы с малой концентрацией основных компонентов, скорость меднения в них не

109

больше 1мкм/ч. Однако такие растворы стабильны. Электропроводная пленка, получается через 40 минут меднения. Концентрированные рас-творы используются в течение 20-30 минут для создания первоначаль-ного электропроводного слоя, на который наращивается электролитиче-ское покрытие.

В производстве печатных схем используются растворы состава (г/л):

CuS04 - 20, глицерин – 35, NaOH – 26, NiC1 – 2? формалин - 6 рН 12, температура комнатная.

CuS04 – 30, NaOH – 42, МаНСО3 – 25, сегнетова соль – 140, форма-лин - 167 мл/л. Время использования раствора - 15-20 минут.

Для меднения керамики в качестве активирующего раствора ис-пользуют 10-30% раствор нитрата меди в спирте, а осаждение меди ве-дут в растворе состава (г/л): СuS04 - 8, NaOH – 20, ZnCl2 - 4, трилон Б –20, формалин - 80, метилцеллюлоза - 20. Термообработку проводят при 300 – 5000С.

Приготовление раствора: в одной емкости растворяют соли меди и никеля, в другой – NaHCO3. NaOH и сегнетову соль или К, Nа виннокис-лый. Первый раствор вливают во второй. Перед началом меднения за-ливают формалин. Предварительно вводят раствор тиомочевины.

Вопросы к лекции 11 1. Для чего используют процесс химической металлизации? 2. Что лежит в основе способа химической металлизации? 3. Какие существуют объяснения механизма протекания химического никелирования? 4. Как протекает химическое никелирование? 5. Как получают высококачественные покрытия деталей? 6. Что включает в себя Механическая обработка детали? 7. Какие бывают методы химической и электрохимической обработки? 8. Какое используется оборудование для химической металлизации? 9. В чем заключается химическое меднение?

110

Лекция 12

СБОРКА КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 6. Технология и физико-химические основы пайки

План лекции

12.1. Виды сборки 12.2. Ручная сборка 12.3. Механизированная сборка 12.4. Автоматизированная сборка 12.5. Аспекты применения различных видов сборки

12.1. Виды сборки

Конструкции электронных средств состоят из множества деталей. Объ-единение этих деталей в единую конструкцию осуществляется на этапе мон-тажа. Перед созданием электрических соединений компоненты устанавлива-ются на печатную плату в определенной последовательности с заданной ори-ентацией выводов.

Для установки на печатную плату (ПП) широко используются элемен-ты поверхностного монтажа. Они позволяют увеличить плотность монтажа. При монтаже компоненты устанавливаются на контактные площадки, покры-тые припойной пастой. При пайке плата с компонентами нагревается до тем-пературы оплавления припоя. Нагрев осуществляется ИК - излучением или потоком горячего воздуха.

Для плат невысокой сложности используются компоненты, монтируе-мые в отверстия – резисторы, электролитические конденсаторы, переключа-тели, соединители, микросхемы в корпусах с торцовыми выводами. Прово-лочные выводы этих компонентов вставляются в металлизированные отвер-стия платы.

111

Сборка состоит из подачи компонентов к месту установки, ориентации выводов относительно монтажных отверстий или контактных площадок, со-пряжения со сборочными элементами и фиксации в требуемом положении.

В зависимости от типа производства компоненты устанавливаются вручную в единичном, механизировано в серийном и автоматизировано в массовом производстве.

12.2. Ручная сборка

Применение ручной сборки экономически выгодно при производстве не более 16 тысяч плат в год партиями по 100 штук. Существенным достоин-ством ручной сборки является возможность постоянного визуального кон-троля. При объеме выпуска 0,5 – 5 млн. эл/год и плотностью каждой до 500 элементов, применяют оборудование с пантографами, оснащенное механизи-рованными укладочными головками. Если объем выпуска более 5 млн. штук в год, целесообразно использовать автоматизированное оборудование с управлением от ЭВМ.

На ручную сборку компоненты целесообразно подавать подготовлен-ными, уложенными по номиналам в технологические кассеты или магазины. Основная задача сборщика состоит в оперативной и правильной установке требуемого элемента на место. На ПП со стороны установки компонентов способом шелкографии наносится номер элемента и направление установки. Кассеты для компонентов имеют такие же обозначения и располагаются во-круг места сборщика на удобном расстоянии. ПП устанавливаются в держа-теле при помощи быстрозажимных фиксаторов. Повышение производитель-ности достигается использованием многопозиционного держателя, в котором параллельно друг другу располагается несколько ПП.

При сборке интегральных микросхем (ИС) используются специальные механические держатели, обеспечивающие заданное положение всех выво-дов, или вакуумные захваты.

Фиксация компонентов на поверхности ПП осуществляется различны-ми способами: подгибкой выводов, двумя диагонально расположенными вы-водами ИС со штыревыми выводами, приклеиванием к плате флюсом, клеем, липкой лентой или путем установки в специальные держатели на плате. В оснастку сборки также входят пинцеты, лупы и др.

112

Рис. 12.1. Установка ручной сборки компонентов на печатную плату

Производительность и качество ручной сборки повышается при ис-

пользовании сборочных столов с индексацией адреса установки компонентов (рис. 12.1). Каждое рабочее место комплектуется кассетницей элеваторного или тарельчатого типа, связанной с устройством индексации. Предваритель-но из пластмассы создается сборочная матрица, в которой в соответствии с чертежом ПП располагаются светодиоды с шагом 2,5 мм, и программируется последовательность подачи сигналов на светодиоды. Параллельно с этим при помощи ламп маркируются кассеты.

Подготовленная матрица укрепляется на рабочем столе, на нее уклады-вается ПП и фиксируется по базовым штырям. При подключении сборочного стола к сети загорается первая пара светодиодов в матрице и лампочка на кассете (или кассетница поворачивается нужной позицией к окошку в сбо-рочном столе). После установки элемента автоматически осуществляется пе-реход к установке следующего. Знак полярных элементов или первый вывод многоконтактных элементов указывается мигающим светодиодом.

Заканчивается сборка проверкой качества установки: на матрице не должен гореть ни один светодиод. Технологические возможности расширя-ются с применением записи программы последовательности на диске. Инди-кация места установки компонента на плате производится сверху сфокусиро-ванным лучем света, который управляется сигналами с диска. Очередность установки отражается на экране дисплея. При помощи такого стола за смену можно установить до 6000 компонентов.

113

12.3. Механизированная сборка

Механизированная сборка с пантографом состоит из монтажного стола с двух координатным перемещением. Компоненты поступают на сборку вклеенными в ленту в заданной последовательности, а призматические ком-поненты подаются из вертикально расположенных магазинов. ПП устанавли-вается в держатель по базовым штифтам. Ее позиционирование производится вручную штифтами базовой плиты, которые попадают в соответствующие отверстия в ПП. Копирный щуп пантографа вводят в отверстие шаблона и, обеспечивает блокировку платы.

С помощью копирного щупа пантографа можно позиционировать од-новременно несколько держателей ПП, что повышает производительность.

Плата закрывается с помощью маски так, что остаются открытыми только отверстия, необходимые для сборки. После позиционирования уста-новочная головка захватывает элемент и выполняет ряд операций: а) вырезка ЭРЭ из ленты, б) загибка выводов, в) вставление выводов в отверстия, г) об-резка выводов, д) фиксация выводов.

Производительность сборочных установок с пантографом достигает 2 – 2,5 тыс. компонентов в час. Фиксация компонентов происходит подгибкой выводов со стороны пайки. Базовая плата имеет окно, которое позволяет пе-чатной плате смещаться на несколько мм во все стороны по краю. Это окно необходимо для работы гибочного инструмента. Для крупносерийного и мас-сового производства используется установка параллельной сборки, которая имеет неподвижный держатель ПП и до 10 установочных головок, располо-женных вокруг ПП.

12.4. Автоматизированная сборка

В автоматических станках позиционирование сборочного стола осуще-ствляется с высокой скоростью и точностью при помощи безинерционных шаговых двигателей, управляемых от ЭВМ. Одновременно автоматизируется весь комплекс работ по установке и фиксации компонентов на плате, вклю-чая контроль. Высокая гибкость управления сборочным оборудованием и высокая производительность (18 – 24 тыс. эл/час) позволяет использовать их как в условиях серийного, так и массового производства. Однако стоимость

114

такого оборудования в 5 – 7 раз выше, чем стоимость станков с пантографа-ми. Повышаются требования к жесткости станка и точности выполнения ри-сунка.

Сборочные машины для компонентов с планарными выводами выпол-няют монтажные операции сразу после сопряжения элементов.

Автоматы снабжаются системами оперативного контроля ИС (модуль С1-1800 фирмы Northeastern США), модулями загрузки и выгрузки на основе программируемых роботов, модулями сборки нестандартных элементов (те-плоотводов, переключателей и др.)

Автоматические сборочные линии состоят из отдельных сборочных аг-регатов, устройства подачи ПП, транспортной системы и накопителя готовых изделий, объединенных централизованным управлением от мини - ЭВМ. Одна линия с 50 станками фирмы Dyna/Pert (США) обеспечивает установку 500 тыс. эл. в день. Большое значение имеет определение оптимальной дли-ны линии. Чтобы исключить вероятность отказов линии, целесообразно ис-пользовать линию с меньшим числом сборочных агрегатов, а плату собирать за несколько переходов.

При изготовлении небольших партий РЭА используются универсаль-ные сборочные машины (рис. 12.2), которые легко переналаживаются. Ин-формация, необходимая для управления машиной подается из носителя дан-ных (в осн. перфоленты), поэтому переналадка на другой тип плат при доста-точно большом числе магазинов означает только замену одного носителя данных на другой.

Универсальные сборочные машины автоматически позиционируют печатные платы, выбирают компонент из магазинов ЭРЭ, управляют сбороч-ной головкой, фиксируют выводы. Печатная плата базируется на позицион-ном столе, при этом точную фиксацию обеспечивают отверстия, просверлен-ные по диагонали ПП – базовые отверстия. Этими базовыми отверстиями ПП насаживается на направляющие штифты стола. Высокую точность располо-жения базовых отверстий получают совместным сверлением базовых и мон-тажных отверстий.

Точность фиксации стола составляет 0,025 мм.

115

Рис. 12.2. Универсальная сборочная машина

Позиционирование стола производится шаговым двигателем. Парал-

лельно во времени при позиционировании ПП происходит выборка компо-нентов и их транспортировка к сборочной головке. Число магазинов должно быть достаточно большим (20 – 40). Когда заканчивается подача компонента и позиционирование ПП происходит установка компонента сборочной го-ловкой. После этого выводы фиксируются посредством деформации под пла-той. Если компоненты имеют много выводов, то достаточно деформировать несколько из них. Для установки компонентов с планарными выводами сбо-рочные головки снабжаются U – образным электродом для оплавления при-поя.

12.5. Аспекты применения различных видов сборки

Применение механизированной сборки принимается во внимание уже при конструировании ПП. По краю ПП предусматривается поверхность для базирования на устройстве позиционирования (20 – 30 мм). Компоненты на ПП располагают построчно и столбцами, их длинные оси должны иметь оди-наковое направление, края компонентов желательно чтобы образовывали прямую линию.

116

Машинная сборка требует относительно больших подготовительных затрат для программирования компонентов, высока и стоимость устройств. Поэтому необходимо заботится о полной загруженности устройства.

Параллельная сборка в виде ударного монтажа годится только для спе-циального применения. Величина партии должна быть очень большой из-за обширного времени подготовки машин.

Автоматические линии пригодны только для очень большого количест-ва изделий, чтобы оправдать чрезвычайно высокие капиталовложения.

Ручная сборка применяется там, где спектр ЭРЭ на ПП очень большой и где невозможна стандартизация рабочего места, а также где исполнение выводов и ИС не допускает надежной механизированной сборки. Большая плотность упаковки требует также ручной сборки.

Вопросы к лекции 12

1. Какие существуют виды сборки РЭС? 2. Из чего состоит сборка РЭС? 3. Что является существенным достоинством ручной сборки? 4. За счет чего повышается качество и производительность ручной

сборки? 5. Состав механизированной сборки? 6. С помощью чего можно позиционировать одновременно несколько

держателей ПП в механизированной сборке? 7. Почему в автоматических станках позиционирование сборочного

стола осуществляется с высокой скоростью и точностью? 8. Чем обеспечивается точная фиксация ПП на позиционном столе при

автоматизированной сборке? 9. Чем объяснить, что применение механизированной сборки прини-

мается во внимание на стадии конструирования ПП? 10. Каковы основные аспекты применения различных видов сборки?

117

Лекция 13

МЕТОДЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 6. Технология и физико-химические основы пайки

План лекции

13.1. Основные методы выполнения электрических соединений 13.2. Подготовка компонентов РЭА к монтажу 13.3. Подготовка интегральных схем 13.4. Пенное и волновое флюсование выводов

13.1. Основные методы выполнения электрических соединений

При сборке современной РЭА на ПП подсоединяют как дискретные элементы с 2-3 выводами, так и корпуса ИС с числом выводов до 260 штук. Поэтому получение много контактных соединений (несколько десятков на 1 см2) предъявляет высокие требования:

к выбору контактируемых материалов (наибольшее распространение получили пленки и проволоки из Au, Cu, луженой меди, Al, Pd, Ni);

к геометрическим размерам выводов (25 –100 мкм) и контактных пло-щадок (>700 мкм2);

к методу монтажа (пайка, сварка, накрутка, обжимка, склеивание) и режимам монтажа (t° = 150 – 300 °C, t ~ 0,5 – 10 c, p= 108 Н/м2);

уровню автоматизации монтажа;

точности совмещения выводов и контактных площадок (±25 мкм). Основные методы выполнения электрических соединений можно раз-

делить на 4 типа: 1. Пайка:

а) низкотемпературная < 450 0С б) высокотемпературная > 450 0С

2. Сварка:

118

а) давлением: (ультразвуковая, электроконтактная, термокомпрессион-ная);

б) плавлением: (электронным пучком, лазерным лучом). 3. Методы, основанные на упругой и пластической деформации:

а) накрутка: (обыкновенная, модифицированная, бандажная); б) обжатие.

4. Специальные методы: а) соединение токопроводящими токами.

Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии

путем введения в зазор расплавленного припоя, взаимодействующего с ос-новным металлом. Пайку широко применяют при монтаже РЭА из-за низкого и стабильного электрического сопротивления, универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта. Однако этому методу присущи недос-татки: высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов, дли-тельное воздействие высоких температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ.

Сварка – это процесс получения неразъемного соединения материалов под действием активирующей энергии теплового поля, деформации, УЗ-колебаний или их сочетаний. По сравнению с пайкой сварка дает более прочные соединения. Она характеризуется отсутствием присадочного мате-риала, незначительной дозированной тепловой нагрузкой ЭРЭ, возможно-стью уменьшения расстояний между контактами. К недостаткам метода сле-дует отнести: неширокий выбор сочетаний материалов, увеличение переход-ного соединения из-за интерметаллидов, невозможность группового контак-тирования соединений, сложность ремонта.

Соединения, основанные на деформации контактирующих деталей, проводов или выводов, выполняются в холодном состоянии под действием значительных механических усилий. При этом происходит разрушение окис-ных пленок и образование надежного вакуум-плотного соединения. Такие соединения не создают помех в цепях низкого давления, отличаются высокой механической прочностью и легко поддаются механизации.

Соединения токопроводящими клеями и пастами не вызывают измене-ния структуры соединяемых материалов т.к. производятся при низких темпе-ратурах. Они применяются в тех случаях, когда другие методы невозможны, в труднодоступных местах, при ремонтных работах и т.д. Однако широкого

119

применения метод не получил из-за невысокой проводимости, низкой термо-стойкости и надежности соединений.

По результатам экспериментальных исследований 50 – 80 % всех отка-зов в аппаратуре происходит из-за некачественных электрических соедине-ний. Для качественного соединения должны быть обеспечены:

высокая надежность и долговечность;

минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его стабиль-ность при различных климатических воздействиях;

максимально достижимая механическая прочность;

минимальное значение параметров монтажного процесса (t°, p, выдержки);

стойкость к термоциклированию;

отсутствие в зоне контакта материалов, вызывающих деградацию со-единения;

простота и надежность контроля монтажа;

экономическая эффективность и производительность процесса.

13.2. Подготовка компонентов РЭА к монтажу

Подготовка ЭРЭ и ИС включает распаковку компонентов, рихтовку, зачистку, формовку, обрезку и лужение выводов, а также размещение компо-нентов в технологической таре. На ПП оплавляется монтажное покрытие в нагретом глицерине или ИК-излучением. Маркировочные знаки наносятся методом шелкографии.

Для проведения подготовительных операций резисторов, конденсато-ров, транзисторов cо штыревыми и планарными выводами разработано мно-гочисленное технологическое оборудование и оснастка различными отечест-венными и зарубежными фирмами.

В мелкосерийном производстве подготовка осуществляется поопера-ционно с ручной подачей компонентов. При массовом производстве – на ус-тановках комплексной подготовки с автоматической подачей элементов в зо-ну обработки.

Рихтовка (выпрямление), формовка и обрезка осуществляется в штам-пах с пневматическим приводом и набором сборных элементов.

120

Схема автоматического оборудования для комплексной подготовке ЭРЭ с аксиальными выводами представлена на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Схема автоматического оборудования для комплексной подготовке ЭРЭ с аксиальными выводами

Схема включает транспортер (1) с ЭРЭ (2), проходящими из вибробун-кера (3) к механизму рихтовки (4) и далее через механизм зачистки (5), об-резки (6), флюсования и облужевания (7), формовки (8) и разгрузки (9).

Производительность такой схемы 50 эл/ мин. Подача элементов может быть ручной (производительность 1.5 – 3 эл/ ч), из вибробункера (5 – 10 тыс. эл/ ч, и с ленты ( до 20 тыс. эл/ ч).

Подготовка к монтажу ИС с планарными выводами осуществляется на автоматической линии ГГМ 2.249.020, включающей унифицированные мо-дули распаковки ИС, формовки и обрезки выводов, флюсования и лужения выводов холодной напрессовкой припоя ПОС-61 и укладки ИС в технологи-ческие кассеты. В каждом модуле находится 18 кассет с 50 ИС в кассете. Производительность линии составляет 900 эл/ ч. Подача ИС из магазинов является более дешевым способом, так как они могут многократно использо-ваться. Но более универсальна подача с ленты. Элементы могут вклеиваться в ленту одного номинала или разных номиналов и типоразмеров по про-грамме. Отечественной промышленностью выпускается автомат переклейки ГГМ1.139.001.

Благодаря подготовки компонентов получается экономия сборочного времени на 50% по отношению к неподготовленным ЭРЭ.

13.3. Подготовка интегральных схем

Повышение степени интеграции БИС осуществляется за счет миниа-

121

тюризации элементов, а следовательно, требует усовершенствования методов изоляции активных элементов. Изоляция элементов в МОП-БИС необходима для предотвращения образования «паразитных» каналов и снижения «пара-зитных» емкостей. Среди известных методов широкое распространение по-лучила технология локального формирования полевого окисла «LOCOS». Однако ее использование становится проблематичным по мере миниатюри-зации элементов БИС. Наиболее важной проблемой является вторжение час-ти окисной пленки в виде «птичьего клюва» в активную область, что умень-шает размеры этой области и требует увеличения элемента. В свою очередь, горизонтальная диффузия ионов бора приводит к увеличению порогового напряжения и уменьшению порогового тока (эффект «узкого канала»), т. е. ухудшает электрофизические параметры. Также существует проблема сни-жения электрической прочности подзатворного окисла из-за эффекта «белой полосы». Он заключается в том, что в процессе локального окисления в ак-тивных областях образуется нитридная пленка и формируется окисел мень-шей толщины и низкой электрической прочности. Исключить указанные эф-фекты позволила предлагаемая технология формирования поликремневых спейсеров.

Пленки поликремния и нитрида кремния формируются в едином цикле с высокой степенью равномерности. Пленка поликремния полностью блоки-рует диффузию аммиака, который является причиной «белой полосы» и воз-никновения термических напряжений. Во избежание диффузии ионов В+ в охранной области имплантация бора была заменена на легирование ионами цезия, что обеспечило очень малый коэффициент диффузии из-за большого радиуса ионов цезия. Разработанная технология позволяет формировать ак-тивные элементы БИС размерами менее 1 мкм.

Не требуют подготовки ИС с двухразрядным расположением выводов, в плоских корпусах, многовыводные диоды и компоненты в призматическом корпусе.

13.4. Пенное и волновое флюсование выводов

Нанесение флюса на соединяемые поверхности осуществляется: ки-стью, погружением, протягиванием, накатыванием, распылением, вращаю-щимися щетками. При массовом производстве используют пенное или вол-новое флюсование. Установка вспенивания флюса (рис. 13.2) состоит из 2 сообщающихся резервуаров, заполненных жидким флюсом.

122

Рис. 13.2. Установка вспенивания флюса

Во внутреннем резервуаре размещаются вспенивающий элемент из по-

ристого материала (керамика, фетр, войлок), присоединенный к магистрали сжатого воздуха. Сетка на наружном резервуаре способствует переходу пены в жидкость. Вертикальные щетки ограничивают площадь пены и направляют ее на поверхность платы. Пена флюса покрывает ПП тонким ровным слоем, который при пайке может быть полностью удален расплавленным припоем. Однако способ вспенивания не гарантирует полное смачивание флюсом всех отверстий с выводами. Кроме того, хорошее испарение изменяет процент-ный состав раствора.

Более полное и надежное нанесение флюса при уплотненном монтаже достигается при волновом флюсовании (рис. 13.3). Флюс не только равно-мерно покрывает нижнюю поверхность платы, но и заполняет металлизиро-ванные отверстия под действием гидродинамического давления и капилляр-ного эффекта (рис. 13.3). К недостаткам способа относятся увеличенный расход материалов, необходимость точного поддерживания волны припоя.

123

Рис. 13.3. Волновое флюсование

Перед пайкой флюс подсушивается при t = 80 – 100 С, а затем плата

подогревается до 120 – 150 С. Это вызвано необходимостью предотвраще-

ния бурного кипения флюса при соприкосновении с расплавленным припоем и установления теплового баланса в системе “плата-припой”, уменьшения теплового удара и внутренних напряжений. Для сушки флюса и подогрева плат используют нагревательные плиты или трубчатые ИК-излучатели, кото-рые располагаются под движущимися платами.

Вопросы к лекции 13

1. Каковы основные методы выполнения электрических соединений? 2. Что называется пайкой? 3. Что такое сварка? 4. Преимущества и недостатки способа пайки. 5. Преимущества и недостатки сварки. 6. Чем обеспечивается качественное электрическое соединение? 7. Что включает в себя подготовка ЭРЭ и ИС к монтажу? 8. Каким образом достигается более плотное и надежное нанесение

флюса при уплотненном монтаже? 9. Какой существует недостаток способа вспенивания флюса?

124

Лекция 14

МОНТАЖ КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 6. Технология и физико-химические основы пайки

План лекции

14.1. Технологический процесс монтажа компонетов на печатной плате 14.2. Технология поверхностного монтажа 14.3. Индивидуальная пайка паяльником

14.1. Технологический процесс монтажа компонентов на печат-ной плате

Для монтажа компонентов контактные площадки платы должны быть покрыты припоем. Остальная поверхность платы покрывается защитной мас-кой из фоторезиста.

В платах с краевыми соединителями контактные площадки покрыва-ются пленками золота, палладия или родия. Минимальное стабильное сопро-тивление, высокая износостойкость таких контактов обеспечивается гальва-ническим осаждением этих пленок в специальных гальванических ваннах.

Технологический процесс монтажа состоит из следующих операций: 1) Нанесение и сушка флюса. 2) Предварительный нагрев платы и компонентов. 3) Пайка. 4) Очистка. Групповая пайка компонентов со штыревыми выводами проводится

волной припоя на автоматизированных установках модульного типа. Шири-на конвейеров составляет 230 – 610 мм. Структура автоматической линии пайки включает (рис. 14.1):

1– конвейер; 2 – пенный флюсователь;

125

3 – подогреватель флюса; 4 – подогреватель платы; 5 – модуль пайки на глубокой волне; 6 – модуль обрезки выводов; 7 – волновой флюсофатель; 8 – подогреватель флюса; 9 – модуль пайки на волне; 10 – устройство управления конвейером.

Рис. 14.1. Автоматизированная установка модульного типа

Включение в состав линии модуля обрезки выводов (1 – 5 фрез, вра-

щающихся с частотой 1000 – 5000 об/ мин) позволяет упростить процесс под-готовки ЭРЭ к пайке.

Отмывка собранных плат от остатков флюса выполняется в специаль-ных вибрационных установках, колеблющихся с частотой 50 Гц и амплиту-дой 1 – 2 мм на волне моющего раствора со щетками или струйным методом. Наиболее эффективна очистка плат с применением 43-колебаний частотой 20 – 22 кГц в спирто-бензиновой или спирто-фреоновой смеси. Для исключе-ния повреждения элементов монтажа обработку проводят в декавитационных режимах. Для повышения производительности в серийном производстве ис-пользуют программируемые манипуляторы, осуществляющие многократную обработку плат. Линии заканчиваются модулями сушки плат.

14.2. Технология поверхностного монтажа

Кроме монтажа компонентов с выводами в отверстия все большее раз-витие получает поверхностный монтаж без выводных компонентов в микро-

126

корпусах или компонентов с планарными выводами. Его преимущества в следующем: повышение плотности компоновки, так как компоненты можно монтировать на 2-х сторонах платы; отсутствие операций сверления отвер-стий, их очистки, металлизации и контроля приводит к снижению затрат на изготовление ПП; исключение операций выпрямления, обрезки и формовки выводов; повышение надежности межсоединений, отсутствие коробления ПП.

Бескорпусные элементы для поверхностного монтажа поставляются на пластиковых лентах, смотанных в катушки или в специальных трубчатых ма-газинах. В диэлектрический материал ленты при формировании вводят угле-родный наполнитель для придания антистатических свойств. Автоматиче-ские укладчики подают компоненты по программе с 60 катушек. Вакуумная головка захватывает компонент, прокатывает его по барабану, покрытому паяльной пастой или эпоксидной смолой и устанавливает на требуемое место на плате. В станке модели Microplacer фирмы MTI (США) программируется давление захвата компонентов и обеспечивается центрирование и ориента-ция. Наиболее совершенным является оборудование фирмы Universal (США).

В нем позиционируют сразу две платы и, пока на одной наносится точ-но дозированное количество клея, на другой – производится установка ком-понента.

Монтаж на поверхности может быть выполнен в 3-х различных ва-риантах. Первый предусматривает на верхней стороне платы монтаж компо-нентов в сквозные отверстия, а на нижней – поверхностный монтаж. Исполь-зуется пайка волной припоя, но двойной волной, поступающей из двух ре-зервуаров, что позволяет обеспечить полный охват припоем металлизиро-ванных участков по всему периметру. Вторичная волна также удаляет избы-ток припоя с монтажных соединений. В случае внешнего расположения ком-понентов на каждой стороне платы (2 вариант) сначала монтируют элементы в микрокорпусах оплавлением припоя, а затем волной припоя – остальные.

Для поверхностного монтажа применяют специальный инструмент, который захватывает микрокорпус (рис. 14.2, а), опускает его на плату и рас-плавляет припой на контактных площадках (рис. 14.2, б) и затем поднимается (рис. 14.2, в).

127

Рис. 14.2. Специальный инструмент для поверхностного монтажа

Толкатель удерживает элемент, пока не наступит кристаллизация при-

поя. В инструменте с высокой точностью поддерживается температура, что-бы исключить перегрев кристалла в микрокорпусе.

Третий вариант предусматривает установку элементов только на по-верхность ПП. Для электрического монтажа используется пайка электросо-противлением, нагретым газом в паровой фазе (конденсационная), сфокуси-рованным световым лучом или ИК-излучением.

14.3. Индивидуальная пайка паяльником

В зависимости от типа производства пайка выполняется индивидуаль-но с помощью нагретого паяльника или различными групповыми методами. Индивидуальная пайка эффективна в условиях одиночного и мелкосерийного производства, для проводного монтажа, после выполнения групповой пайки на другой стороне печатной платы, при макетных, ремонтных и регулиро-вочных работах. Групповая пайка повышает производительность труда, стро-го поддерживает технологический режим, увеличивает надежность соедине-ний, автоматизируется. Но с применением методов групповой пайки повы-шаются требования к однородности и качеству подготовки поверхностей, а именно:

необходимы дополнительные меры к предотвращению перегрева тер-мочувствительных элементов;

подбор конструктивно-технологических решений по устранению де-фектов (сосулек, перемычек, наплывов);

усложняется процесс отмывки более активного, чем при индивидуаль-ной пайке, флюса, который наносится в больших количествах.

Технологический процесс пайки состоит из следующих операций:

128

фиксации элементов с предварительно подготовленными к пайке по-верхностями;

нанесение дозированного количества флюса и припоя;

нагрев деталей до заданной температуры и выдержка в течение опреде-ленного времени;

охлаждение соединения без перемещения поверхностей;

очистка соединений;

контроль качества. Интенсивность теплового потока и необходимую температуру пайки

обеспечивают: 1. мощность и термический КПД паяльника, 2. степень стабильности температуры рабочего жала паяльника, обу-

словленная: а) динамикой теплового баланса, б) теплопоглощением,

в) теплоотводом, г) теплозапасом в паяльном жале. Температура рабочего конца жала задается на 30 – 100 0С выше точки

ликвидуса припоя. В процессе пайки температура жала снижается за счет те-плоотдачи.

Рекомендуемые мощности паяльников для пайки микросхем 4 – 18 Вт, для печатного монтажа – 25 – 60 Вт, при проводном монтаже 50 – 120 Вт. Выбор мощности паяльников с учетом КПД (25 – 55%) производится в соот-ветствии со средним теплопоглощением ИС (1,5 – 3 кал.), ПП (9 – 10 кал.), жгутов (15 кал.).

Стабилизация температуры проводится с помощью: 1. массивного паяльного жала и близкого расположения нагревателя, 2. импульсного нагрева, который эффективно восполняет потери тепла в

процессе пайки, 3. электронных регуляторов, работающих от специальных датчиков

(термопар), 4. использование материалов, изменяющих свое электрическое сопро-

тивление, например агломерат Pb и Ba или магнитные свойства, в ка-честве нагревателей.

Для паяльных жал используют Cu ввиду ее высокой теплопроводности. Но вследствие химического взаимодействия с расплавленным припоем и флюсом, термоударов, окисления О2 воздуха долговечность такого жала со-

129

ставляет 700-1000 паек, после чего его перезатачивают. Нанесение на жало химического Ni увеличивает срок службы до 1500 паек, а гальванический Ni толщиной до 100 мкм – до 2000 паек. В качестве перспективных материалов для паяльных жал рекомендуются медные сплавы MXH1- 4, Cu-N, в которой износа- и термостойкость вольфрама сочетаются с электропроводностью Сu. Пористость материала улучшает смачивание жала припоем.

Для наиболее широко распространенного припоя ПОС-61М температу-ра пайки составляет 280 ± 10 0C, время пайки 1-3 с. Пониженная температура приводит к недостаточной текучести припоя и плохому смачиванию и обра-зованию “холодной пайки”. Завышенная температура вызывает обугливание флюса, выгорание компонентов припоя. Для охлаждения элементов во время пайки применяют:

а) нанесение дозы испаряющегося вещества, б) обдув газом, в) специальные термоэкраны. Заканчивается процесс пайки очисткой соединения от остатков флюса

и визуальным контролем качества.

Вопросы к лекции 14

1. Из чего состоит технологический процесс монтажа компонентов на ПП?

2. Что включает в себя структура автоматической линии пайки? 3. В чем заключаются преимущества поверхностного монтажа без вы-

водных компонентов по отношению к монтажу компонентов с вы-водами?

4. Каким образом бескорпусные элементы поставляются для поверх-ностного монтажа?

5. Каким образом может быть выполнен монтаж на поверхности пла-ты?

6. В каких условиях индивидуальная пайка становится эффективной? 7. Каким образом обеспечивают необходимую температуру пайки? 8. Какой материал желательно использовать для паяльных жал? Поче-

му? 9. Чем характеризуется групповая пайка? 10. Чем обусловлена степень стабильности температуры рабочего жала

паяльника?

130

Лекция 15

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАЙКИ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 6. Технология и физико-химические основы пайки

План лекции

15.1. Подготовка поверхности 15.2. Активация соединяемых металлов 15.3. Взаимодействие металла с припоем 15.4. Кристаллизация шва

Для образования качественного паяного соединения необходимо: 1. подготовить поверхности деталей, 2. активировать соединяемые металлы и припой, 3. обеспечить взаимодействие металла с припоем, 4. создать условия для кристаллизации металлической прослойки.

15.1. Подготовка поверхности

Подготовка включает удаление загрязнений органического и мине-рального происхождения, оксидных пленок, а иногда и нанесение покрытий, улучшающих условия пайки, повышающих прочность и коррозионную стой-кость паяных соединений. При механической очистке удаляется тонкий по-верхностный слой металла при помощи резца, шлифовального круга, шабера, наждачной бумаги или проволочной сетки. Иногда применяют гидроабра-зивную обработку с вращающимися щетками из синтетического материала с абразивными частицами. Образование шероховатой поверхности после ме-ханической обработки способствует растеканию флюса и припоя, т.к. риски являются мельчайшими капиллярами.

Обезжиривание изделий проводят в растворах щелочей или в органи-ческих растворителях (ацетоне, бензине, спирте, CCl4, фреоне и смесях) пу-

131

тем протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или УЗ-ванне.

Современное оборудование для очистки имеет блочно-модульную кон-струкцию с программным управлением, оно снабжено устройствами для ре-генерации моющих средств и сушки изделий. Эффективным методом сушки является центрифугирование.

Удаление оксидных пленок осуществляют травлением в растворах ки-слот и щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной окисной пленки и требуемой скоростью травления. После операции травле-ния детали тщательно промывают с применением нейтрализующих раство-ров. Очищенные детали необходимо немедленно направлять на сборку и

пайку, т. к. срок сохранения паяемости для Cu – 3 5 суток, для Ag – 10 15

суток. Иногда перед пайкой на поверхность деталей наносят покрытия, кото-

рые улучшают процесс смачивания припоем и увеличивают сроки межопе-рационного травления. Для покрытий используют припои ПОС – 61, сплав Розе и другие, Ag, Au, Pb и их сплавы, которые наносят гальваническим или термовакуумным осаждением. На Al и его сплавы технологические покрытия наносят с применением УЗ –колебаний. Кавитационные явления, возникаю-щие в расплаве, приводят к разрушению оксидной пленки на поверхности металла и смачиванию его припоем.

Для увеличения срока паяемости деталей, подготовленных к пайке, на-носятся специальные консервационные покрытия, состав которых согласует-ся с составом применяемого флюса.

Такие покрытия разделяются на 2 вида: 1. на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт), 2. консервационные пленки щелочных металлов. Их наносят на влажные детали кистью, погружением или распылением.

Образовавшаяся после испарения растворителя пленка защищает детали от влаги и окисления в течение 5 - 6 месяцев хранения.

По критерию паяемости все многообразие современных паяемых мате-риалов можно разделить на 4 группы:

1. легко паяемые – Sn, Au, Ag, Cu и их сплавы, 2. средне паяемые – латунь, бронза, Ni, Zn, сталь, 3. трудно паяемые – нержавеющая сталь,Mg, Al, Fe, Mo и др.

132

4. не паяемые – керамика, стеклокерамика, ферриты, полупроводни-ки.

15.2. Активация соединяемых металлов

Рассмотрим активацию соединяемых металлов и припоя. Нагрев ос-новного металла и припоя приводит к снижению их активности вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и образования окисной пленки. Для предотвращения этого явления применяют флюсы, газовые среды, самофлю-сующиеся припои или механические вибрации, УЗ-колебания и т.д.

Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна. Расплав-ленный флюс растекается по поверхности металла и припою, смачивает их и вступает во взаимодействие с ними, в результате которого удаляется окисная пленка. Химическое взаимодействие между флюсом и оксидной пленкой приводит к образованию растворимого во флюсе соединения. Химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом вызывает отрыв ок-сидной пленки и перевод ее в шлак. Применение флюсов нередко приводит к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными пленками образуют в паяном шве шлаковые включения, что снижает их прочность и коррозионную стойкость. Этого можно избежать при бесфлюсо-вой пайке, которая осуществляется в газовых средах или в вакууме.

Газовые среды для пайки разделяют на:

нейтральные (N2, Ar, He, криптон), которые защищают металл и при-пой от окисления,

активные (H2, CO, H2+N2) не только защищают, но и удаляют уже обра-зовавшиеся оксидные пленки. Однако, газовые среды могут вступать во взаимодействие с паяемым

металлом и припоем, образуя нежелательные продукты реакции (гидриды, нитриды, карбиды), которые ухудшают физико-механические свойства со-единений. При пайке в вакууме наблюдается дегазация металла шва, и, как следствие, более высокая его плотность. Вместе с тем, в вакууме возможно испарение летучих компонентов припоя (Cd, Mg, Jn, Zn и др.), что приводит к пористости шва.

Для удаления оксидной пленки используются также УЗ-паяльник, раз-рушающий ее под слоем припоя, который предохраняет поверхность от окисления. Металлические щетки и сетки, трение деталей с порошком асбе-ста. Однако, эти методы активирования поверхности характеризуются низкой

133

производительностью, неравномерностью удаления оксидных пленок и включением их и частиц абразива в паяное соединение.

Наряду с описанными методами для удаления оксидной пленки приме-няют самофлюсующиеся припои. Они содержат компоненты, которые актив-но реагируют с оксидной пленкой паяемого металла и припоя, образуя лег-коплавкие шлаки. Это припои со щелочными металлами (Zn, K), с бором, фосфором и их смесями.

15.3. Взаимодействие металла с припоем

От того, насколько хорошо расплавленный припой смачивает поверх-ность основного металла (рис. 15.1), зависит прочность, коррозионная стой-кость и другие свойства паяных соединений. При смачивании атомы металла и припоя сближаются на расстояние менее 100 мм, и между ними образуются квантовые связи. Растекание припоя по плоской поверхности продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного на-тяжения на границе 3-х фаз:

1 – твердое тело (металл); 2 – жидкий припой; 3 – газообразный флюс.

Рис. 15.1. Определение смачиваемости поверхности металла припоем

(15.1) Из уравнения (15.1) и рис.15.1 видно, что чем выше поверхностное на-

тяжение расплава припоя, тем хуже смачивает он основной металл. Однако, поверхностное натяжение металлов не является однозначной характеристи-кой растекания расплавов. Растекание припоя определяется соотношением

134

сил адгезии припоя к поверхности металла Aa и когезии Ak– силами связи между частицами припоя.

K = Aa – Ak, (коэффициент растекания) (15.2)

На процесс смачивания и растекания припоя оказывают влияние тех-

нологические факторы. Способ удаления оксидной пленки, характер предше-ствующий механические обработки, режим пайки. Применение флюсов, дей-ствующих как ПАВ, снижает поверхностное натяжение расплавленных при-поев, что улучшает смачиваемость паяемой поверхности. Применение газо-вых сред, наоборот, ухудшает смачивание в связи с взаимодействием с ос-новной.

В процессе растекания припоя происходит взаимодействие, проявляю-щееся в растворении и диффузии металлов. Скорость и глубина этих процес-сов зависят от природы взаимодействующих металлов, температура скорости и времени нагрева, напряжений в основном металле.

Рис. 15.2. Структура паяного шва

Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить прочность

соединений, однако эрозия основного металла расплавленным припоем и об-разование интерметаллидов вызывают хрупкость соединений. В результате диффузии и растворения образуется следующая структура паяного шва:

Ширина диффузионной зоны оказывает существенное влияние на прочность паяного соединения. Поэтому в каждом конкретном случае усло-вия пайки должны быть подобраны таки образом, чтобы ширина диффузион-ной зоны находилась в пределах 0.9 – 1.2 мкм.

135

Рис. 15.3. Ширина диффузионной зоны

15.4. Кристаллизация

Кристаллизация металлической прослойки (кристаллизация в шве) на-чинается на основном металле (рис. 15.4), который оказывает сильное ориен-тирующее действие на расплавленный припой. На структуру паяного соеди-нения влияют зазор и скорость снижения температуры. Зазор определяет тем-пературный градиент расплава. Уменьшение зазора, а следовательно, толщи-ны кристаллизующейся жидкости, приводит к тому, что дендритная форма кристаллов (при 20,5 мм) уступает место ячеистой (при 0,4 – 0,3 мм), а затем гладким кристаллом (0,2 – 0,1 мм зазора).

Рис. 15.4. Схема заполнения припоем отверстия с выводом

136

Зональные неоднородности и дендритные образования отличаются меньшей прочностью.

Максимально допустимый зазор при пайке зависит от высоты поднятия припоя, т.е. смачивания припоем, и определяется по формуле:

где r – радиус вывода; b, n – постоянные величины; h – высота подня-

тия припоя.

где σ2,3 – поверхностное натяжение припоя; γ – плотность припоя; g – ускорение свободного падения; ∆ - суммарный зазор.

Вопросы к лекции 15

1. Что необходимо для образования качественного паяного соединения? 2. В чем заключается подготовка поверхностей к пайке? 3. Каким образом добиваются увеличения срока паяемости деталей? 4. Как делят газовые среды для пайки? 5. Каким образом производят удаление оксидной пленки образованной

при пайке? 6. От чего зависит качество паянных соединений? 7. Что оказывает влияние на процесс смачивания и растекания по поверх-

ности материала? 8. Какие процессы позволяют увеличить прочность соединений при пай-

ке? 9. Каким образом должны быть подобраны условия пайки для каждого

конкретного случая? 10. 10) Что оказывает сильное ориентирующее действие на расплавленный

припой при кристаллизации металлической прослойки

137

Лекция 16.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПАЙКИ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 6. Технология и физико-химические основы пайки

План лекции 16.1. Флюсы 16.2. Припои 16.3. Очистные жидкости 16.4. Пайка золота оловянно-индиевыми припоями

На качество паяных соединений большое влияние оказывает правильный выбор материалов: флюсов, припоев, очистных жидкостей.

16.1. Флюсы

Флюсы, образуя жидкую и газообразную защитные зоны, предохраня-ют поверхности металла и припоя от окисления и удаляют уже имеющиеся пленки оксидов, улучшают смачивание металла припоем и растекание при-поя.

В зависимости от температурного интервала активности флюсы разде-ляются на низко- и высокотемпературные. Для электромонтажных соедине-ний в основном применяются низкотемпературные флюсы.

По своему составу флюсы разделяются на две группы: 1. смолосодержащие флюсы на основе канифоли или полиэфирных

смол (ПН-9,ПН-56), 2. активные коррозионные флюсы, содержащие минеральные кислоты

и активирующие добавки (анилин, гидразин, триэтаноламин и др.). Смолосодержащие флюсы обладают широкой универсальностью, не

снижают электрического сопротивления подложек, не вызывают коррозии соединяемых металлов. Однако такие флюсы обладают слабой химической активностью и предназначены для пайки легкопаяемых металлов. Канифоль-

138

ные флюсы, активированные 2 – 3,5 % органических кислот (бензойной, са-лициловой) обладают повышенной активностью, но вызывают коррозию изоляции диэлектриков и проводников, если их тщательно не отмыть.

Таблица 16.1

Основные марки флюсов, их состав и назначение

Марка Составляющие Состав,% Внешний

вид Область примене-

ния

А. В Канифоль 100 Хрупкая

стекловидная масса

Пайка и лужение деталей и провод-

ников

КЭ Канифоль

Спирт этиловый 30-40 70-60

Жидкость светло-

коричневого цвета

Пайка и лужение деталей и провод-

ников

ФКСп ФКЭт

Канифоль Спирт этиловый

10-60 90-40

То же Консервация в

условиях хранения

ФКТ Канифоль

Спирт этиловый Тетрабромиддипситена

10-40 89,95-59,9

05-0,1

Жидкость коричневого

цвета

Пайка и лужение деталей и провод-

ников

ЛТИ-120

Канифоль Спирт этиловый Диэтиламин солянокислый Триэтаноламин

20-25 76-68 3-5 1-2

То же То же при тща-тельной очистке

ФДГл Глицерин Диэтиламин солянокислый

94-96 4-6

Бесцветная жидкость

Групповая пайка деталей

ЖЗ-1-АП

Цилиндровое масло Связка кремнийорга-

ническая Кислота олеиновая Антиоксидант

79-81

16-17

1,8-4,9

0,1-0,2

Жидкость коричневого

цвета

Защита зеркала припоя от окисле-ния в установках групповой пайки

Для увеличения активности добавляем триэтаноламин.

Канифоль имеет температура плавления 83125°C. Содержит слабую

абиетиновую кислоту С12Н29СООН2, которая воздействует на окисные плен-

139

ки. Образующийся абиетинат меди легко удаляется. Аналогично действует стеариновая кислота. При длительной пайке желателен менее активный ус-тойчивый флюс, а при быстрой – активный флюс, например, для предвари-тельного обслуживания проводников используют флюсы с агрессивными свойствами ZiCl2, NH2Cl, неорганические кислоты и другие.

Флюсы наносят либо методом, распыления, либо методом вспенивания или волны, а также кистью, погружением или накатыванием.

16.2. Припои

В качестве припоев используются различные цветные металлы и их сплавы, которые расплавляются ниже температуры плавления контактируе-мых металлов. Припои должны содержать элементы, которые могут образо-вывать сплавы с соединяемыми металлами.

Исходя из температуры плавления, припои разделяются на низко, сред-не- и высокотемпературные. Для пайки монтажных соединений РЭА в ос-новном применяются низко- и средне температурные припои (Тпл, = 450 °C). Их основными компонентами являются Sn и Pb. К ним добавляют присадки: Ag и Sb (сурьма) повышают температуру плавления и затвердения припоя, а Bi и Cd – снижают ее. Ag задерживает снижение прочности при старении, уменьшает окисление олова. Sb увеличивает прочность соединения, но дела-ет его более хрупким. Механическая прочность припоев увеличивается с увеличением содержания олова, но одновременно увеличивается его стои-мость, т.к. Pb в 20 раз дешевле Sn.

Выбор марки припоя определяется типом основного металла и техно-логического покрытия, максимально допустимой температурой при пайке ЭРЭ, а также технико-экономическими и технологическими требованиями к паяным соединениям. К техническим требованиям относятся: достаточная механическая прочность и пластичность, необходимая теплопроводность и электрические характеристики, коэффициент термического расширения (КТР), близкий к КТР паяемого металла. Технологические требования к при-пою предусматривают хорошую смачиваемость соединяемых металлов, вы-сокие капиллярные свойства, малый температурный интервал кристаллиза-ции для исключения появления пор и трещин в паяных соединениях.

В таблице 16.2 приведены основные марки припоев, их состав и назна-чение.

140

Таблица 16.2

Основные марки припоев, их состав и назначение.

Марка

Составляющие

Состав, %

Паяемый металл

Темпе-ратура плавл.,

0С

Область применения

ПОС-40 Олово Свинец

40 60

Медь, никель и сплавы, олово и сплавы, сереб-ро, золото

238 Пайка и лужение дета-лей, ЭРЭ и монтажных

проводов, жгутов

ПОС-61 Олово

Свинец

61 39

То же 183 То же

ПОСК 50-18

Олово

Свинец Кадмий

50 32 18

То же 142 Пайка и лужение ме-таллизированной ке-рамики, конденсато-ров, ЭРЭ, чувстви-тельных к перегреву

Сплав Розе

Свинец Олово

Висмут

25 25 50

То же 94 Пайка тонкостенных деталей, лужение пе-чатных проводников

ПСр 2,5 Серебро Олово Свинец

2,5 5

92,5

Медь, никель и их сплавы, се-ребро, неметал-лы с покрыти-ем из серебра

295 Пайка и лужение

деталей и ЭРЭ с серебряным покрытием

Припой может быть дозирован в виде проволоки, трубы, наполненных

флюсом, шариков, таблеток и т.п. Для поверхностного монтажа начинают усиленно разрабатываться припои в виде паяльных паст. Паяльная паста представляет собой однородную суспензию порошка легкоплавкого припоя (диаметр частиц 5 – 2,5мкм) во флюсующей связке, в которую кроме флюса (обычно канифоль) входят активатор, растворитель, дефлокулянт, антиокси-дант и др. Качество паяльной пасты определяется размерами частиц и степе-нью однородности гранулометрического состава. Чем меньше размеры ша-риков припоя, тем точнее паста будет нанесена через сетчатый трафарет на контактные площадки печатных плат.

141

16.3. Очистные жидкости

Состав и способы применения очистных жидкостей иллюстрирует таб-лица 16.3.

Таблица 16.3

Промывочная жидкость Марка флюса

Промывочная жидкость

Температура, 0С

Время, мин

Способ применения

Канифоль

А, В

КЭ ФКСп ФКЭт ЛТИ-120 ФКТ

Смесь этилово-го спирта и бензина (9:1)

20 0,5-1,5 в каждой ванне

Последовательная про-мывка в трех ваннах (ванны могут быть в виде кюветы, а также ультразвуковые и виб-

рационные)

То же Нефрас 20

0,5 в пер-вой по 0,25 во второй и третьей

То же

ФДГл Горячая про-точная вода

70 5-10 Струйная промывка с последующей промыв-

кой щетками

ЖЗ-1-АП Смесь этилово-го спирта и бензина (1:1)

20 1,5-2 в каждой ванне

Промывка в трех ваннах с помощью жесткой кисти или тампона.

Выбор конкретного материала для пайки производит в соответствии с

отраслевыми стандартами. Очистные жидкости предназначены для отмывки изделий от флюса по-

сле пайки. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной горячей (60-800 С) и холодной воде с помощью мягких щеток.

Канифольные флюсы в процессе индивидуальной пайки промывают этиловым (изопропиловым) спиртом; при групповой пайке применяют УЗ-очистку или очистку щетками в спирто-бензиновой смеси(1:1), трихлорэтане или хлористом метилене, а также с использованием фреона или смесей на его основе, которые, обладая низким поверхностным натяжением, проникают в

142

мельчайшие отверстия. Этот растворитель не воспламеняется, не ядовит, не разрушает резину, лаки, краски и большинство полимеров, но экологически опасен.

16.4. Пайка золота оловянно-индиевыми припоями

Внутренние сборка и монтаж изделий электронной техники (ИЭТ) включают в себя операции по установке, закреплению кристаллов в корпусе и выполнению электрических соединений между контактными площадками кристалла и корпуса. Присоединение выводов осуществляется пайкой, тер-мокомпрессионной или ультразвуковой сваркой, сваркой косвенным им-пульсным подогревом либо расщепленным электродом. В настоящее время разработка способов монтажа методом пайки низкотемпературными припоя-ми без свинца является основной экологической проблемой микро-электроники. Сейчас нет законодательных ограничений по использованию свинца, но фирмы-производители электронной аппаратуры интенсивно ведут разработку технологических процессов пайки припоями, не содержащими свинец. Этой проблеме был посвящен симпозиум «Бессвинцовистая пайка», проведенный в сентябре 1999 г. в г. Blaubeuren (Германия). Многие японские производители электронных изделий уже работают с припоями без свинца. Припои, не содержащие свинец, представляют собой эвтектические сплавы типа олово - висмут, олово - индий, висмут - индий, олово - цинк и др.

Наиболее перспективными припоями в производстве являются сплавы на основе олова. Данные припои обладают высокой пластичностью, прочно-стью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Их уже широко при-меняют при пайке радиотехнической и электронной аппаратуры, работающей в различных климатических условиях. Двойные оловянно-цинковые припои находят широкое применение для низкотемпературной пайки изделий из алюминиевых и магниевых сплавов. Присадка цинка (до 7%) в олово снижа-ет температуру плавления сплава до 199 °С. Добавки кадмия снижают темпе-ратуру плавления оловянно-цинкового припоя. Резко снижают температуру плавления оловянных припоев добавки индия и таллия. Для улучшения тех-нологических свойств и повышения надежности паяных соединений в оло-вянно-цинковые припои иногда вводят небольшие добавки серебра и алюми-ния. Составы припоев на основе олова приведены в табл.16.4.

Таблица 16.4

143

Химический состав, температура плавления Sn-In припоев

Припои ВПрб и ВПр9 могут применяться без всякой защиты при рабо-те во вcех климатических условиях. При выборе того или иного припоя при монтаже полупроводниковых ИЭТ необходимо учитывать взаимодействие припоев с покрытиями паяемых поверхностей кристалла и корпуса и присое-диняемыми выводами. Несмотря на то что проводятся работы но замене зо-лота на другие покрытия корпусов ИЭТ, данный металл в настоящее время широко используется в технологии и, по-видимому, будет использоваться в будущем. При изготовлении некоторых изделий микроэлектроники для мон-тажа межсоединений также используется золотая проволока в основном диа-метром 0,04 мм. Характеристики оловянно-индиевых припоев приведены в табл. 16.5. Принципиально возможно получение припоев с любой температу-рой полного расплавления от 120 до 190°С.

144

Таблица 16.5

Состав и температура плавления припоев на основе олова

Было произведено растворение золотой проволоки в жидкой фазе при-

поя ПОИн50. Золотую проволоку диаметром I мм, предварительно смочен-ную раствором канифоли, в течение 15 с погружали в расплавленный припой на глубину 20 мм, а затем с такой же скоростью извлекали из ванны. Взве-шиванием определяли количество золота, перешедшего в расплав припоя. Эта методика не позволяет определить кинетику растворения, а дает возмож-ность только сравнивать скорости растворения в зависимости от температу-ры и состава припоя. Для исследования растворение золотой проволоки диа-метром 1 мм исследовали с помощью металлографических шлифов попереч-ных сечений. Предварительно проволоку длиной 38 мм погружали в расплав припоя на глубину 20 мм. Шлифы сечений проволоки изготавливались после

145

выдержки образцов в припое в течение 10 – 120 с с интервалом 10 с. Золотая проволока предварительно отжигалась при температуре 250 °С

в течение 10 мин для обеспечения качественной разварки на алюминиевую рамку. После разварки образцы обезжиривались в изопропиловом спирте и снова подвергались отжигу при температуре 400 °С в течение 20 мин для снятия внутренних напряжений.

Для флюсования золотой проволоки и с целью предохранения поверх-ности жидкого припоя от окисления использовался тризтаноламин, который имеет сравнительно высокую температуру кипения. Для исследований рас-творения золотой проволоки в припое рамка с проволокой заливалась эпок-сидной смолой, а затем изготовлялся шлиф поперечного сечения проволоки.

График растворения золотой проволоки в припое ПОИн50 в зависимо-сти от температуры расплава и времени выдержки в расплаве приведен на рисунке 16.1.

Рис. 16.1. Зависимость растворения золотой проволоки диаметром 1 мм от времени вы-держки в припое ПОИн50 при различных температурах расплава, оС:

1 – 160, 2 – 190, 3 – 220

Припой ПОИн 5 при температурах ниже 160 °С не обладает достаточ-

ной смачиваемостью золота. При температуре 160 °С наблюдается незначи-тельное растворение золотой проволоки без образования интерметаллидов по границе спая. При температуре 190 °С происходит частичное растворение проволоки и по границе спая наблюдается образование интерметаллидов. Для получения качественных соединений и повышения производительности

146

пайки припоем ПОИи50 рекомендуется температура пайки более 160 °С с одновременным сокращением времени выдержки в расплаве.

Также было проведено исследование растворения золотой проволоки в твердой фазе припоя ПОИн50. Золотая проволока предварительно разварива-лась ультразвуковым способом на алюминиевые рамки толщиной 0,5 мм. За-тем рамка с проволокой быстро погружалась в алюминиевый тигель с рас-плавленным припоем. Практически одновременно с этим алюминиевый ти-гель охлаждался в воде комнатной температуры. Внутренний диаметр тигля составлял 11 мм, а глубина жидкого припоя равнялась 7-8 мм. При этом зо-лотая проволока полностью погружалась в расплавленный припой, т.е. объем припоя можно считать бесконечно большим для проволоки диаметром 1 мм. Во избежание образования па поверхности расплавленного припоя оксидной пленки и для обеспечения хорошего смачивания проволоки на поверхность припоя наносилось небольшое количество триэтаноламина, а припой рас-плавлялся до температуры пайки. Хорошая теплопроводность алюминия обеспечивала равномерный прогрев припоя в тигле и быстрое его охлажде-ние в воде.

Застывший припой с золотой проволокой извлекался из тигля, с ниж-ней стороны слитка изготавливались шлифы поперечных сечений. По полу-ченным результатам построен график растворения золотой проволоки в зави-симости от времени ее контактирования с припоем ПОИн50 при температуре 100 °С (рис. 16.2). Эти эксперименты дают нам возможность оценить термо-стойкость реальных паяных соединений.

В технологии производства радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) од-ной из операций сборки является присоединение диэлектрических плат к ме-таллическим основаниям. Из всех способов крепления плат СВЧ и ГИС на металлические основания наиболее широко применяется пайка, так как она обеспечивает качественное интерметаллическое соединение, а главное элек-трический контакт, который с увеличением площади спая повышает надеж-ность механического контакта и улучшает электрические характеристики из-делий.

147

Рис. 16.2. Зависимость растворения золотой проволоки диаметром 1мм в припое ПОИн50 от времени выдержки в твердой фазе

На поверхности плат под пайку наносят золотое технологическое по-

крытие толщиной около 3 мкм (в качестве подслоя золота использовалась напыленная и гальваническая медь общей толщиной около 8 мкм). Посколь-ку поверхность платы покрыта пленкой золота, то проводились исследования взаимодействия припоя ПОИн50 с золотым покрытием. На рисунке 16.3 по-казана форма растекания припоя по золотому гальваническому покрытию платы.

Рис.16.3. Растекание припоя ПОИн50 по золотому гальваническому покрытию платы (увеличение 24 - Х кратное).

Исследования формы и площади растекания припоя показали, что сма-

чивание припоем ПОИн50 золотого покрытия хорошее. Микроструктура по-

148

перечного сечения позолоченной ситалловой платы, паянной припоем ПО-Ин50, показана на рисунке 16.4.

Рис. 16.4. Микроструктура паяного соединения золотого покрытия припоем ПОИн50: а) – после пайки, б) – после 100 термоциклов при температуре от -60 до +100 оС

Микроструктурный анализ проводился после пайки образцов, а также после испытания при температуре от -60 до +100 °С для 100 термоциклов. Исследования показали, что после пайки образцов в некоторых случаях на-блюдаются продольные поры между золотым покрытием и припоем. После испытаний образцов на термоциклирование золотая пленка частично сохра-няется в паяном шве. Следует отметить, что в шве имеются поры как одиноч-ные, так и в виде цепочки, однако структура паяного шва обладает достаточ-ной плотностью.

При монтаже, а особенно при эксплуатации РЭА, платы с навесными компонентами в некоторых случаях приходится перепаивать. В процессе пе-репайки золотое покрытие растворяется в расплавленном припое. При оценке надежности РЭА необходимо учитывать растворение золотого покрытия в припое при различных режимах пайки, С этой целью проведены исследова-ния по влиянию многоразовой перепайки на растворение золотого покрытия плат из поликора толщиной 0,5 мм. Толщина пленки золота составляла 3 мкм. Продолжительность одноразовой пайки находилась в пределах 3 с. Температура пайки с использованием припоя ПОИн50 поддерживалась в пределах 160-170 °С. Число перепаек составляло от одной до шести, что со-ответствовало суммарной продолжительности воздействия расплавленного припоя на золотое покрытие от 3 до 18 с. Микроструктурный анализ процес-сов взаимодействия золотого покрытия с припоем после каждой перепайки проводился по металлографическим поперечным шлифам на микроскопе МИМ-8М.

149

Эксперименты с припоем ПОИн50 показали, что ярко выраженных структурных изменений от увеличения числа перепаек не наблюдается. После шести перепаек сплошной интерметаллической прослойки, приле-гающей к нерастворенному золотому покрытию, не обнаружено. Изменение толщины золотого покрытия от числа перепаек припоем ПОИн50 приведены в табл.16.5.

Таблица 16.5

Влияние количества паек припоем ПОИн50 на толщину золотого покрытия

Число паек

Толщина меди, мкм

Толщина золотого покрытия, мкм

1 8 3

2 7,6 4

3 9 3,6

4 8 3,6

5 8 3

6 8 2

Незначительный разброс значений толщин меди и золотого покрытия

связан, по-видимому, с погрешностями при измерении или с отклонениями в толщинах исходных покрытий.

Таким образом, золотое технологическое покрытие частично сохраня-ется после шести перепаек при использовании припоя ПОИн50. Проведен-ные исследования растворения золота в контакте с припоем ПОИн50 показа-ли, что этот припой в меньшей степени растворяет золото, чем припои, со-держащие свинец. Сплавы Аu - In и Аu - Sn используют для низкотемпера-турной пайки ИЭТ. Следует отметить, что при пайке полупроводниковых ИЭТ припоями на основе олова и индия в паяном шве возникают значитель-ные механические напряжения.

Вопросы к лекции 16

1. Каким образом флюсы влияют на качество паянных соединений? 2. Каким образом флюсы делятся по своему составу? 3. Какими методами производят нанесение флюса? 4. Что называется припоем?

150

5. Чем определяется выбор марки припоя? 6. Что относят к техническим требованиям паянных соединений? 7. Каково предназначение очистных жидкостей? 8. Чем объяснить, что наиболее перспективными припоями в производст-

ве являются сплавы на основе олова? 9. Какие сплавы используют для низкотемпературной пайки ИЭТ? 10. Чем характеризуется пайка полупроводниковых ИЭТ припоями на ос-

нове олова?

151

Лекция 17

ТЕХНОЛОГИИ ГРУППОВОЙ ПАЙКИ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 6. Технология и физико-химические основы пайки

План лекции

17.1. Технология групповой пайки погружением 17.2. Групповая пайка волной припоя 17.3. Пайка концентрированными потоками энергии

17.3.1. Лазерная пайка 17.3.2. Инфракрасная пайка 17.3.3. Пайка в парах органических соединений

17.1. Технология групповой пайки погружением

Современные методы групповой пайки в производстве РЭА классифи-цируются по источникам тепловой энергии, являющимся главным фактором при формировании паяных соединений:

1. Концентрированными потоками энергии: а) ультразвуковой; б) высокочастотной; в) инфракрасной; г) лазерной; д) электронным и ионным пучками; 2. Летучим теплоносителем: а) горячим газом; б) парами жидкости. 3. Погружением: а) в расплавленный припой; б) натягиванием по поверхности припоя; в) в нагретую жидкость; г) в волну припоя.

152

Пайка элементов со штыревыми выводами в условиях поточного про-

изводства проводится двумя основными методами:

погружением;

волной припоя. При пайке печатная плата со смонтированными элементами погружа-

ется на 2 – 4 секунды в расплавленный припой на глубину 0,4 – 0,6 ее толщи-ны. Это приводит к капиллярному течению припоя и заполнению им мон-тажных отверстий.

Чтобы ограничить зону действия припоя и избежать термоудара, на плату с монтажной стороны наносят специальную защитную маску (бумаж-ную, эпоксидную), в которой предусмотрены отверстия под контактные площадки.

На поверхности припоя скапливаются продукты окисления и перед ка-ждой пайкой их удаляют механическим скребком.

Частицы растворителя флюса, попавшие в припой, интенсивно испа-ряются, что приводит к локальным непропаям.

Для уменьшения числа непропаянных соединений применяют пайку погружением с наклоном платы на 5 – 70 или на плату подают механические колебания с частотой 50 – 200 Гц и амплитудой 0.5 – 1 мм.

Наиболее совершенным способом реализации пайки погружением яв-ляется пайка протягиванием, при которой печатные платы укладывается в держатель по углом 5°, погружается в ванну и протягивается по зеркалу при-поя. Впереди держателя имеется скребок, который очищает поверхность от окислов. Создаются благоприятные условия для удаления флюса и излишков припоя. Время пайки протягиванием увеличивается на 10 с.

Избирательная пайка обеспечивает выборочную подачу припоя к кон-тактам через специальную фильеру. При этом снижается температура платы и нагрев радиоэлементов, а также расход припоя. Применяют ее в условиях массового производства, когда изготовление специальных фильер экономи-чески целесообразно.

Высокое качество пайки обеспечивает способ погружения платы в за-полненную сеткой (например из Ni с размером окон 0,2 + 0,2 мм) ванну, ко-торая превращается в капиллярный питатель. При соприкосновении платы с сеткой припой выдавливается через ее ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит в зазор между выводами и монтажными отверстиями. При

153

обратном движении ванны избыток припоя затягивается капиллярами сеток, что предотвращает образование сосулек.

17.2. Пайка волнами припоя

Пайка волной припоя является самым распространенным методом групповой пайке, ее преимуществами являются: а) возможность создания комплексно-автоматизированного оборудования; б) ограниченное время взаимодействия припоя с платой снижает термоудар

и коробление диэлектрика; г) высокая разрешающая способность, т.е. возможность без перемычек, мос-

тиков и сосулек паять платы с малыми расстояниями между печатными проводниками, обеспеченные тонким и равномерным слоем припоя на проводниках. Волна проходит по поверхности платы, а припой под действием капил-

лярных сил поднимается в зазор на всю толщину платы и после остывания формирует паяное соединение. Предварительно покрытая флюсом плата с нанесенной паяльной маской вертикально погружается в ванну с расплавлен-ным припоем. При обратном движении облуженной платы из ванны вверх происходит удаление избытка припоя с поверхности контактных площадок и очистка отверстий от припоя потоком горячего воздуха. В результате этих действий получается печатная плата с лужеными контактными площадками и металлизированными отверстиями.

Особенности взаимодействия расплавленного припоя с платой рас-смотрим для односторонней и двусторонней волн (рис. 17.1).

Процесс пайки состоит из 3 этапов: вхождение в припой точки А, кон-тактирование с припоем (отрезок АВ) и выход из припоя. На первом этапе направление вектора скорости фонтанирования волны Va способствует уда-лению паров флюса из зоны реакции. На втором этапе полоса растекания припоя (отрезок АВ) определяет время пайки.

При двусторонней волне это время больше и достигае тся более полное заполнение припоем металлизированных отверстий.

154

Рис. 17.1. Особенности взаимодействия расплавленного припоя с платой

При выходе из волны припоя в односторонней волне предельная со-

ставляющая скорости фонтанирования Vв вычитается из скорости конвейера, смывает излишки припоя и утоньшает его слой. В двусторонней волне Vb складывается со скоростью Vk и способствует образованию наплывов. По-этому в двусторонней волне необходимо стремиться к повышению угла на-клона платы, увеличению крутизны волны и снижению скорости истечения припоя Vф. При односторонней волне более благоприятными являются го-ризонтальное положение конвейера, пологая форма и возможно большая скорость циркуляции припоя.

Дельта-волна характеризуется стеканием припоя в одну сторону, для чего 1 стенка сопла выполнена удлиненной. Это уменьшает окисление при-поя.

Более целесообразна в этом отношении отраженная волна, где за счет применения наклонного отражения с одной стороны сопла обеспечивает удержание большего количества припоя, чем при дельта-волне, а его сток ре-гулируется изменением угла наклона отражателя и зазором между соплом и отражателем.

Увеличение ширины волны в направлении движения платы дает поло-жительный эффект. Поэтому применяют плоскую или широкую волну про-тяженностью 70 – 90мм. Плоская волна позволяет добиться получения каче-ственных соединений при меньшей температуре припоя, чем при пайке вол-ной параболической формы. Это позволило увеличить скорость пайки с 0,6 до 3 м/ мин.

Иногда вместо плоской волны используют вторичную волну несколько меньшей величины для сплавления образующихся сосулек. Температура во вторичной волне меньше, чем в основном. Однако увеличение открытой по-верхности расплава способствует образованию оксидных пленок в нем.

155

Лямбда-волна получается при использовании насадки сложной формы. Форма волны и ее динамика позволяют получить на входе платы в припой ускоренный поток припоя, обладающий хорошим смачивающим действием. В зоне выхода достигается нулевая относительная скорость платы и припоя, а постепенное увеличение угла между платой и поверхностью припоя ис-ключает образование наплывов и сосулек. Такая форма волны позволяет вес-ти качественную пайку многослойных плат с плотным монтажом. Концепция лямбда - волны предложена фирмой Electrovert (Канада).

На базе лямбда - волны этой фирмой получена вибрирующая волна припоя – омега-волна за счет размещения вибрирующего элемента в окне со-пла, через которое подается припой. Омега волна при скорости конвейера 1,2м/мин. обеспечивает заполнение металлизированных отверстий ПП на уровне 99%.

Для образования волны припоя в установках преимущественно исполь-зуют механические нагреватели, давление воздуха или газа, УЗ – колебания и электромагнитные нагреватели.

17.3. Пайка концентрированными потоками энергии

В настоящее время широкое применение в технологии РЭА полу-чают методы пайки концентрированными потоками энергии, достоинствами которых являются:

высокая интенсивность;

бесконтактное воздействие источника нагрева;

ограниченная зона теплового воздействия.  Разработанные методы активируют не только систему “припой-

металл”, но и процессы их физико-химического взаимодействия, что приво-дит к интенсификации процессов пайки. Пайка горячим газом, в парах спе-циальной жидкости, ИК излучением, токами высокой частоты, лазерным из-лучением и другими в основном осуществляется для компонентов с планар-ными выводами.

17.3.4. Пайка в парах органических соединений

Конденсационная пайка основана на расплавлении дозированного ко-личества припоя, нанесенного в виде пасты через трафарет на контактные

156

площадки ПП, в атмосфере насыщенного пара, образуемого кипением фтор-содержащей жидкости. Пар, имеющий температуру кипящей жидкости, пол-ностью обволакивает плату и начинает на ней конденсироваться, отдавая скрытую энергию парообразования. Припой, быстро и равномерно нагрева-ясь, расплавляется. Метод обеспечивает высокую чистоту среды и не требует специальной системы для поддержания температуры. К недостаткам метода относится высокая стоимость оборудования и используемого вещества/

17.3.5. Инфракрасная пайка

Более экономичной является пайка ИК – нагревом. Она может прово-диться в контролируемой газовой среде или в вакууме. Источником ИК из-лучения служат галогенные кварцевые лампы накаливания, работающие в узком диапазоне длин волн от 1 до 5 мкм. Причем в коротковолновой части спектра (1 – 2,5 мкм) нагрев соединений происходит быстрее, чем в средне-волновой, вследствие проявления закона смещения Вина.

Формирования теплового поля при пайке ИК – излучением происходит при помощи различных отражателей (рефлекторов), изготовленных из хоро-шо обрабатываемого материала (медь, латунь, алюминий). Длительная и не-прерывная работа рефлекторов обеспечивается охлаждением внутренних по-верхностей проточной водой с расходом 0,3 – 0,5 л/ мин. Равномерное рас-пределение излучения по поверхности достигается использованием отража-телей параболической или гиперболической формы. Для фокусирования из-мерения в точке или вдоль линии применяют отражатели Эллиптической формы, в ближнем фокусе которого помещается источник, а в дальнем – объект нагрева. При групповой пайке с использованием ИК излучения зоны обработки на 2 участка: на первом производится предварительный нагрев и выравнивание температуры и компонентов, а на втором – пайка под действи-ем мощного импульса энергии. Это позволяет уменьшить брак из-за возник-новения в соединении больших внутренних напряжений. Для ограничения зоны нагрева применяют защитные маски из металла.

17.3.6. Лазерная пайка

Применение лазерного излучения позволяет осуществить бесконтакт-ный нагрев. Преимуществами лазерной пайки являются высокая скорость на-

157

грева; безинерционность, что позволяет вести нагрев импульсами малой дли-тельности (10-3 – 10-2 С) и очень точно дозировать энергию излучения; малая зона термического влияния (0,03 – 0,25 мм) при минимальном диаметре пят-на нагрева 0,01 мм; высокая локализация мощности в зоне соединения (до 1012 Вт/ м2); возможность управления излучением простыми оптическими средствами и расщепления луча с помощью установки легко поддаются ав-томатизации с применением микропроцессоров и точных систем позициони-рования.

Источником лазерного излучения являются оптические квантовые ге-нераторы (ОКГ) газовые, жидкостные и на твердом теле. В технологии пайки используются в основном твердотельные лазеры, работающие на длине вол-ны λ = 1,06 мкм. Оптический квантовый генератор обеспечивает энергети-ческие и временные параметры воздействия лазерного излучения. Оптиче-ская система формирует пространственные характеристики пучка, как инст-румента обработки. Облучение мощностью 10 Вт осуществляется при опти-мальном угле падения луча 45 – 500, что обеспечивает равномерный нагрев сборки. Паяные соединения, образованные за короткое время (0,2 –0,6 с), почти не имеют хрупкого интерметаллида Cu2Sn, поэтому выдерживают большие тепловые циклические нагрузки, обладают высокой надежностью.

С целью снижения термоудара лазерный луч при выходе из ОКГ раз-дваивается на 2 луча, один из которых (с меньшей интенсивностью) исполь-зуется для предварительного подогрева соединения, а другой паяет выводы к контактактным площадкам.

Трансформируя подающий пучок, можно получить равномерный на-грев по площади или контуру.

Формирование потока по контуру достигается применением скрещен-ных цилиндрических линз, при прогреве по площади-с помощью внутрире-зонаторных прямоугольных диафрагм, масок или цилиндрической оптики. Особенности лазерного излучения позволяют создать программно-управляемое технологическое оборудование с высокой производительностью и прецизионной точностью.

Автомат для сборки и лазерной пайки (АПЛ) предназначен для уста-новки ИС в корпусах на ПП с приклеиванием, подачи дозированного количе-ства припоя и пайки выводов лучом лазера. Высокая скорость нагрева и ох-лаждения (принудительное воздушное) позволяют получить мелкокристал-лическую структуру спая. ИК-детектор определяет момент расплавления

158

припоя и посылает сигнал управления для закрытия фотозатвора. Пайка пер-вого соединения составляет от 50 до 150 мс.

Вопросы к лекции 17 1. Расскажите о технологии групповой пайки погружением? 2. Как проводится пайка элементов со штыревыми выводами? 3. Метод пайки волнами припоя? 4. Особенности взаимодействия расплавленного припоя с платой? 5. Почему применяют плоскую или широкую волну? 6. Как получается Лямбда-волна ? 7. Метод пайки концентрированными потоками энергии? 8. Пайка в парах органических соединений? 9. Инфракрасная пайка?

10. Лазерная пайка?

159

Лекция 18

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 7. Технология и физико-химические основы микросварки

План лекции

18.1. Физико-химические основы сварки 18.2. Ультразвуковая сварка 18.3. Термокомпрессионеая сварки 18.4. Сварка взрывом

18.1. Физико-химические основы сварки

Процесс образования сварочного соединения можно условно разде-лить на 4 стадии:

1. Образование контакта. 2. Активация контактных поверхностей. 3. Объемное развитие взаимодействия. 4. Кристаллизация. На 1 стадии материалы сближаются на расстояние 10 – 100мм, при

котором начинает проявляться Ван-дер-Вальсовское взаимодействие частиц. Под действием этих сил в жидких фазах происходит дальнейшее сближение атомов, и их поляризация с изменением части орбит внешних электронов. При некоторой критической величине начинается перекрытие стабильных электронных оболочек и появляются силы отталкивания. Достижение физи-ческой адсорбции, то есть минимальной потенциальной энергии завершает первую стадию образования соединения. При твердофазной сварке процесс формирования контакта осуществляется на микровыступах, деформация ко-торых увеличивает площадь контакта.

На 2 стадии на поверхности более твердого материала происходит образование активных центров. Активные центры - это частицы со свобод-

160

ными валентностями, возникающие при разрыве связи в кристалле. Для ак-тивирования поверхностей вводиться дополнительная энергия - тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция расте-кания с выделением энергии поверхностного натяжения способствует слия-нию контактных пятен в крупные очаги схватывания и образования металли-ческих связей. Активирование с помощью энергии деформации способству-ют удалению окисных и адсорбционных пленок и химическому взаимодейст-вию с образованием прочных связей, которое происходит за счет размноже-ния и выхода дислокации на контактную поверхность. При воздействии 43-колебаний происходит деформация более глубоких слоев твердого тела с од-новременным интенсивным тепловыделением, вызванного трением сжатых контактируемых поверхностей. Это способствует разрастанию мостиков схватывания.

Слияние очагов взаимодействия в плоскости контакта является необхо-димым условием возникновения прочных химических связей между мате-риалами. Но оно может быть недостаточно для образования прочного свар-ного соединения, так как не произойдет релаксации напряжений.

Третья стадия объемного развития взаимодействий происходит при увеличении времени сварки и приводит к развитию гетеродиффузии, которая может упрочнить соединение при образовании твердых растворов. Однако, образование хрупких интерметаллидных фаз разупрочняет его. Поэтому не-обходимо подбирать материалы, образующие твердые растворы в широком интервале концентрации (одинаковое строение кристаллической решетки и физико-химическими свойствами).

Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения явля-ется образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сварке плавлением представляет со-бой закристаллизованную жидкую фазу. Структура ядра (твердые растворы, интерметаллиды или механическая смесь кристаллов) определяет качество и надежность соединения. В переходной зоне происходит диффузионная леги-рование основы, ее рекристаллизация.

Рассмотрим методы выполнения сварных соединений.

16.2. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка выполняется за счет возбуждения в сваривае-мых деталях УЗ-колебаний частотой 22, 44, 66 и 88Гц при одновременном

161

создании давления. При 43-сварке температура в зоне контакта не превышает 30 – 50% от точки плавления соединяемых металлов, что позволяет приме-нить ее для соединения чувствительных к нагреву материалов.

Прочность сварного соединения определяется амплитудой колебаний на рабочем торце инструмента и давлением. При малой амплитуде происхо-дит замедленное образование активных центров, а чрезмерное увеличение амплитуды увеличивает напряжения, приводящие к разрушению части узлов схватывания.

Занижение давления замедляет пластическую деформацию и снижает плотность дислокаций, необходимых для активирования поверхности. Завы-шение давления увеличивает трение и снижает амплитуду колебаний торца инструмента. Оптимальное значение давления колеблется от 0,5 до 20 Н/ мм.

Время сварки подбирается экспериментально. Схема УЗ-колебательной системы состоит из (рис. 18.1): 1 – преобразователя, 2 – волновода, 3 – кон-центратора, 4 – свариваемые детали, 5 – опора-отражатель, 6 – акустическая развязка.

Рис. 18.1. Схема 43-колебательной системы

Основным элементом У3-сварке является инструмент, который пред-

ставляет собой стержень с конической частью, диаметр торца которого зави-сит от диаметра свариваемого проводника:

Иногда на торце инструмента делают поперечные и продольные канав-

ки, которые обеспечивают эффективную передачу 43-колебаний и обжатие

162

выводов. Материал инструмента должен обладать высокой износостойко-стью, иметь незначительные акустические потери и высокую прочность. Обычно используются карбид вольфрама. Значительное повышение стойко-сти достигается химико-термической обработкой инструмента, насыщение рабочей поверхности марганцем или нанесение покрытия из титана.

18.3. Термокомпресионная сварка

Термокомпресионная сварка - это сварка, которая проводиться при не-высоких давлениях с подогревом соединяемых деталей. Недостатком ее яв-ляется ограниченное сочетание свариваемых материалов (только пластич-ные). В результате течения пластичного материала вдоль поверхности друго-го (при приложении температуры и давления) происходит очистка места со-единения от окисных пленок и образование плотного контакта. После сварки за счет развития процесса диффузии полученное соединение уплотняется.

Выбор величины давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника. Температура нагрева не превышает темпера-туры образования эвтектики соединяемых материалов и колеблется в преде-

лах 250 – 450С.

Рис. 18.2. Сварка капилляром

Длительность выдержки определяется экспериментально путем оценки прочности соединений.

Тип образующегося соединения определяется формой инструмента: сварка капилляром (рис. 18.2) дает “обычное” соединение.

Сварка клином (рис.18.3) образует соединения с ребром жесткости или типа “рыбий глаз” - наиболее прочные соединения, но требуют сложной формы инструмента.

163

Рис. 18.3. Сварка клином

Выбор материала инструмента основан на низкой теплопроводности,

высокой прочности, износостойкости, неокисляемость. Используются карби-ды вольфрама и титан, и керамики (оксид бериллия, алюмокерамика).

Термокомпресионная сварка применяется для присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам, микропроводов и проволок между собой (внахлестку и встык).

Сварка давлением с косвенным нагревом, то есть импульсным нагре-вом электрическим током в отличие от термокомпрессии позволяет привари-вать малопластичные материалы к тонким пленкам. Металлический провод-ник нагревается до более высоких температур вследствие кратковременности процесса. Высокая точность поддерживания температуры и малая инерцион-ность обеспечиваются нагревом инструментов током с частой импульсов 0,5

– 1,5 кГц, t0 = 300 – 600 С, p = 80 –200 МПа. Наложение 43-колебаний позво-

ляет в 1,5 – 2 раза снизить усиление сжатия деталей (15 – 50 МПа) и увели-чить прочность соединений.

Сварка расщепленным (сдвоенным) электродом применяется при полу-чении контактных соединений ИС и ЭРЭ с контактными площадками плат, ленточных проводов и др. Этим методом сваривают Cu, Ag, Au, Al, Ni тол-щиной 0,03 – 0,5 мм. Перед сваркой материалы предварительно сжимают для снятия внутренних напряжений и увеличение пластичности.

Сварку сдвоенным электродом осуществляют инструментом из W или Mo в виде 2-х токопроводящих частей, разделенных зазором 0,02 – 0,25 мм в зависимости от толщины привариваемых выводов. Для повышения жестко-сти между электродами устанавливают диэлектрическую прокладку. Сварку проводят одним или несколькими импульсами конденсаторного разряда для

164

предварительного нагрева и отжига материала, затем нагревают до макси-мальной температуры и создают усилие прижима (0,2 – 1,5 Н). На установ-ках “Контакт-ЗА” длительность сварочного импульса составляет 0,02 – 0,3 с, регулируется мощность и интервалы между импульсами. При этом ИС и ПП получают незначительную термическую нагрузку.

Медные печатные проводники вследствие высокой тепло- и электро-проводимости, плохо свариваются, поэтому их предварительно покрывают электролитическим способом слоем Au или Ni. Золотят и выводы ИС. Со-единения сваркой преимущественно индивидуальны и дороже, чем пайкой.

18.4. Сварка взрывом

Интересное решение при создании групповых методов имеет сварка взрывом. Нанесение взрывчатого вещества (ВВ) на выводы осуществляется методом сеткографии через металлические или шелковые сетки. В качестве

ВВ используют: азид свинца Рв(N ) (температура детонации 350С), Са(N )

(Tд = 144 С), азид серебра Ag(N ) (Tд = 300 С), фульлиминат, азид меди

CuN (Tд = 215 C), карбид меди CuC (Tд = 280 С), Ag C (Tд = 200 С),

нитрид серебра Ag N (Tд = 155 С) и др.

При взрыве под действием нагрева до пороговой температуры (детона-ции) скорость контактирования составляет 2000 – 5500 м/ с. В месте соударе-ния сварка может происходить в твердой фазе, и с образованием расплава. Этим методом можно сваривать трудносоединяемые материалы, прочность соединения велика. Но требуется большая осторожность в обращении с взрывчатыми веществами.

Вопросы к лекции 18 1. Физико-химические основы сварки, объясните все стадии? 2. Ультразвуковая сварка? 3. Основной элемент У3-сварки, как найти диаметр торца? 4. Что такое термокомпресионная сварка, где применяется? 5. сварка капилляром ? 6. сварка клином ? 7. сварка давлением ?

165

8. сварка расщепленным электродом ? 9. сварка взрывом ?

166

Лекция 19

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВАРКИ

Модуль 3. Методы сборки и монтажа РЭС

Тема 7. Технология и физико-химические основы микросварки

План лекции

19.1. Сваривание сталей 19.2. Сваривание меди 19.3. Сварка алюминиевой проволоки 19.4. Сварка золотой проволоки

19.1. Сваривание сталей

В радиоэлектронике при изготовлении элементов конструкции приме-няют различные черные и цветные металлы. Свариваемость сталей зависит от их химического состава, структуры, t0 и интервала плавления, и склонно-сти к поглощению газов. С увеличением содержания углерода растет их чув-ствительность к нагреву и увеличивается опасность возникновения трещин в шве. В зависимости от соединения различают группы сталей по сваривае-мости:

1. Стали низкоуглеродистые (0.5; 0.8; 10; 15) и среднелегированные 15Х, 20Х - хорошая свариваемость (используется для ответственных узлов,

t0 = 600 – 650 С).

2. Стали углеродистые (25, 30, 35, 40) и низколегированные (14Г, 14ГС, 25Г2С, 35ХН) - свариваемость с предварительным подогревом до 200 –

300 С.

3. Стали среднеуглеродистые (35Г, 40, 45) и низколегированные (18ГС2, 14ХГС, 10ХСНД) – свариваемость после термообработки и закалки от

900 С с предварительным нагревом.

4. Стали высокоуглеродистые (50, 55, 60, 70, 80) и низко- и среднелегиро-ванные (35ХМ, 30ХГСА, 12Х5МА). Легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V.

167

19.2. Свариваемость меди

Свариваемость меди определяется ее химической активностью, тепло-

проводностью, текучестью. Нагревание выше 400 С приводит к окислению

Cu, расплавленный металл хорошо растворяет газы, которые создают боль-шое давление и образуется сеть микротрещин и пор. Поэтому для изготовле-ния сварных конструкций применяют специальную раскисленную медь. Cu и ее сплавы соединяют газовой, дуговой или контактной сваркой (рис. 19.1).

Свариваемость разнородных металлов определяется разницей ТКР, tпл и диаграммой состояния. Наилучшей свариваемостью обладают металлы с полной взаимной растворимостью. Для преодоления трудностей сварки раз-нородных металлов, между ними применяют биметаллические переходники или компенсирующие прокладки.

Основными методами получения металлоконструкций: каркасов, рам, стоек, оснований РЭА - является контактная электродуговая, холодная, диф-фузионная и газовая сварка. Для уменьшения деформации изделий детали за-крепляют в приспособлении и стремятся обеспечить минимальный объем ме-талла в сварочном шве, использовать прерывистый точечный шов.

Рис. 19.1. Сварка контактная конденсаторная

При изготовлении каркасов используются материалы с высоким элек-

трическим сопротивлением, пластичностью: Ni и его сплавы (ковар), плати-нит, низкоуглеродистая сталь. Сварка выполняется контактная конденса-торная.

В зависимости от соотношения параметров разрядного контура наблю-дается три формы импульсов сварочного тока:

168

1. Апериодический ток (рабочий); 2. Критическое затухание; 3. Колебательный ток. При переходе в колебательный режим процесс становится неустойчи-

вым и требует регулировки параметров. Аргоно-дуговая сварка применяется для Al, Ti деталей и нержавеющих

сталей. Использование аргона обеспечивает частоту химического состава сварного шва и однородность структуры. Увеличение сварочного тока при-водит к возрастанию глубины провара. Напряжение линейно связано с ши-риной шва и не связано с глубиной провара. При сварке постоянным током глубина провара выше, чем при сварке переменным током.

Холодная сварка осуществляется под действием больших механиче-ских усилий за счет пластической деформации соединяемых деталей. Метод применяется для соединения внахлестку тонких (до 1мм) деталей. Удельное давление определяется по формуле:

где σт – предел текучести, S – ширина Паусона, hост - остаточная тол-щина металла.

Диффузионная сварка осуществляется при приложении давления и t к

соединяемым деталям в контролируемой атмосфере. Метод позволяет свари-вать разнофазные материалы, обеспечивает высокую точность, но требует длительного времени (соединение длиться 5 – 20 мин) и энергоемок (прикла-дываемое усилие 5 – 20 МПа).

Газовая сварка применяется для сварных соединений из тонколистовой стали с целью предупреждения прожогов, для соединения деталей из легких сплавов. Метод обеспечивает минимальную деформацию. В качестве горю-чей смеси используется ацетилен, природный газ или кислород.

19.3. Сварка алюминиевой проволоки в изделиях электронной техники

Свариваемость алюминия и его сплавов определяется их высокой теп-лопроводностью с различным расширением, тугоплавкостью оксидной плен-ки и фазовыми превращениями при сварке. Поэтому перед сваркой Al детали

169

травят и защищают в жидкой ванне от контакта с атмосферой, затем подог-

ревают до 200 – 400 С.

На нужды электронной промышленности в конце 70-х годов расходо-валось около 80 % золота, используемого в мире для технических целей. Из этого количества золота 90 % приходилось на технологическое покрытие корпусов или их участков. Поэтому экономия золота, замена его недефицит-ными материалами является важнейшей задачей полупроводниковой микро-электроники. Вместе с тем при разработке конструкций и технологии монта-жа микросоединений в ИЭТ без золота должно учитываться максимальное использование существующих технологий и оборудования, применяемых в полупроводниковой микроэлектронике.

В связи с дефицитом драгоценных металлов и резким увеличением объемов выпуска приборов проводились мероприятия, направленные на со-кращение использования золота, но при этом обязательным условием явля-лось сохранение качества и надежности приборов. Работы по экономии золо-та можно разделить на три группы: 1) минимизация толщины гальванических покрытий путем совершенство-

вания процесса электролиза; 2) применение локального или локально-дифференцированного покрытия,

позволяющего получать необходимую толщину золота только на функ-циональных участках корпусов;

3) замена золотого покрытия другими недефицитными металлами. Использование первого метода дает незначительный эффект, так как

толщина золотого покрытия уже минимизирована в большинстве конструк-ций микроприборов. В настоящее время широко используется второй метод, однако основное внимание исследователей направлено на полную замену драгоценных и дефицитных металлов в конструкциях корпусов. В последние годы велись работы по изучению возможности применения металлизации корпусов никелем и его сплавами, алюминированию, использованию медной рамки и металлизации на основе медных паст, а также комбинированных по-крытии корпусов. Для получения никелевой металлизации корпусов, отве-чающей требованиям микросварки, необходимо внедрение новых электроли-тов никелирования с добавками, повышающими температурную стойкость покрытия, например, сплав никель - бор. Никелировать, можно и некоторые типы серийно выпускаемых корпусов, но только после соответствующей до-работки, снижающей их шероховатости поверхности контактных площадок.

170

Вакуумное алюминирование и алюминиевая плакировка пригодны только для пластмассовых и металлостеклянных корпусов, поэтому не ре-шают проблему замены золота на корпусах приборов повышенной надежно-сти. Внедрение гальванического алюминирования сдерживается сложностью технологического процесса покрытий из расплава солей, а также отсутствием соответствующего серийного оборудования для этих целей.

Применение медных рамок и медных покрытий сильно усложняет тех-нологический процесс сборки и может снижать надежность приборов из-за быстрого окисления меди, роста сульфидов и низкой коррозионной стойко-сти, особенно в контакте с алюминиевым выводом.

Анализ пленочной металлизации показал, что пленки никеля и его сплавов, а также алюминия являются наиболее перспективными технологи-ческими покрытиями корпусов ИЭТ. Следует отметить, что соединения алю-миниевой проволоки с алюминиевым покрытием корпусов ИЭТ характери-зуются нестабильностью, как при сварке, так и при технологических испыта-ниях по причине низкого качества алюминиевых покрытий. Технологический процесс гальванического алюминирования корпусов достаточно сложен. Структура покрытий неодинакова у различных партий корпусов, полученных на одних и тех же режимах, что недопустимо в условиях массового произ-водства ИЭТ.

Из вышеприведенного следует, что в настоящее время наиболее техно-логичными покрытиями корпусов ИЭТ являются никель и его сплавы. Из-вестно, что качественные соединения Аl - Ni формируются в основном ульт-развуковой сваркой (УЗС) при отсутствии на никеле оксидных пленок тол-щиной более 0,005 – 0,007 мкм и значительной площади взаимодействия контактируемых материалов, т.е. при малой шероховатости поверхности пленочной металлизации. Это связано с большей микротвердостью никеля по сравнению с алюминием, что практически исключает пластическую дефор-мацию покрытия при сварке.

Как отмечалось выше, качество микросоединений Al – Ni, выполнен-ных УЗС, существенно зависит от состояния никелевых пленок и технологии их получения.

Для оценки прочности сварных соединений алюминиевой проволоки с различными никелевыми покрытиями были изготовлены две партии образ-цов: партия 1 – основания, покрытые химическим способом слоем никеля толщиной 1 – 3 мкм; партия 2 – основания, покрытые электрохимическим способом слоем никеля толщиной 3 – 6 мкм. В качестве материала внутрен-

171

них выводов использовалась алюминиевая проволока ЛК09ПМ35, которая присоединялась к никелевым пленкам УЗС. Режимы сварки подбирались для каждой партии образцов исходя из условий получения максимальной проч-ности сварных соединений. По результатам контроля 100 микросварных контактов от каждой партии образцов построены гистограммы распределе-ния прочности микросоединений алюминиевой проволоки с различными ни-келевыми покрытиями.

Никелевое покрытие обеспечивает удовлетворительную прочность сварных соединений с алюминиевым проволочным выводом только при дос-таточной площади физического контакта. Увеличить площадь контакта вы-вода с пленкой можно за счет повышения чистоты поверхности никелевых покрытий. Повышение чистоты поверхности осуществляется введением опе-рации химического или электрохимического полирования до осаждения слоя никеля (рис. 19.2, а, б). Затем никелевые пленки наносятся химическим или электрохимическим способами.

Установлено что УЗС алюминиевой проволокой по покрытиям, полу-ченным электрохимическим никелированием с предварительной электрохи-мической полировкой поверхности (рис. 19.2, в), повышает прочность мик-росварных соединений Al-Ni в среднем на (2 – 4)*10-2 Н по сравнению с по-крытиями, полученными химическим и электрохимическим никелированием без предварительной подготовки поверхности (см. рис. 19.2, г).

Для проведения коррозионных испытаний были изготовлены образцы - корпуса из сплава железо - никель, покрытые слоем гальванического никеля и сплавами никеля с бором, индием и фосфором. Сплавы никеля с бором и индием наносились гальваническим способом, а сплав никеля с фосфором - химическим. Для сравнения испытывались образцы с золотым гальваниче-ским покрытием.

172

Рис. 19. 2. Гистограммы распределения прочности микросварных соединений, выполнен-ных УЗС, алюминиевой проволоки с различными никелевыми покрытиями: а – химиче-ское никелирование; б – электрохимическое никелирование; в – химическое полирование поверхности с последующим электрохимическим никелированием; г – электрохимическое полирование поверхности с последующим электрохимическим никелированием

Формирование микросварных соединений алюминиевой проволоки с

покрытиями из золота, гальванического никеля, сплавов никеля, легирован-ного бором, индием, фосфором, осуществляли УЗС на установке УЗСМ-2,5. При этом одной перемычкой проволоки марки AK09IIM35 соединялись две изолированные площадки каждого корпуса. Для исследований использова-лось по 50 корпусов с различными покрытиями.

Коррозионные испытания проводили путем погружения исследуемых контактов в электролит, имитирующий конденсат промышленной атмосферы (КПА).

Кинетику разрушения контактов изучали кондуктометрическим мето-дом с помощью омметра с одновременным измерением потенциала коррози-онной пары высокоомным вольтметром ВК 2-22. О степени разрушения кон-

173

тактов судили по измерению электросопротивления, а также визуально с по-мощью микроскопа МБС-1. При полном разрушении контакта электросопро-тивление резко возрастало с 0,15 Ом до 1 кОм.

Электрохимические измерения исследуемых материалов проводились потенциоди-намическим методом на потенциостате П-5827М с использова-нием самопишущего потенциометра КСП. Электрод сравнения - насыщен-ный хлорсеребряный (ХСЛ), вспомогательный - из платины.

В таблице 19.1 приведены результаты коррозионных испытаний мик-росоединений алюминиевой проволоки с покрытиями из никеля и его спла-вов.

Таблица 19.1

Стационарный потенциал Eст, среднее время разрушения и ток коррозии Iкор сварных контактов алюминиевой

проволоки с покрытием из никеля, его сплавов и золота

Контакт Eст, B Время разрушения,

Iкор, мкА/см2

Al - (Ni + P) -0.35 49 2

Al - (Ni +Jn) -0.39 45 7

Al - (Ni + B) -0.41 41 11

Al - Ni -0.44 28 17

Al - Au -0.32 0.5 39

Из таблицы видно, что среднее время полного разрушения микросо-

единений в КПА существенно различается в зависимости от материала по-крытия. Наименьшее значение тока коррозии (2 мкА) получено для никеля, легированного 2 – 4 %-ным фосфором (химический способ нанесения покры-тия). Электрохимическое легирование никеля индием и бором повышает ток коррозии. Несколько большее значение тока коррозии наблюдается для галь-ванического никеля –17 мкА/ см2, а для золотого покрытия – 39 мкА/ см2. Это обусловлено большой пористостью покрытия и уменьшением поляризуемо-сти. Наименее пористые покрытия получаются для никеля, легированного фосфором, что объясняет снижение тока коррозии.

Одним из методов ускоренных испытаний микросоедйнений ИЭТ яв-ляется оценка их стойкости к повышенным температурам и под токовой на-грузкой.

174

Для исследований термостойкости микросоединений Al - Ni испытания проводились в термошкафу при температуре 350 ± 10 °С в течение 12 ч. В качестве образцов использовались корпуса микросхемы типа 401.14-3 с ни-келевым покрытием толщиной 5 мкм, а для соединительных проводников - алюминиевую проволоку марки AK09I IM30. Монтаж осуществлялся УЗС на установке УЗСМ-2,5 при режимах, обеспечивающих получение максималь-ной прочности сварных соединении. Для исследований разварено две партии образцов по 100 в каждой.

Визуальный контроль образцов в процессе термообработки проводился через каждый час под микроскопом ММУ-3. Изменение внешнего вида свар-ных соединений Al - Ni под микроскопом не обнаружено. Результаты заме-ров прочности микросварных соединений алюминиевой микропроволоки с никелевым покрытием после сварки и после термообработки контактов пред-ставлены на рис. 19.3. Из рисунка 19.3 видно стабильное снижение прочно-сти сварных соединений после термообработки при 2*10-2 Н.

Для экспериментов использовались ситалловые подложки с никеле-выми гальваническими покрытиями. С помощью скрайбера ситалловые пла-стины с контактными площадками разделялись на кристаллы заданных раз-меров.

Для формирования и исследования микроконтактов алюминиевой про-волоки с никелевым гальваническим покрытием на ситалловой подложке кристаллы с контактными площадками размерами 0,3 х 0,3 мм присоединя-лись высокотемпературным клеем ВК32-200 в корпус ИС. Сушку клея про-водили ступенчато: 2 ч при Т = 170 °С и 1 ч при Т = 300 °С. Это позволило проводить разварку контактов термокомпрессией. Для каждого эксперимента использовалось по пять корпусов ИС, т.е. было сформировано, по 10 пере-мычек и, следовательно, по 20 сварных контактов. Соединения формирова-лись алюминиевой проволокой марки АК09Г1М35 УЗС на установке УЛ71 и ТКС на установке СТ24 при режимах, обеспечивающих получение макси-мальной прочности сварных соединений.

175

Рис. 19.3. Гистограммы распределения прочности микросварных соединений Al - Ni: a - после сварки; б - после термообработки при температуре 350 °С

в течение 12 ч

Эксперименты проводились в течение 250 ч при температуре 125 °С и

постоянном токе 0,5 А. Через определенные промежутки времени осуществ-лялся замер сопротивлений сварных микроконтактов. Перед проведением измерений сопротивлений образцы вынимались из печи, отключался ток электротренировки и проводилась выдержка их при комнатной температуре. Наряду с этими измерениями проводились металлографические исследова-ния по поперечным шлифам до и после определенного цикла термоэлектро-тренировки. Для этих целей использовали микроскоп МИМ-8.

В процессе экспериментов установлено (рис.19.4), что сопротивления контактов Al - Ni практически не изменяются в процессе 250 ч термоэлектро-тренировки. Под инструментальным микроскопом не обнаружено наличия интерметаллидов в данных микросоединениях, выполненных как ТКС, так и УЗС, ни после сварки, ни в процессе термоэлектротренировки. Следует отме-тить, что в соединениях после ТКС на некоторых образцах наблюдались трещины в ситалле под контактом.

Таким образом, эксперименты показали, что соединения алюминиевой проволоки по никелевому покрытию на ситалловых подложках, выполнен-

176

ные УЗС, обеспечивают стабильное качество данных контактов и могут быть рекомендованы в производство РЭА.

Рис. 19.4. Изменение сопротивлений микросварных контактов Аl - Ni выполненных ТКС (1) и УЗС (2), в процессе термоэлектротренировки

Существенным недостатком пленок из чистого никеля является их низ-

кая теплостойкость, поэтому данные покрытия применимы только при низ-котемпературном монтаже элементов или при использовании защитной сре-ды. В процессе напайки кристаллов к корпусу происходит окисление никеле-вого покрытия, что резко ухудшает свариваемость алюминиевой микропро-волоки с пленочными площадками.

Легирование никеля бором значительно повышает температурную стойкость сплава даже при малой концентрации бора, а микротвердость и хрупкость покрытия можно уменьшать путем отжига.

Проводилось исследование свариваемости покрытия никель - бор с алюминиевой микропроволокой УЗС после температурного воздействия в диапазоне возможных технологических обработок в процессе изготовления микросборок. В качестве подложек использовали корпуса микросборок, вы-водная рамка которых изготовлена из ферроникеля (42Н). Толщина иссле-дуемых покрытий составляла 3 – 5 мкм. Исходная концентрация бора в по-крытии определялась химическим способом по известной методике и мето-дом Оже-спектрального послойного анализа и составляла 0,7 – 1,2 %. Темпе-ратурное старение образцов проводили на воздухе в диапазоне температур 300 – 500 °С в течение 15 – 60 мин.

Приварка алюминиевых проводников марки АК09ПМ35 осуществля-лась УЗС на установке УЗСМ-2,5. Режимы сварки подбирали опытным путем исходя из условия получения максимальной прочности сварных соединений.

177

Контроль прочности сварных соединений осуществлялся на установке типа 12МП-0,05/100-1 натяжением вывода под углом 45° к плоскости сварно-го соединения до разрушения контактов. Для исследований использовалось 100 проволочных перемычек от каждой группы образцов.

Эксперименты показали (рис.19.5), что свариваемость покрытий Ni+l%B практически не изменяется после выдержки при температуре 300 °С в течение 90 мин.

Рис. 19.5. Среднее значение прочности Рср (а) и воспроизводимость К (б) качества микро-соединений алюминиевой проволоки с никель-бор покрытием корпусов в зависимости от времени отжига покрытий перед сваркой при различных температурах, оС:

1 – 300; 2 – 400; 3 – 450; 4 – 500

После нагрева при температуре 400 ° С происходит медленное ухудше-

ние свариваемости, а при 450 – 500 °С – сначала ухудшение свариваемости (после термообработки покрытий и течение 15 мин), а затем стабилизация ее на этом уровне (в течение 15 – 30 мин), после чего происходит резкое ухуд-шение свариваемости. На образцах, подвергавшихся температурной обработ-ке при 450 – 500 °С более 30 мин, наблюдались случаи разрушения сварных соединений по зоне контакта ("отслоение") как в процессе сварки, так и при контроле прочности сварных соединений. Количество таких разрушений из-

178

менялось пропорционально времени обработки и колебалось от 6 до 20 %. Подбор режимов сварки (увеличение амплитуды и мощности колебаний, времени сварки, а также изменение давления инструмента) не позволил зна-чительно улучшить свариваемость и исключить "отслоения".

Методом ОЖЕ - спектроскопии поверхностного слоя толщиной 250 –300 А никель-бор покрытия установлено, что при нагреве выше 300 °С про-исходит диффузия бора на поверхность покрытия, содержание которого дос-тигает 5,5 % при 500 °С, что ухудшает пластичность покрытия, необходимую для формирования сварных соединений. Термообработка в течение 45 – 60 мин при температуре 500 °С приводит к растрескиванию покрытия, т.е. на-чинает окисляться никель, что подтверждается быстрым увеличением со-держания кислорода в поверхностном слое покрытия. В результате резко снижается прочность сварных соединений и их воспроизводимость.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что нанесен-ное электрохимическим способом покрытие сплавом Ni+l% В имеет удовле-творительную свариваемость методом УЗС с алюминиевой проволокой после нагрева при температуре 400 °С в течение 60 мин и при температуре 450 – 500 °С в течение 30 мин. Указанные время и температура перекрывают ре-альные режимы, применяемые при монтаже кристаллов в корпуса.

19.4. Термозвуковая и термокомпрессионная сварка золотой проволоки

Автоматизированная сборка плоских корпусов интегральных микро-схем (ИМС) с высокой производительностью выполняется на ленточных но-сителях, имеющих перфорацию и траверсы для соединения с кристаллом. Переход к носителям на медной основе с локальным покрытием серебром, имеющим большую теплопроводность и технологичность изготовления тре-бует снижения температуры разварки межсоединений и повышения их каче-ства. Разварка в режиме термокомпрессии при температуре 300 – 330 °С на установках ЭМ 4060, ЭМ 4060П приводит к окислению медной рамки и ухудшению серебряного покрытая, что сказывается на качестве последую-щих технологических операций.

Термозвуковая сварка (ТЗС) позволяет формировать соединения под действием УЗ-колебаний температуры и усилия нагружения инструмента, однако для этого требуются специализированные установки. В автомате ЭМ

179

4060П предусмотрен режим ТЗС, однако реальная конструкция генератора и преобразователя не позволяет добиться хорошего качества разварки в режи-ме термозвука при сравнительно низких температурах (200 – 240 оС). Это возможно на установках разварки моделей 1482 и 1484 фирмы «Kulicke and Sofa». На ГНПКТМ «Планар» совместно с разработчиками оборудования КБТЭМ-СО произведена доработка автомата ЭМ 4060П: усовершенствованы ультразвуковой генератор, преобразователь и блок формирования шарика (БФШ). Модернизированный БФШ обеспечивает ток разряда в диaпaзoне 1 – 6 A. Paзрядник, стал изготавливаться в форме иглы, что снизило динамиче-ское воздействие проволоки на него и уменьшило пережог формируемого шарика в его верхней части. Улучшено согласование преобразователя с УЗ - генератором и усовершенствованы конструкции столика и прижима, которые обеспечивают надежное жесткое закрепление выводов рамки, что является необходимым условием ТЗС и УЗ - сварки. Это дало возможность снизить температуру разварки до 230 – 250 °С.

ТЗС, кроме снижения степени окисления рамки, позволяет увеличить механическую прочность микросварных соединений. Изменение конструк-ции столика отказ от пьедестала под выводы рамки и применение прижи-мающего выступа на прижиме обеспечивают более равномерное обжатие выводов рамки и высокое качество термозвуковой сварки при 230 – 250 оС.

В процессе термозвуковой сварки встык шариком для обеспечения ка-чественного сцепления материала проволочного вывода с материалом кон-тактных площадок шарик деформируют, создавая определенную площадь сцепления материалов. Степень деформации шарика, а именно, его остаточ-ная толщина после образования сварного соединения на кристалле (высота сварного соединения), является одним из критериев оценки качества прове-дения сборочных операций микросхем. (Ведущие зарубежные фирмы элек-тронной промышленности Motorolla и Gold Star при квалификационной атте-стации процессов сборки микросхем проводят оценку уровня процесса мик-росварки как по величине прочности микросварных соединений на разрыв и сдвиг, так и по величине остаточной толщины шарика на кристалле, которая по требованиям этих фирм, должна составлять 10 – 30 мкм для проволоки диаметром 25 мкм при ТЗС.)

Сравнительная оценка степени деформации микросварных соединений при различных условиях разварки проведена по анализу фотоснимков образ-цов, выполненных с помощью растрового электронного микроскопа типа S-

180

806 (Hitachi). Степень обжатия при формировании микросварного соедине-ния рассчитывалась по формуле:

k = (d-h) / d, где d – диаметр шарика в исходном состоянии; h – высота микросвар-

ного соединения после обжатия.

Анализ исходных и сформированных шариков показал, что на установ-ках ЭМ 4060П с доработанными БФШ получены шарики диаметром 65 – 70 мкм без значительного изменения размеров в процессе разварки. В то же время на установках без модернизации БФШ добиться образования шариков с минимальными размерами (65 – 70 мкм) и высокой степенью их равномер-ности очень сложно. Наблюдается значительный разброс по высоте и увели-чение диаметра шариков до 90 – 95 мкм. Автоматы разварки 1484 фирмы Ku-licke and Sofa обеспечивают формирование шариков диаметром 60 – 65 мкм с высокой степенью воспроизводимости в процессе разварки микросхем.

При термокомпрессионной микросварке (ТКС) на ЭМ 4060, ЭМ 4060П добиться столь же высокой степени деформации сварного соединения не удается.

Анализ влияния температуры столика при термозвуковой и термоком-прессионной сварке показал, что степень деформации сварного соединения практически не зависит от температуры сварки в диапазоне, обеспечиваю-щем образование качественных микросварных соединений (205 – 235 °С для ТЗС, 300 – 340 оС для ТКС), а определяется, главным образом, давлением и начальным диаметром шарика, образованного БФШ. (Из-за нестабильности исходного размера остаточная толщина шариков колеблется от 32 до 45мкм при разварке без доработки БФШ.).

Следует отметить, что при ТКС под высоким давлением (свыше 60 г) остаточная толщина шарика составляет 27 мкм, т.е. укладывается в требова-ния зарубежных фирм. Однако при этом возможны нарушения структуры кремния под контактными площадками, а также симметричности формы сварного соединения.

На рис.19.6 и 19.7 приведены фотографии микросварных соединений, полученных разными методами.

181

Рис. 19.6. Внешний вид шарика золотой проволоки, сформированного на различных уста-

новках: а – ЭМ 4060П без доработки БФШ; б – ЭМ 4060 с доработкой БФШ;

в – автомат разварки 1484 Kulicke and Sofa

Рис. 19.7. Внешний вид микросварных соединений, полученных различными методами: а – ТЗС; б – ТКС на установке без доработки; в – ТКС на установке с доработкой

Определялась устойчивость микросварных соединений, полученных термокомпрессионной и термозвуковой сваркой, к термоциклам. Для этого медные рамки с кристаллами и разваркой межсоединений золотой проволо-кой диаметром 25 мкм подвергались испытаниям в диапазоне температур -60 – +150 оC. Как показали исследования, термозвуковая сварка более устойчива к термоциклическим воздействиям: изменений прочности соединения прак-тически не произошло.

Для оценки дефектности структуры материала кристалла под контакт-ными площадками образцы после разварки подвергались травлению в рас-творе ортофосфорной кислоты. Затем производилась оценка внешнего вида кристалла под микроскопом. После термокомпрессионной сварки при темпе-ратуре 340 – 345 оС и давлении на первой сварке 60 – 65 г на контактных площадках микросхемы выявлены нарушения структуры кремния — «выко-лы», которые указывают на неоптимальный режим разварки межсоединений. На кристаллах, прошедших режим термозвуковой сварки при температуре

182

240 °С, дефектов структуры кремния в зонах контактных площадок не выяв-лено.

Вопросы к лекции 19

1. Сваривание сталей? 2. Какие группы сталей по свариваемости? 3. Свариваемость меди? 4. Свариваемость разнородных металлов? 5. Для чего используется прерывистый точечный шов? 6. Какие есть формы импульсов сварочного тока? 7. Аргонодуговая сварка? 8. Холодная сварка? 9. Как определяется удельное давление? 10. Диффузионная сварка? 11. Газовая сварка? 12. Сварка алюминиевой проволоки в изделиях электронной техники? 13. Назовите мероприятия, направленные на сокращение использования зо-лота? 14. Каким методом изучают кинетику разрушения контактов? 15. Термозвуковая и термокомпрессионная сварка золотой проволоки?

183

Лекция 20

НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 8. Нанотехнология и наноэлектроника

План лекции

20.1. Принцип Мура 20.2. Атомно-слоевое фотонно-индуцированное осаждение 20.3. Инструменты нанотехнологии

20.1. Принцип Мура

Начало эры наноэлектроники относят к 1999 г., когда на передовых производствах были реализованы интегральные схемы на МДП-транзисторах с длинами канала 100 нм. Интенсивные исследования в 1999-2003 гг. воз-можностей полевых нанотранзисторов показали, что они сохраняют свою ра-ботоспособность до длин канала, равных нескольким нанометрам (теорети-чески при LK > 0). Как следует из прогноза ITRS редакции 2003 г. длина ка-нала МДП-транзистора в промышленных интегральных схемах достигнет 10 нм в 2015 г. и 7 нм в 2018 г. Плотность размещения логических элементов типа КМОП для таких схем достигнет 5-108-109 1/см2, а размер кристалла - 10-20 см2 при плотности рассеиваемой мощности около 50-100 Вт/см2 на ра-бочих частотах переключения 10-40 ГГц. Станет возможным также создание терабитных запоминающих устройств (ЗУ) на одном кристалле. Эта тенден-ция описывается законом Мура, и для минимального размера (например, длины канала транзистора) представлена в виде графика на рис. 20.1.

Уменьшение топологических размеров элементов ИС составляет около 13% в год. Уменьшение размеров элементов ИС в плане закономерно ведет к тому, что уменьшаются толщины используемых функциональных слоев (ФС). К 2010 г. станет возможным производство ИС с минимальными топо-логическими размерами до 30 нм по горизонтали и до 2-3 нм по вертикали.

184

Развитие планарной технологии ИС, происходившее в таком виде можно ха-рактеризовать как развитие «сверху вниз».

Рис. 20.1. Минимальный размер топологического элемента интегральной схемы (длина затвора для транзистора): уменьшение со временем, реальное и прогнозируемое.

Однако постепенно все большее влияние на технологию будут оказы-

вать процессы «снизу вверх» синтез функциональных слоев и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации. Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств. Роль проводов в подобных структурах могут выпол-нять химические связи, а элементами таких «молекулярных компьютеров» могут стать соединенные этими связями фрагменты молекул. Кроме того, подобные технологии привлекательны для биоинженерии и медицины, по-скольку позволяют изготавливать так называемые лаборатории на чипе, мик-рофлюидные системы, новые биоматериалы и т. д.

Задача уменьшения линейных размеров используемых элементов яв-ляется магистральной в микроэлектронике. Для создания элементов уст-ройств с характерными размерами порядка единиц и десятков нанометров требуется адекватная технология их изготовления - нанотехнология.

20.2. Атомно-слоевое фотонно-индуцированное осаждение

185

Основной задачей традиционных для микроэлектроники процессов,

способных воспроизвести синтез вещества на уровне долей или единиц на-нометров и развивающихся по принципу «сверху - вниз», является способ-ность «обмануть» природу и, в частности, термодинамические положения теории Фольмера. Согласно Фольмеру, начальные стадии образования плен-ки твердого вещества посредством его конденсации из газовой фазы проис-ходят по «островковому» механизму роста. При этом размер зародыша стро-го регламентируется термодинамическими условиями роста, в частности, ус-ловиями пересыщения осаждаемого вещества в газовой фазе. В свою оче-редь, размер зародыша и определяет возможности данного процесса по пре-цизионности роста. Другими словами, процесс не может обеспечить точность осаждения сплошной пленки лучше, чем размер зародыша. Чтобы решить эту проблему необходимо отказаться от способов получения пленок через фазо-вые превращения первого рода, к каковым относится переход пар – твердое тело.

В. Б. Алесковским предложены новые принципы формирования ФС, которые получили несколько названий: молекулярное наслаивание (МП), атомно-слоевое осаждение (АСО), химическая сборка (ХС). Их суть заклю-чается в возможности получения через химические превращения многоатом-ного химического индивида, который может быть наноструктурой (кванто-вым телом). При этом формирование слоя осуществляется по принципу «сни-зу - вверх».

Рассмотрим эту технологию на примере формирования сульфида цин-ка на исходной поверхности кремния. Синтезируемое новое вещество в каж-дом акте было названо структурной единицей твердого вещества (СЕТВ).

Структурная единица твердого вещества объединяет как бы две суб-станции - твердое тело и молекулу, т. е. СЕТВ есть некое минимальное коли-чество вещества с конкретными химическими свойствами (молекула), об-ладающее поверхностью (твердое тело). Размеры и свойства СЕТВ будут оп-ределять предельные технологические возможности формирования поверх-ностей и их границ раздела с требуемыми параметрами.

Получение, сохранение и переход из одного состояния СЕТВ, а следо-вательно, и поверхности, в другое возможны при проведении технологиче-ских операций в замкнутом высоковакуумном цикле.

На рис. 20.2 приведена схема замкнутого технологического микроцик-ла синтеза сульфида цинка на монокристаллическом кремнии.

186

Рис. 20.2. Схема замкнутого технологического микроцикла формирования сульфи-

да цинка на исходной поверхности кремния (а), включающего фотонно-индуцированную газофазную очистку кремния в среде трифторида азота (б); фотонно-индуцированный синтез одного монослоя сульфида цинка; хемосорбция сероводорода (в) и диметилцинка (г) и in situ РФЭС диагностика (д): 1 - подложка кремния; 2 - естественный воздушный ок-сид кремния; 3 углеродсодержащие примеси на поверхности подложки; 4, 5-частично «за-леченные» и оборванные химические связи очищенной поверхности кремния соответст-венно; 6 хемосорбированный слой сероводорода в виде HS-радикалов; 7 - монослой ZnS.

Принцип замкнутого микроцикла заключается в том, что ряд основных

технологических операций, включающих подготовку поверхности подложки (травление, модифицирование), нанесение самого функционального слоя и исследование физико-химических свойств поверхностей и границ раздела формируемых тонкопленочных структур, осуществляется в интегрированных пространстве и времени с единой окружающей средой (вакуум, инертная ат-мосфера и т. д.). Замкнутый цикл позволяет сохранять в течение реального времени, необходимого для проведения следующей контролируемой техно-логической операции, параметры поверхности. Если удается разбить всю технологическую цепочку на такие микроциклы и осуществить их, то можно

187

значительно повысить воспроизводимость технологических процессов, вы-ход годных и параметры конечных изделий.

При соблюдении условий замкнутого микроцикла после каждого акта газофазной обработки поверхности подложки в результате хемосорбции по-является новая СЕТВ, объединяющая поверхностный атом кристалла и при-соединившуюся через оборванные химические связи одну или несколько функциональных групп. В этом случае можно ожидать корреляции физиче-ского и химического состояния поверхности, или другими словами, СЕТВ с конкретными свойствами поверхности и формируемого ФС.

В экспериментах использовались монокристаллический кремний КДБ-12, антимонид индия ИСЭ-1. Для осуществления интегрированных в замкну-тый микроцикл операций газофазной очистки, Синтеза сульфидов и in situ ренгенофотоэлектронного анализа обрабатываемой поверхности использова-лась высоковакуумная двухмодульная установка.

Газофазная очистка от углеродсодержащих примесей и «природных» оксидов проводилась путем фотонноиндуцированного воздействия на нее смеси газов NF3 и H2 с равными парциальными давлениями при общем давле-нии реакционной смеси в реакторе 1200 Па. В отсутствие прокачки реагентов при комнатной температуре имело место УФ-облучение. На последних эта-пах очистки натекание рабочих газов трифторида азота и водорода постепен-но снижалось от парциального давления 103 Па до предельных значений ос-таточного давления газов и технологическом модуле, а именно, 10-4 Па. По-сле чего образец прогревался в вакууме в течение 10 мин при температуре 473 К. Результатом очистки являлась практически атомарно-чистая поверх-ность кристаллического полупроводника. По проведенным оценкам резуль-татов исследования поверхности полупроводника in situ методами рентгено-фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) уровень очистки составлял около 0,1 монослоя.

Далее в этой же рабочей камере непосредственно после очистки осу-ществлялось МН сульфида цинка из диметил (этил) цинка и сероводорода. При этом применение УФ-стимуляции диапазона 115-200 нм позволило уве-личить константу роста МН с 0,15 до 035-0,40 нм за цикл. Эта величина наи-более приближена к постоянной решетки халькогенидов.

Эффективность действия УФ-излучения и возможность получения ква-зиатомарночистой поверхности после осуществления процессов фотохими-ческого удаления органических и неорганических примесей позволяет иссле-довать начальные стадии молекулярного роста пленки сульфида цинка. Экс-

188

периментально доказано, что наблюдается корреляция между условиями синтеза, определяющими размеры поверхностных СЕТВ, и плотностью быст-рых поверхностных состояний. Такая корреляция возможна только при усло-вии синтеза слоя по принципу «снизу-вверх», т. е. путем образования много-атомных наноструктур (СЕТВ). При этом наблюдался монослойный меха-низм роста пленки с точностью 0,35 нм.

20.3. Инстроукменты нанотехнологии Современная нанотехнология включает в себя процессы «создания и

использования материалов, устройств и систем, структура которых регулиру-ется в нанометровом масштабе». Соответственно под инструментами нано-технологии (ИН) будем понимать набор приборов, устройств, а также соот-ветствующих методов и методик, предназначенных для измерений парамет-ров и характеристик исходных материалов и структур, сопровождения и про-ведения нанотехнологических процессов, метрологического и функциональ-ного контроля изготовленных наноэлементов и наноструктур.

Развитие нанотехнологии привело к возникновению науки о наномате-риалах и наноинженерии, которые, в свою очередь, также требуют соответ-ствующего приборного обеспечения: первая - оборудования для фундамен-тальных исследований, вторая сборочного, диагностического и контрольно-измерительного оборудования. При этом нужно учитывать чрезвычайно большую широту применений инструментов нанотехнологии – от измерений энергетического спектра квантовых точек до прочностных характеристик на-нокомпозитной брони, от структуры биомолекул до профиля распределения примесей в полупроводниках.

Традиционные методы, включающие создание масок на поверхности полупроводниковых пластин с последующим применением микролитогра-фий все более высокого разрешения, в том числе рентгено, электроно, и ион-ной литографий, а также синхротронного излучения, возможно, приведут к созданию элементов с нанометровыми поперечными размерами.

Однако создание элементов на основе отдельных молекул и атомов традиционными путями невозможно.

Одним из подходов к созданию функциональных элементов наномет-ровых размеров является привлечение методов сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомной силовой микроскопии (АСМ), в основе кото-рых используется зонд с минимально возможным радиусом острия для "ося-

189

зания" поверхности исследуемых образцов. Зонд может использоваться так-же для формирования объектов нанометровых размеров на подложках. Сово-купность способов и приемов создания функциональных элементов наномет-ровых размеров на поверхности подложек с помощью зонда с возможностью одновременной их визуализации и контроля называют обычно зондовой на-нотехнологией. С изобретением проводящих кантилеверов для атомносило-вых микроскопов и накоплением опыта формирования нанообъектов в СТМ возможности зондовой нанотехнологии существенно расширились. Началось создание макетов планарных элементов наноэлектроники.

Инструменты нанотехнологии должны представлять собой целые из-мерительные комплексы, так как в общем случае наряду с наноразмерными элементами в состав наноустройств входят и элементы сопряжения с пери-ферийными устройствами (микроэлектронные элементы), микроэлектро-механические устройства и системы. Более того, они могут включать в себя и биологические объекты. Инструменты нанотехнологии должны обеспечить возможность исследования исходных материалов и структур, осуществления контроля технологических процессов и изготовления наноизделий, а также функционального контроля.

Какой же тип устройств должен быть положен в основу нанотехноло-гического инструментария, чтобы обеспечить фундаментальные исследова-ния на атомно-молекулярном уровне, с одной стороны, и сборку и функцио-нальную диагностику наноустройств с другой?

Ответ на этот вопрос дала сама логика развития измерительной техни-ки - это зондовые приборы, причем не просто зондовые (probe), но основан-ные на эффекте близости; «близостные» зондовые приборы (к сожалению, благозвучного русского аналога англоязычному термину proximity probe не существует). Именно такое качество, как непосредственная близость зонда к исследуемой поверхности, позволяет «ощупывать» ее с атомным разрешени-ем (на кончике зонда всегда есть последний атом, который можно использо-вать в качестве щупа). Это отличие от лучевых зондовых приборов, напри-мер, сканирующих электронных микроскопов (СЭМ), является принципи-альным. Во-первых, только такие приборы могут непосредственно регистри-ровать рельеф исследуемой поверхности. Во-вторых, в отличие от лучевых приборов, где используются высокоэнергетические пучки, субатомное раз-решение достигается при минимальном (вандерваальсовы силы) воздействии на образец, позволяя, например, исследовать распределение плотности элек-тронных состояний по отдельному атому. Вместе с тем диапазон воздействий

190

зондовых приборов на исследуемую поверхность весьма широк, при не-обходимости они позволяют манипулировать отдельными атомами и прово-дить измерения прочностных характеристик материалов методом наноинден-тации.

Рождение зондовых приборов атомномолекулярного разрешения - ска-нирующих зондовых микроскопов (СЗМ) связано с именами Рассела Янга (Russel EX Young), а также Герда Биннига (Gerd К. Binnig) и Генриха Рорера (Heinrich Rohrer).

Еще в 1965 г. Рассел Янг высказал идею о возможности построения профиля исследуемой поверхности путем ее сканирования находящимся в непосредственной близости к ней остроконечным зондом. В процессе скани-рования следящая система должна поддерживать постоянным эмиссионный ток между зондом и поверхностью, при этом управляющий сигнал будет от-слеживать рельеф поверхности. Такой прибор, названный Topografiher, был реализован в 1971 г. и продемонстрировал разрешение на уровне 0,3 нм. А в 1982 г. на приборе такого же типа, названном авторами сканирующим тун-нельным микроскопом (СТМ), Г Бинниг и Г. Рорер продемонстрировали с атомным разрешением изображение поверхности кремния. Их работы по созданию СТМ были удостоены в 1986 г. Нобелевской премии.

Следующим чрезвычайно важным шагом явилось создание сканирую-щего силового микроскопа, основу которого составил силовой зондовый дат-чик, представляющий собой в современном виде изготавливаемую по крем-ниевой технологии миниатюрную гибкую консоль с остроконечным зондом на конце (рис.20.3,а,б). В процессе сканирования в результате непосредст-венного взаимодействия зонда с исследуемой поверхностью консоль изгиба-ется, что позволяет использовать величину изгиба для характеризации степе-ни взаимодействия. При этом величина изгиба может быть использована как для непосредственного расчета профиля сканируемой поверхности, так и в качестве входного сигнала системы. Обратной связи, поддерживающей по-стоянной величину взаимодействия в процессе сканирования. Очевидно, что взаимодействие зонда с поверхностью может быть не только контактным, но и бесконтактным за счет использования сил Ван-дер-Ваальса, электрических и магнитных взаимодействий, причем не только силовым, но и, например, тепловым, позволяя проводить измерения самых различных характеристик исследуемых образцов

191

Рис.20.3. Зондовый датчик для силовой микроскопии: а – общий вид; б – острие зонда.

. В настоящее время на основе принципов зондовой микроскопии раз-

вита чрезвычайно-широкая номенклатура приборов, вплоть до приборов, проводящих измерения при температурах от сверхнизких до нескольких со-тен градусов Цельсия, в сверхвысоком вакууме, приборов промышленного применения, измеряющих параметры 300 мм полупроводниковых пластин и пр.

Потребностям нанотехнологии в значительной степени могут удовле-творять СЗМ. В первую очередь это относится к исследованиям и входному контролю исходных материалов, а также к изучению изделий нанотехноло-гии, полученных групповыми методами.

Это относится, например, к нанопорошкам, наночастицам, нанострук-турам и наноструктурным материалам, биоструктурам.

Возможности СЗМ продемонстрированы на примере продукции ЗАО НТ-МДТ, производящего практически полную линию СЗМ - от сверхвысоко-вакуумных приборов для фундаментальных исследований до высокопроиз-водительных приборов, позволяющих проводить автоматический скрининг.

Определяющим элементом СЗМ является сканер, перемещающий зон-довый датчик вдоль исследуемой поверхности. Именно от него зависят раз-решение и размер получаемого изображения. Изготавливаются сканеры на основе пьезокерамики. В современных СЗМ сканеры снабжаются датчиками положения, например, емкостными, которые позволяют существенно умень-шить ряд недостатков пьезокерамики: наличие гистерезиса, ползучесть, не-линейность передаточных характеристик.

Ближайшие перспективы развития СЗМ связаны с использованием

192

многозондовых датчиков, картриджей. В настоящее время, например, доя то-го, чтобы провести прецизионные исследования рельефа, нанолитографиче-ские операции, измерения электрических и магнитных характеристик необ-ходимо проводить замену зондовых датчиков. Это не только снижает произ-водительность прибора, но и ограничивает полноту информации, поскольку очень трудно провести на одном и том же участке исследуемой поверхности разнородные измерения со сменой зондовых датчиков, в связи с тем, что по-сле осуществления процедуры смены датчика практически невозможно при-вести зонд в ту же начальную точку. Многозондовый датчик с набором раз-нотипных зондов («цветной» картридж) с вполне определенным расстоянием между ними в значительной степени снимает эту проблему. Многозондо-вость необходима также и для решения задачи повышения производительно-сти измерительных и нанотехнологических операций. Наконец, интенсивно ведутся разработки активных зондовых датчиков со встроенными в них из-мерительными и функциональными устройствами, например, это датчики-актюаторы, в том числе снабженные «суставами», датчики со встроенными электронными элементами.

Формирование нанометровых объектов с помощью зонда сканирующе-го туннельного микроскопа или кантилевера атомно-силового микроскопа благодаря уникальности результатов все больше востребовано для создания элементной базы наноэлектроники, создания запоминающих устройств с те-рабитным объемом памяти. Само понятие «зондовая нанотехнология» стано-вится все более определенным и достаточно распространенным. По-видимому, в ближайшие 5-10 лет следует ожидать прорыва в зондовых тех-нологиях, поскольку резко возросли инвестиции и интенсивность исследова-ний. Человечество ждет от развития и использования нанотехнологий резко-го улучшения качества жизни.

Зондовую нанотехнологию можно определить как совокупность спосо-бов и приемов формирования объектов нанометровых размеров на поверхно-сти подложек, в том числе из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля.

193

Рис.20.4. Наномеханическое устройство для параллельной записи/считывания ин-формации, матрица кантилеверов.

Одним из существенных недостатков зондовых нанотехнологий явля-

ется низкая производительность процессов, осуществляемая одним зондом. Для преодоления этого недостатка разработчики пошли по пути создания многозондовых матричных устройств, работающих одновременно на одной подложке и расположенных на одном держателе. На рис. 20.5 изображено наномеханическое устройство «Millipede» для параллельной записи – считы-вания информации. Чип размером 3x3 мм состоит из 1024 игл.

Методы зондовых нанотехнологий весьма разнообразны. Используют-ся многие известные физические эффекты, в том числе локальный тепловой эффект от ускоренного пучка электронов в межэлектродном зазоре.

Рис. 20.5. Наномеханическое устройство для параллельной записи/считывания ин-формации, “millipede” в рабочем состоянии.

194

Рис. 20.6 . «Пикачу» нарисован на титановой пленке методом локального зондового

окисления в обычных атмосферных условиях. Между зондом и подложкой возможно проведение различных электро-

химических реакций, в частности, достаточно той влаги на поверхности под-ложки, которая образуется в обычных лабораторных условиях, чтобы с по-мощью зонда проводить локальное анодное окисление. На рис. 20.6 показаны результаты локального анодного окисления титановой пленки в обычных ат-мосферных условиях при влажности 30-40%.

195

Лекция 21

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 8. Нанотехнология и наноэлектроника

Плпн лекции

21.1. Формирование микроконтактов 21.2. Материалы контактов 21.3. Углеродные нанотрубки 21.4. Качество границ раздела

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОКОНТАКТОВ

Высота дорожек определяется в основном вытеснением окислов титана меньшей плотности из объема пленки. Ширина дорожек определяется глав-ным образом радиусом острия зонда кантилевера. Методом локального анод-ного окисления пленок титана, тантала, ниобия созданы планарные квазиод-номерные микроконтакты, проявляющие ряд нелинейных ВАХ.

Вертикальные микроконтакты, как правило, формируются между гори-зонтально расположенной проводящей подложкой и вертикально над, ней расположенным туннельным зондом. Формирование микроконтактов прово-дится в жидком диэлектрике. В качестве модельного диэлектрика была вы-брана эпоксидная диановая смола ЭД-20, предварительно обеспененная в форвакууме с последующей многочасовой электроочисткой. Было предпо-ложено, что в локальном электрическом поле между подложкой и игольча-тым электродом молекулы эпоксида образуют составные длинные молеку-лярные цепочки (каналы проводимости), на которые слабо будет влиять их тепловое движение (рис.21.1.).

Вольтамперные характеристики участка цепи, состоящего из полиро-ванной подложки из нержавеющей стали диаметром 6 мм и толщиной 0,5 мм, капли эпоксидной смолы и игольчатого электрода (зонда) из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, радиусом острия около 20 нм, остаются неиз-менными при зазорах между электродами от 1 до 240 нм.

196

Рис. 21.1. Схематическое изображение элемента с вертикальным микроконтактом: 1 - металлическая подложка; 2 - игольчатый электрод (зонд); 3 - микропроводник: 4 -

диэлектрическая матрица.

После полимеризации эпоксидной смолы с помощью отвердителя ПЭ-

ПА (полиэтилен-полиамин) каждый элемент имел вид, показанный на рис.21.2.

Рис. 21.2. Внешний вид элемента с вертикальным микроконтактом. Максимальные

размеры: диаметр 6 мм, высота 10 мм.

Далее элемент извлекался из микроскопа и представлял собой закон-

ченное изделие. Его сопротивление, измеренное при комнатной температуре, составляло около 10 Ом. Вертикальные микроконтакты с металлическими электродами пропускали токи порядка 100 мА. Наблюдаемые закономерно-сти проводимости можно объяснить, если принять, что имеет место балли-стический режим протекания тока в квазиодномерном микроконтакте. Наи-более убедительные доказательства наблюдения квантовой проводимости при комнатной температуре были получены тогда, когда элементы с микро-контактами медленно нагревались или растягивались, тем самым изменялись

197

поперечные размеры проводящих каналов и происходило скачкообразное пе-реключение сопротивления.

Если материал подложки является более пластичным, чем зонд из вольфрама, то можно сформировать вертикальные микроконтакты из ма-териала подложки путем касания острием подложки, пропускания тока оп-ределенной величины и медленного отведения зонда от подложки с одновре-менным контролем вольтамперных характеристик. Возможность создания квазиодномерных микромостиков между туннельным зондом и подложкой обусловлена тем, что радиус острия зонда составляет 10-20 им, а расстояния между ними менее 1 нм (при сжатии их на воздухе). В связи с этим между иглой и подложкой можно достаточно просто создавать электрические поля до 108 В/см, сравнимые с внутриатомными, и пропускать кратковременно электрические токи до 109 А/см2 в обычных атмосферных условиях. Это по-зволяет, в частности, провести локальную пластическую деформацию метал-лических подложек и плавно изменить геометрические размеры перетяжек, находящихся в межэлектродном зазоре. Для фиксирования зонда относи-тельно подложки необходима диэлектрическая матрица, для которой вновь использовалась эпоксидная смола.

При растяжении перетяжек вплоть до их разрыва можно наблюдать множество ВАХ: от линейных, когда имеется касание зонда поверхности подложек, до нелинейных с разной степенью крутизны характеристик. Перед самым разрывом микромостиков наблюдаются S-образные ВАХ с участками отрицательной дифференциальной проводимости. Проводя полимеризацию эпоксидной смолы, которая фиксирует положение зонда относительно под-ложки, можно получить нелинейные характеристики элемента. Внешне эле-менты выглядели точно так же, как и на рис.9. Наличие S-образных ВАХ с участками отрицательной дифференциальной проводимости также предска-зывается теорией, при этом необходимо плавное изменение геометрии элек-тродов-берегов при переходе в микросужение.

Существенным недостатком вертикальных квазиодномерных контактов является то, что так или иначе нужно фиксировать зонд относительно под-ложки в диэлектрической матрице. Поскольку эффективная длина закрепле-ния электродов друг относительно друга велика, то такие элементы являются весьма чувствительными к изменению температуры окружающей среды. Ес-тественно, что планарные элементы с субмикронными размерами, располо-женные на диэлектрической подложке, будут иметь неизменные размеры при колебаниях комнатной температуры.

198

В основе технологии создания планарных элементов с нанометровыми поперечными размерами лежит двухстадийный процесс. На первом этапе ме-тодами традиционной планарной технологии изготавливаются матричные кристаллы с контактными площадками и металлическими дорожками с ми-нимально возможными поперечными размерами (менее 0,3 мкм) и толщиной менее 10 им. На следующей стадии методами зондовой нанотехнологии фор-мируются планарные микроконтакты путем уменьшения поперечного сече-ния проводящих дорожек. Отметим, что для получения заданных электриче-ских характеристик имеет значение геометрия перехода электродов-берегов в квазиодномерный микроконтакт. В настоящее время широко используются методы анодного зондового окисления проводящих дорожек с использовани-ем адсорбата, покрывающего поверхности электродов и состоящего в основ-ном из воды.

Одной из проблем при создании планарных квантовых микроконтактов является качество границ раздела. При формировании вертикальных микро-контактов в СТМ качество границы между квазиодномерным проводом и эпоксидной матрицей определяется процессами самоформирования структу-ры между зондом и проводящей подложкой. Экспериментальные результаты показывают, что качество границы высокие, поскольку квантовые эффекты устойчиво наблюдаются при комнатных температурах. В случае планарных проводников границы раздела формируются в разных технологических опе-рациях и это создает дополнительные проблемы. По своей природе кванто-вые провода весьма чувствительны к внешним полям, поэтому диэлектриче-ские подложки под квантовыми проводами должны иметь максимально большую запрещенную зону и минимальную плотность поверхностных со-стояний. По-видимому, полимерные подстилающие пленки являются пред-почтительными для размещения на них квантовых проводников.

На рис.21.3. изображена топография центральной части одного из пла-нарных элементов после проведения локального окисления титановой прово-дящей дорожки на кристалле из полуизолирующего арсенида галлия.

Элементы изготовлялись на зондовом микроскопе Solver P-47 компа-нии НТ-МДТ. Вольтамперные характеристики элементов являются нелиней-ными с различной крутизной, в том числе S-образного вида. Планарные ма-кеты нанодиодов размещались в стандартных СВЧ-корпусах (рис.21.4) для проведения дальнейших исследований.

199

Рис. 21.3. Микросужение - квантовый провод с электродами на титановой до-рожке после зондового окисления "лишнего" металла.

Рис. 21.4. Макет нанодиода в стандартном СВЧ - корпусе: 1, 3-позолоченные контакты; 2-корпус; 4-диэлектрическое покрытие микроконтакта; 5 – кристалл.

Отметим, что электронные устройства на основе квазиодномерных

микроконтактов являются, несомненно, перспективными. Дальнейшее со-вершенствование зондовых технологий повысит качество элементов и соз-даст предпосылки для их интеграции с другими микроэлектронными сис-темами на одном кристалле.

200

21.2. Углеродные нанотрубки Квантовые свойства квазиодномерных микроконтактов существенно

зависят от свойств поверхности проводящего капала. Методами локального анодного окисления, по-видимому, невозможно добиться высокого качества поверхности квазиодномерных микроконтактов. В связи с этим одним из но-вых продолжений развития элементной базы наноэлектроники на основе ква-зиодномерных проводов является использование углеродных нанотрубок. Синтезированные нанотрубки переносятся на поверхность матричного кри-сталла и далее размещаются и закрепляются между выбранными электро-дами, как правило, с помощью зонда атомно-силового микроскопа.

Успех в создании элементной базы наноэлектроники с углеродными нанотрубками зависит от владения технологией изготовления нанотрубок, их осаждения на поверхность подложки и перемещения по поверхности к задан-ной паре электродов, умения создать электрический контакт между электро-дами и нанотрубкой. Необходимо еще овладеть технологией разрезания на-нотрубок, их выпрямления и изгиба на поверхности подложек.

Интерес к ветвящимся нанотрубкам вызван тем, что на их основе мож-но изготовить наноэлементы с различными функциональными возможностя-ми, и тем, что можно использовать отечественную микроэлектронную техно-логию с шириной проводящих дорожек около 1 мкм. В частности, нанотран-зистор можно изготовить путем присоединения ветвящейся напотрубки из трех ветвей к трем электродам микронных размеров. При этом существенно уменьшается напряжение для управления проходящим током. Изменение ис-ходной проводимости нанотрубок можно получить путем их легирования, что позволяет технология получения углеродных нанотрубок.

На рис.21.5. представлено изображение ветвящейся углеродной нанот-рубки, полученное в туннельном режиме.

На рис. 21.6. представлены ВАХ элементов, в котором нанотрубка на-ходилась между тремя электродами. Характеристики снимались между каж-дой ближайшей парой электродов при увеличивающемся напряжении от ну-ля до некоторого значения и при обратном ходе напряжения. Напряжение на электродах изменялось от нуля до 5 В. При напряжениях между двумя и тре-мя вольтами видны скачки проводимости с отрицательной дифференциаль-ной проводимостью. При увеличивающемся напряжении скачки смещены в область более высоких напряжений и отрицательных участков не видно.

201

Рис. 21.5. Ветвящаяся нанотрубка на подложке из пиролитического графита (ре-жим сканирующей туннельной микроскопии)

Наблюдаемый гистерезис характеристик можно объяснить тепловым

разогревом контактов между нанотрубками и золотыми электродами при коммутировании токов более 50нА. Возможно, уровень легирования угле-родных нанотрубок металлическими атомами был достаточен для коммути-рования микроамперных токов и создания «сильноточной» элементной базы дискретной наноэлектроники, однако остается проблема соединения нанот-рубок с подводящими электродами.

Рис. 21.6. ВАХ двух двухэлектродных элементов с одной нанотрубкой.

202

Лекция 22

Тема 8. Нанотехнология и наноэлектроника

План лекции 1. Квантовые МОП транзисторы 2. Технологии атомного масштаба 3. Путь к квантовым компьютерам

ОТ МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ К ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ КВАНТОВЫМ КОМПЬЮТЕРАМ

22.1. Квантовые МОП транзисторы

Предположим, что век МДП-транзистора ограничен длиной канала 5 нм (что мало вероятно), тогда в диапазоне минимальных размеров от 5 до 0,5 нм будут господствовать мезоскопические структуры, размеры которых со-поставимы с длиной волны де Бройля. В приборах на мезоскопических структурах заметную роль играют квантовые явления. К ним относятся гете-роструктуры с квантовыми ямами и туннельными барьерами, структуры с двухмерным электронным газом на границе раздела гетероперехода, струк-туры с дельта-легированными слоями. Двухмерный электронный газ может быть "сжат" потенциальными барьерами в одном (1-мерные структуры) или двух (0-мерные структуры) измерениях, образуя так называемые квантовые нити и точки. Такие структуры, как правило, формируются на полупровод-никовом материале с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии и методами нанолитографии. Реальное применение структуры с квантовыми точками уже получили в полупроводниковых гетероструктурных лазерах. Хотя в прибо-рах мезоскопического уровня квантовые явления играют важную роль, они остаются классическими приборами, так как их внешние сигнальные пара-метры (например, токи, напряжения и т.п.) являются классическими.

Экстраполяция тенденции уменьшения размеров приборов показывает, что одноатомные размеры будут достигнуты в производстве приблизительно в 2030 г. Технологии атомного масштаба (0,5-0,1 нм) открывают абсолютно новые перспективы создания твердотельных элементов квантовых компью-теров, квантовой связи и квантовой криптографии, что позволит производить

203

квантовые микросхемы, работающие на квантовых принципах. Технологии твердотельных элементов квантовых компьютеров являются естественным развитием технологии микро и наноэлектроники. Структура современного МДП-транзистора представлена на рис.22.1.

Рис.22.1. Структура современного МДП-транзистора.

Хотя в лабораториях ведущих компаний мира образцы нанотранзисто-

ров были реализованы уже в 1999-2003 гг. с длинами каналов вплоть до 9 нм, освоение промышленного производства интегральных схем на их основе требует решения ряда принципиально новых проблем. Во-первых, это про-блема создания промышленной литографии на основе оптических степперов-сканеров, обеспечивающих воспроизводимость столь малых размеров на больших кристаллах. Во-вторых, проблема создания сверхтонкого подза-творного диэлектрика. Уменьшение латеральных размеров транзистора вле-чет за собой необходимость уменьшения толщины диэлектрика, который при простом утоньшении диоксида кремния становится туннельно-тонким и не может быть использован из-за высоких токов утечки. В-третьих, проблема реализации сверхмелкозалегающих p-n-переходов стока и истока. Это требо-вание (уменьшение глубины залегания p-n-переходов) вытекает из необхо-димости избежать проявления короткоканальных эффектов, т.е. транзистор должен оставаться по своим характеристикам длинноканальным. Далее воз-

204

никает проблема выбора материала затвора, так как легированный поликрем-ний может не удовлетворять требованиям к его проводимости. Не менее сложной проблемой становится силидизация контактов малой площади. На-зовем также проблему создания процессов и оборудования для плазмохими-ческого травления диэлектрика, исключающего повреждение подзатворного диэлектрика. Обсудим кратко эти проблемы.

22.2. Технологии атомного масштаба

Более двух десятилетий наблюдается прогресс проекционной фотоли-тографии, позволяющий уменьшать критические размеры элементов инте-гральных схем. Фотолитография началась с использования видимого излуче-ния ртутной лампы (g-линия 436 нм), затем излучения ртутной лампы в ближнем ультрафиолете (i-линия - 365 нм), далее излучение эксимерных ла-зеров в области глубокого ультрафиолета, сначала на KrF (248 нм), затем на ArF (193 нм). Литографы двух последних типов доминируют в современных производствах. Наконец, не исключено, что в ближайшие годы лидирующей станет литография в области вакуумного ультрафиолета на длине волны 157 нм (эксимерный лазер на F2).

В табл. 22.1 приведены данные по длинам волн известных степперов.

Таблица 22.1

Длины волн степперов-сканеров

Главный параметр литографического процесса – разрешение – опреде-

ляется известной формулой Релея:

1) (

Длина волны, нм Источник света

436 g – линия ртутной лампы

365 i - линия ртутной лампы

248 Эксимерный лазер на KrF

193 Эксимерный лазер на ArF

157 Эксимерный лазер на F2

205

где k1 - коэффициент, отражающий несовершенство системы изобра-жения, дифракционные эффекты, несовершенство регистрирующей среды (в классической оптической системе равен 0,6); NA- числовая апертура.

Для степперов и степперов-сканеров значение к1 равное 0,6, считается критерием применимости системы в производстве. Коэффициент k1 по мере совершенствования технологии уменьшается от 0,6 на этапе разработки до 0,35 в процессе производства. Это достигается применением резистов или многослойных резистных структур с улучшенным разрешением, фазовых шаблонов, коррекции эффектов близости и др. Числовая апертура требует увеличения для повышения разрешающей способности степпера, что и про-исходит с каждым новым поколением степперов. Так, для некоторых степпе-ров в процессе их совершенствования числовая апертура увеличивалась от 0,28 до 0,63 и затем до 0,85. Это происходит на фоне увеличения площади кристалла от 10x10 мм до 22x22 мм и т. д. Не надо забывать, что речь идет о проекционных системах, и первые из них имели коэффициент уменьшения изображения, равный 10, тогда как последующие системы рассчитаны на ко-эффициент, равный 5 или 4. Для примера приведем параметры степперов фирмы ASML.

Таблица 20.2

Степперы фирмы ASML Длина

волны, нм NА

Разрешение, нм

К1

365 0,60-0,63 350-280 0,58-0,5

248 0,57-0,8 250-110 0,57-0,35

193 0,75-0,85 100-80 0,39-0,35

Видно, что реально достижимое разрешение литографического про-

цесса может быть вдвое меньше длины волны источника света. Возможно, однако, существенное улучшение разрешения степпера-193 применением иммерсии. Если внешняя поверхность объектива, обращенная к пластине, яв-ляется плоской, то можно заменить воздушную среду между этой плоско-стью и пластиной на жидкость, например, воду. Поскольку вода имеет более высокий коэффициент преломления (n = 1,44), чем воздух, эффективно уве-личивается числовая апертура системы изображения и улучшается глубина фокуса. Иными словами, разрешение может быть улучшено в n раз, что экви-валентно увеличению числовой апертуры до 1,2 или эквивалентно уменьше-

206

нию длины волны от 193 до 134 нм. Конечно, это сопряжено с определенны-ми проблемами. В частности, используемая жидкость должна быть химиче-ски совместима с фоторезистом и материалом внешней линзы. Недопустимо существование в жидкости пузырьков, источниками которых могут быть фо-торезисты или система сканирования. Еще одна проблема - контроль темпе-ратуры жидкости из-за того, что термооптический коэффициент воды на 193 нм dn/dT= -10-4/оС, т.е. в 20 раз выше, чем в азотной атмосфере. Тем не менее, промышленные проекты в области иммерсионной литографии являются ре-альностью. Применение иммерсии в степперах сканерах на 193 нм позволяют улучшить разрешение процесса литографии до 65-55 нм.

Предполагалось, что после степперов-193 в системах литографии будет использована длина волны 157 нм и позднее 13,4 нм (длина волны в области экстремального ультрафиолета), построение которых отнюдь не простая мо-дернизация литографов-193.

На длине волны 157 нм наилучшим материалом для линз является CaF2. За ним следует BaF2, требующий значительных затрат на разработки. Линзы должны быть полностью преломляющими с высокой апертурой (NA > 0,8).

Излучение на длине волны 157 нм сильно поглощается в атмосфере ки-слорода и паров воды. Поэтому во внутренних областях оптики воздух дол-жен быть замещен сверхчистым азотом или гелием с остаточным содержани-ем кислорода или паров воды на уровне ppm и далее суб-ppm. Внутренние поверхности оптической системы должны быть очищены от паров воды и гидроуглеродов. Тонкие пленки или мембраны с адекватными временами службы и пропусканием непригодны, хотя в этой области ведутся интен-стивные поиски приемлемых материалов. Проблемой является и выбор рези-стов для этой длины волны. Поглощение излучения на 157 нм в большинстве полимерных материалов столь высоко, что однослойные резисты могут быть использованы только в том случае, если толщина пленки резиста не будет превышать 150 нм. Нужно либо разрабатывать новые резистные материалы, либо обращаться к двухслойным резистным системам. Стандартные шабло-ны на основе плавленного кварца должны быть замещены шаблонами на ос-нове легированного фтором модифицированного кварца с очень низким со-держанием гидроксильных групп. Если попытаться оценить возможности ли-тографических систем на 248, 193 и 157 нм для процесса 70 нм, то окажется, что при разумном значении фактора k1, равного 0,4, система на 248 нм долж-на иметь запредельные значения числовой апертуры (около 2), система на

207

193 нм - NA = 1,15, что вполне реально при использовании иммерсии, а сис-тема на 157 нм - NA = 0,9, что без иммерсии сложно реализовать. Если вы-брать лучшие значения NA и к1 т.е. 0,85 и 0,38 соответственно, то система на 157 нм будет обеспечивать необходимое разрешение (70 нм). Однако нужно помнить, что это очень сложное сочетание параметров. Первые промышлен-ные сканеры на 157 нм вероятно появятся в 2004—2005 гг., однако, чтобы сделать их конкурентоспособными с иммерсионными литографами-193, не-обходимо применить иммерсионную технологию и к литографам-157. Выбор приемлемой жидкости для иммерсионных литографов-157 - предмет фунда-ментальных исследований. Если это все же будет реализовано, то разрешение литографического процесса достигнет 45 нм. Для оценки целесообразности применения иммерсионной литографии на 157 нм в производствах 50-45 нм следует сравнивать эту возможность с возможностями литографии на длине волны 13,4 нм. Простой расчет показывает, что при NA = 0,85 для 157 нм нужно, чтобы k1 достиг значения 0,27, а это возможно только при экстре-мальном сочетании всех параметров оптической системы. Однако для лито-графии в области ЭУФ с NA = 0,25 (возможное максимальное количество зеркал, равное 6 при коэффициенте отражения 0,7, на один объектив) допус-кается значение фактора k1 выше, чем 0,9. Это очень сильная мотивация к разработке ЭУФ-литографии для процесса 50-45 нм и следующих поколений литографических процессов. Ранние исследования по экстремальному ульт-рафиолету (ЭУФ) были проведены в некоторых исследовательских лабора-ториях в США и Японии в конце 80-х годов. ЭУФ-длина волны соответству-ет экстремально мягкому рентгеновскому излучению в диапазоне 10-14 нм с энергией фотонов в диапазоне от 90 до 120 эВ. В этом диапазоне длин волн прозрачных материалов практически нет, и единственным средством для фо-кусировки являются полностью отражающие линзы. Для построения зеркал для этой длины волны необходимо применять многослойные покрытия с вы-сокими коэффициентами отражения. В частности, для длины волны 13,4 нм требуются многослойные покрытия на основе сверхрешеток Mo-Si, которые могут обеспечить коэффициент отражения, равный 0,7 при нормальном па-дении. Из-за относительно низкого значения коэффициента отражения зеркал на основе сверхрешеток количество зеркал должно поддерживаться на ми-нимально возможном уровне (для четырех зеркал NА = 0,1 а для шести - 0,25). Требования к зеркалам очень Жесткие (равномерность), причем многие из них должны быть асферичными в диапазоне 0,1—0,2 нм (среднеквадра-тичное). Не менее жестки требования к источнику излучения, например, ла-

208

зер-плазменному (по оценкам более 100 Вт оптической мощности). Наряду с этой мощностью недопустимо разбрызгивание капель вещества из источника и других элементов, что может вызвать загрязнение зеркал. Система должна быть наполнена гелиевой средой низкого давления. Необходим контроль фо-тохимического нанесения загрязнений на поверхности зеркал. Наконец, тре-буются сложные меры для обеспечения равномерности отвода тепла от по-верхности зеркал. Должна быть развита техника создания низкодефектных отражающих фотошаблонов и методов их структурирования. Многие усилия должны быть предприняты прежде, чем ЭУФ-литография выйдет на про-мышленную стадию. Заметим, что фирма INTEL уже провозгласила свой от-каз от применения литографа-157 для производств на 70 и 50 нм. Эта компа-ния вложила почти 50 млн. долларов в разработку ЭУФ-литографа фирмой ЕUV Со. Однако созданный прототип работает в импульсном режиме источ-ника и еще не является промышленным литографом. В настоящее время нет компании, которая бы в одиночку бралась за разработку промышленного ЭУФ-литографа. В США-EUV LLC-консорциум, в Японии - государственная ASET-программа, в Европе - программа Euclides внесли большой вклад в ре-шение этой проблемы за последние несколько лет и перевели проблему соз-дания ЭУФ-литографа из стадии фундаментальных исследований в раннюю стадию разработки промышленного прототипа. Уже построены ETS четырех-зеркальный сканер в Sandia Labs, трехзеркальный сканер в Химеджи инсти-туте технологии и ряд двухзеркальных микроэкспозиционных систем, кото-рые полностью или почти полностью созданы в США, Японии и в Европе. Лидирующей компанией в настоящее время является фирма ASML (Гол-ландия). Первый промышленный ЭУФ-сканер, рассчитанный на 50 нм, веро-ятно будет создан в 2007 г. Оптика скорее всего будет содержать шесть зер-кал с числовой апертурой 0,25. Таким образом, производства уровня 90-65 нм будут обеспечены литографами-193. Проблемы промышленного воплощения лито графов-157 в настоящее время еще далеки от решения. Появление про-мышленных прототипов таких литографов ожидает в 2004-2005 гг. В этом случае их жизненный цикл будет измеряться одним или, как максимум, дву-мя поколениями интегральных схем. Хотя многие проблемы создания ЭУФ-литографических систем остаются в состоянии разработки в промышленных и академических лабораториях, сохраняется уверенность в том, что высоко-производительные ЭУФ-системы появятся в 2007 г. и обеспечат производст-ва новых поколений микросхем, в частности, 50, 35 и, может быть, 25 нм. Отсюда следует, что коммерческая судьба литографов-157 нм находится под

209

вопросом. Судьба литографических процессов последующих поколений ин-тегральных схем остается предметом дальнейших, в том числе, фундамен-тальных исследований. Прогнозируемая эволюция структуры МДП-нанотранзистора представлена в табл. 22.3.

Таблица 22.3

Эволюция некоторых размеров и параметров структуры транзисторов (ITRS 2003)

Годы

Параметр 2004 2007 2009 2012 2015

Минимальный ли-тографический размер, нм

90 65

50

35

25

Длина канала, нм 53 32 25 18 13

Tоx.equi, нм 1,2 0,9 0,8 0,7 0,6

Ток утечки через подзатворный ди-электрик, нА/мкм

170 230

230

Технические решения для произва неизвестны

Технические решения для произва неизвестны

Глубина за-легания p-n-переходов, примы-кающих к затвору, нм

20,4

3,8

12

11,2

8

Толщина силицид-ного слоя, нм

20 17

14 13

Технические Решения для произва неиз-вестны

Видно, что длина канала меньше приблизительно в 2 раза минимально

достижимого размера, обеспечиваемого литографией, для каждого из по-колений интегральных схем. Это достигается применением специальных приемов. Можно, например, равномерно окислить поликремниевый затвор, а затем снять оксид жидким травлением или в плазме, что приведет к умень-шению длины затвора на удвоенную толщину оксида.

Проблема сверхтонкого подзатворного диэлектрика (квантово-механическое туннелирование) может быть решена применением новых ма-териалов с высокой диэлектрической проницаемостью так, чтобы эквива-лентная толщина подзатворного диэлектрика соответствовала требованиям

210

правил масштабирования МДП-транзистора. Если на сверхтонкий слой диок-сида кремния толщиной tox на кремнии нанести слой диэлектрика с высокой ehi, то эффективная емкость такой структуры

(2)

т.е. эффективная физическая толщина подзатворного диэлектрика

(3)

Подходящих материалов с высоким значением Ehi оказывается не так

много. Это, например, ZrO2 ( Ehi= 25) и Hf О2 ( Ehi= 28). Сделаем, например, оценку для системы Si-SiO2 (0,5 нм) - Hf O2 (3 нм). Из приведенной выше формулы следует, что Teff равна 0,92 нм, а реальная толщина двойного ди-электрического слоя 3,5 нм. Эта оценка не учитывает того, что подвижные носители заряда в канале удалены от границы раздела Si-SiО2 и того, что в режиме инверсии в материале затвора (легированный поликремний) образу-ется слой обеднения носителями. Для введения этих поправок необходимо выполнить квантово-механические расчеты.

Как видно из табл. 3 глубина залегания p-n-переходов, прилегающих к затвору, мала и составляет в зависимости от длины затвора 20-10 нм. Тради-ционные имплантеры оказываются непригодными для этих целей из-за ката-строфического падения тока (потока ионов) (до единиц микроампер) при столь низких ускоряющих напряжениях (100 В), что ведет к спаду произво-дительности процесса. Приемлемая производительность может быть достиг-нута применением так называемых плазмоиммерсионных ионных импланте-ров (ПИИИ), в которых ионы вытягиваются из плотной плазмы, создаваемой в ши-рокоапертурном источнике, импульсным смещением подложки и уско-ряются до нужных энергий в области пространственного заряда между плаз-мой и подложкой. При этом плотности токов ионов могут достигать 10 мА/см2.

Плазмохимические процессы в производстве интегральных схем сле-дуют за каждым литографическим процессом. Это высокоанизотропное травление, низкотемпературное нанесение диэлектриков, стриппинг (снятие) резиста, стабилизация резиста, очистка поверхности пластин от органических

211

загрязнений и атомов тяжелых металлов, частичная планаризация и др. Чрез-вычайно критичным процессом, например, становится формирование затвора плазмохимическим травлением поликремния и подзатворного диэлектрика. Для минимизации радиационных повреждений диэлектрика температура электронов Те в плазме должна быть не более 1 эВ, что предъявляет к источ-никам плотной плазмы серьезные требования. Так, источники плазмы, воз-буждаемой в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), стано-вятся неприемлемыми из-за высокой Те, а источники индуктивно связанной плазмы (ICP) должны быть модернизированы для снижения Те. Требуют раз-вития также методы и средства контроля момента окончания процесса трав-ления, которые должны обладать очень высокой чувствительностью из-за очень малой площади контактных окон транзистора по отношению к площа-ди пластины.

22.3. Путь к квантовым компьютерам

Конструкции МДП-нанотранзисторов могут быть со временем под-вергнуты изменениям. Пока в производстве интегральных схем и, по крайней мере, до 2009 г. включительно используется и будет использоваться класси-ческая конструкция. В литературе обсуждаются и другие конструкции, в ча-стности, двухзатворный МДП-транзистор, в котором затвор охватывает ка-нал с двух сторон, и транзистор в тонком слое кремния на изоляторе (КНИ) (рис.22.2).

212

Рис.22.2. Конструкции двух-затворного (вверху) нанотранзистора и нанотранзисто-ра в тонком кремнии на изоляторе (внизу).

Оба транзистора последних двух конструкций при длине канала поряд-

ка 10 нм являются баллистическими. Для толстых слоев кремния на диэлек-трике (порядка 100 нм) необходимо легировать канал для подавления тока транзистора в закрытом состоянии. Это так называемые необедненные (non-depleted) КНИ-транзисторы. Для меньшей толщины слоя кремния и коротко-го канала транзистора можно слабее легировать слой кремния в канале.

Это частично обедненные (partially depleted) КНИ-транзисторы. Для тонких слоев кремния (5-10 нм) канал транзистора можно совсем не легиро-вать. Полностью обедненный (fiilly depleted) КНИ-транзистор является наи-более перспективным, поскольку он наилучшим образом выявляет возмож-ности КНИ-подложки. В таких структурах снижены токи утечки и радиаци-онностимулированные фототоки, исключены биполярные эффекты («защел-ка» и др.), снижены емкости p-n-переходов. Это приводит к уменьшению рассеиваемой КМОП-схемами мощности, более высоким скоростям пере-ключения и более широкому диапазону рабочих температур. По существу, это дает возможность продвинуться на одно поколение интегральных схем при том же разрешении литографического процесса по отношению к схемам на объемном кремний, существенно повысить рабочие частоты, создавать высокотемпературные схемы для аппаратуры, работающей в экстремальных условиях, в том числе и для космических применений.

213

Баллистический МДП-нанотранзистор в тонком КНИ представляет большой интерес для будущих производств, так как продлевает жизнь МДП-транзисторов в область длин канала в несколько нанометров. Физически это означает, что при длинах канала около 5 нм МДП-нанотранзистор остается свободным от короткоканальных эффектов (ККЭ).

Использование тонких слоев кремния в КНИ-подложке приводит к не-обходимости учета эффектов поперечного квантования носителей в канале транзистора. Так, в величину порогового напряжения вносит вклад энергия поперечного квантования электронов в тонком слое кремния в структуре КНИ. Влияние квантования выражается как бы в утолщении подзатворного диэлектрика. Эффект заключается в том, что волновая функция электронов в слое кремния практически равна нулю на границе с подзатворным оксидом из-за большой высоты потенциального барьера (около 4эВ). В результате электронная плотность «отодвигается» от границы на расстояние, приблизи-тельно равное четверти дебройлевой длины волны электрона. Обеднение кремния приводит к увеличению эффективной толщины подзатворного ди-электрика по крайней мере в 3 раза, и таким образом влияет и на другие па-раметры транзистора, например, емкость затвора.

Предполагается, что смена конструкции транзистора от классической к КНИ может произойти к 2010 г. для длин канала 35 нм.

Для суб-10 нм области минимальных размеров необходимо создание новых технологий, а именно, суб-10 нм КНИ-пластин диаметром 300 мм и выше, суб-10 нм литографии на столь же больших пластинах, атомно-слоевого нанесения тонких пленок диэлектриков, металлов и полупровод-ников, атомно-слоевого травления материалов.

Мезоскопические структуры элементы, свойства которых зависят от их размеров, сопоставимых с длиной волны де Бройля. В таких структурах за-метную роль начинают играть квантовые явления. Изменением размеров и форм наноструктур, а также выбором материала можно конструировать энер-гетический спектр электронов и фононов. Нано-электронные приборы, вклю-чая нанотранзисторы, приборы на основе наноструктур. Создание и произ-водство наноприборов возможно, если нанотехнологии позволяют воспроиз-водить их с заданными допусками на размеры и формы. На свойства нано-приборов могут оказывать влияние не только флуктуации размеров и формы, но и шероховатости границ и поверхностей наноструктур.

Для элементарных наноструктур вводят классификацию, которая уже

214

стала привычной:

двухмерные системы - тонкие (нанометровые) проводящие слои, в том числе с двухмерным электронным газом на интерфейсах в гетерострук-турах или в дельталегированных областях, инверсный слой в МДП-структуре;

одномерные системы - нанопровода, линейные молекулы, например, нанотрубки;

нульмерные системы - квантовые точки (искусственные атомы), нано-частицы, многоатомные кластеры, отдельные молекулы и атомы. Спектр электронов в квантовой точке является дискретным (подобным

атомному). Отсюда возникло представление о квантовой точке, как об искус-ственном атоме. Электроны размещаются на разрешенных энергетических уровнях, как в электронных оболочках атома. Числом электронов в кванто-вой точке можно управлять путем контролируемой туннельной инжекции электронов. На взаимодействующих квантовых точках может быть сконст-руирована искусственная молекула.

К многоэлементным наноструктурам следует отнести сложные гетеро-структуры, сверхрешетки, квантовые ямы и барьеры, одно-, двух- и трехмер-ные массивы квантовых точек.

Изготовление квантовых точек возможно различными методами. Это, например, «вырезание» мезаструктур методами нанолитографии, в частно-сти, методом зондовой литографии с последующим травлением, «сжатие» двухмерного электронного газа потенциальными барьерами в двух измере-ниях, создаваемыми потенциалами на наноэлектродах, самоформирование массивов квантовых точек в процессах осаждения тонких слоев полупровод-ников или металлов. Примерами последнего являются наблюдаемое экспе-риментально образование полей квантовых точек на начальных стадиях эпи-таксиального роста InAs на GaAs и Ge на Si. Формирование массивов крем-ниевых квантовых точек наблюдается при определенных условиях в процес-се осаждения из газовой фазы пленок нитрида кремния и других кремнийсо-держащих диэлектриков. Еще один метод--химический синтез многоатомных кластеров и молекул, например, фуллеренов.

На основе мезоскопических структур созданы или могут быть созданы новые приборы: гетеропереходные транзисторы, гетероструктурные тунель-норезонансные транзисторы и диоды, инжекционные полупроводниковые ла-зеры на трехмерном массиве квантовых точек, одноэлектронные транзисто-ры, транзисторы на молекулярных квантовых проводах (углеродных нанот-

215

рубках), спининжекционные транзисторы, квантово-интерференционные транзисторы на эффекте Ааронова-Бома. Технологии гетеропереходных транзисторов, гетероструктурных тунельно-резонансных транзисторов и дио-дов, инжекционных лазеров с квантовыми точками развиты и применяются при создании сверхскоростных интегральных схем и оптоэлектронных при-боров. Для приборов, требующих достижения и воспроизведения размеров порядка 1 нм на больших подложках, как, например, для одноэлектронных транзисторов, необходимо создание, прежде всего, методов нанолитографии для условий массового производства. Это может привести к созданию, на-пример, памяти очень высокой плотности (до 1011 см-2). Ярким примером реализации одноэлектронного транзистора является гетероструктура с двух-мерным электронным газом, который сжат в плоскости кристалла потенциа-лами на наноэлектродах (рис.22.3).

Рис. 22.3. Одноэлектронный транзистор на основе структуры с двухмерным элек-тронным газом.

В центре структуры образуется так называемый островок («бокс») диа-

метром порядка 10 нм, если транзистор должен работать при не слишком низких температурах. Справа и слева сток и исток транзистора отделены от центрального островка туннельно-тонкими зазорами, а сверху и снизу распо-лагаются управляющие электроды (затворы). В основе одноэлектронного транзистора лежит явление кулоновской блокады, в результате действия ко-торой туннелирование еще одного электрода из истока в островок запрещено, пока электрон, захваченный в островке, не будет передан в правый электрод (сток). Если нужно, чтобы транзистор работал при комнатной температуре, то размер островка должен быть порядка 1 нм.

216

К сожалению, самоформирование квантовых точек, упомянутое выше, не позволяет пока получить их регулярные массивы, т.е. массивы квантовых точек, размеры и период расположения которых на подложке воспроизводи-лись бы с удовлетворительной для промышленного производства точностью.

В целом, при оценке перспектив развития наноэлектронных при-боров следует придерживаться принципа разумного скептицизма: «обе-щанная новым открытием техническая революция происходит эволюцион-ным путем и в разумных пределах, определяемых экономикой». Так было после открытия ядерной энергетики, транзисторов, лазеров, генной инжене-рии и, вероятнее всего, так будет и с наноэлектроникой.

Как упоминалось, общей тенденцией развития электроники является кодирование бита информации во все более малых объемах вещества. Закон Мура, описывающий этот процесс, заключается в экспоненциальном умень-шении объема вещества на один бит. Пределом закона Мура, по всей види-мости, является отдельный атом, если он выполняет функцию отдельного би-та. В отличие от приборов, созданных на мезоструктурах, в которых кванто-вые явления играют существенную роль, нo которые остаются объектами классическими (макроскопическими), атом является объектом квантовым, а для кодирования логической операции или операции памяти используются такие степени свободы атома (квантовые переменные), как энергия, коорди-наты, заряд или магнитный момент. Квантовый элемент информации (атом-ный бит информации) называется кубитом.

Для создания кубитов нужны технологии атомного масштаба (0,5-0,1 нм). Экстраполяция тенденции уменьшения размеров приборов (обсу-ждавшийся выше закон Мура) показывает, что одноатомные размеры будут достигнуты в производстве в 2030 г. Этот период станет эрой производства квантовых микросхем, работающих на квантовых принципах.

Актуальность работ в области квантовых компьютеров обусловлена прежде всего тем, что ряд важных задач не может быть решен с помощью классических вычислительных машин (в том числе, классических суперком-пьютеров) за разумное время. Это, прежде всего, задачи квантовой физики и химии (многочастичные квантовые системы), ядерной физики, криптогра-фии.

K настоящему времени предложены различные пути реализации кван-товых компьютеров. Первые впечатляющие результаты получены в экспери-ментах по квантовым вычислениям методом импульсного ядерного магнит-ного резонанса (ЯМР) в молекулярных жидкостях (ансамблевый квантовый

217

компьютер). Квантовые операции производятся с использованием макроско-пического образца, представляющего собой большой ансамбль идентичных структур — молекул, содержащих ядерные спины и действующих парал-лельно. В качестве такой жидкости рассматривался, в частности, раствор хлороформа 13СНСl3 в дейтерированном ацетоне (СОз)2СО, где отдельные молекулы содержат два связанных между собой неэквивалентных ядерных кубита (спины ядер изотопа С и протона Н). Недостатком такого компьютера является доступность для измерения состояний не отдельных ядерных спи-нов, а лишь средних по ансамблю значений. Кроме того, число хорошо раз-личимых по резонансной частоте ядерных спинов в молекуле ограничено, а интенсивность сигнала ЯМР быстро падает с числом кубитов.

Большой объем экспериментов выполнен на ионах в ловушках Паули, удержание ионов в которых обеспечивается электрическими силами. Эти ло-вушки устроены таким образом (рис.22.4), что устойчивая конфигурация ли-нейной цепочки ионов обеспечивается сложением трех типов сил: кулонов-ского отталкивания:

одноименно заряженных ионов друг от друга,

статического электрического поля, создаваемого двумя электродами, которое сжимает цепочку ионов вдоль оси z,

радиальных (в плоскости ху) сил, возникающих в результате воздейст-вия переменного электрического поля квадрупольной симметрии, соз-даваемого приложенным к двум расположенным по диагонали парал-лельно оси z металлическим электродам высокочастотным напряжени-ем при заземленных двух других диагонально расположенных элек-тродах. Ионы практически лишены кинетической энергии, так как охлаждены

до температур, близких к абсолютному нулю. Наибольший интерес вызывают идеи создания квантовых компьютеров

в твердом теле, так как в этом случае возможно использование всего накоп-ленного мирового опыта в микро и нанотехнологии, а сами квантовые ком-пьютеры будут иметь сходство с «чипами» микросхем. Твердотельные тех-нологии с атомным разрешением имеют довольно высокий уровень зрелости, и работа с отдельными атомами является экспериментальной реальностью для высокоразвитых лабораторий.

218

Рис. 22.4. Схематическое изображение системы электродов в линейной ловушке Паули.

Разумеется, это не единственная идея создания твердотельного кванто-

вого компьютера. Можно указать, например, на очень интересные предложе-ния использовать для построения квантового компьютера квантовые точки с электронной спиновой поляризацией, пары квантовых точек с зарядовыми (орбитальными) состояниями и др.

Но наиболее близкой к реализации оказалась идея создания кубита на сверхпроводниковых элементах. Обращение к сверхпроводниковым эле-ментам связано, главным образом, с надеждой на то, что в этом случае удаст-ся исключить использование таких сложных и громоздких вспомогательных устройств, как лазеры, СВЧ-генераторы, мощные магниты и т.п., и создать квантовый компьютер, управляемый только электрическими импульсами. Проявление квантовых свойств в сверхпроводниковых устройствах макро-скопических размеров делает их привлекательными и с точки зрения созда-ния квантовых схем большой степени интеграции (достаточной для создания полномасштабного квантового компьютера на одном кристалле): режим ко-герентной квантовой динамики может быть достигнут уже в элементах мик-рометровых масштабов, требующих применения не нанотехнологии, а мик-ротехнологии уровня конца 90-х годов прошлого столетия.

Квантовая динамика сверхпроводниковых устройств определяется не коммутирующими между собой сопряженными величинами фазой макро-скопической волновой функции и оператором числа куперовских пар в кон-денсате, которые не могут контролироваться одновременно. Отсюда следуют два различных типа устройств с использованием физических явлений в сверхпроводниках для создания кубитов и организации квантовых вычисле-ний.

В одном из них в качестве двух состояний кубита предлагается исполь-

219

зовать два различных зарядовых состояния куперовских пар в общем случае n, а в частном случае, например, отсутствие или наличие одной куперовской пары в сверхпроводниковом островке нанометрового масштаба (Single-Cooper-pair box), связанного с внешними цепями переходами Джозефсона. На рис.22.5 приведена эквивалентная схема сверхпроводникового кубита на за-рядовых состояниях островка.

Рис. 22.5. Эквивалентная схема зарядового сверхпроводящего кубита с цепями управления.

Схема состоит из островка (черный маленький прямоугольник, отде-ленный от сверхпроводящего контура двумя малыми переходами Джозефсо-на). Контур включает также джозефсоновский переход большей площади, который зашунтирован емкостью. Напряжение U, приложенное к затвору ем-костью Cg, и ток Iф в катушке, образующий магнитный поток Ф в контуре, предназначены для управления квантовыми состояниями кубита. Переходы между различными состояниями происходят благодаря туннелированию ку-перовских пар через джозефсоновский переход. При определенных условиях происходит существенное подавление больших флуктуации числа n (куло-новская блокада). Разность энергий двух зарядовых состояний, отли-чающихся на одну куперовскую пару, контролируется с помощью напряже-ния на затворе U. Зарядовые состояния с n=0 и n=1 соответствуют базисным состояниям псевдоспина соответственно, а сверхпроводниковый кубит экви-валентен управляемому искусственному атому.

220

Лекция 23

LIGA-ТЕХНОЛОГИЯ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 9. LIGA-технология для создания микросистемной техники

План лекции

23.1. Практическая значимость LIGA-технологии 23.2. Микромоторы 23.3. Стадии LIGA технологии 23.4. LIGA для микрооптики 23.5. Перспективы LIGA-технологии

23.1. Практическая значимость LIGA-технологии

LIGA – технология в переводе с немецкого языка означает – литогра-фическая отливка с гальванопокрытием. Устройства, основанные на данной технологии, позволяют выполнять сверхточные механические операции на-подобие поддержки оптических волокон с целью их сверхточного размеще-ния. Эти устройства постепенно преобразовывались из чисто механических в электромеханические. Компоненты с высокой точностью и малыми разме-рами можно изготавливать с помощью LIGA – технологии.

LIGA – технология обеспечивает многообещающий подход к созданию экологически безопасных автомобилей посредством установки микромеха-нических и микрооптических сенсорных устройств в интегральные цепи. Со-единение измерительных элементов и электронных сигнализаторов дает воз-можность создавать интеллектуальные микросистемы. Область возможных применений «Лига – продуктов» в автомобилях будущего, которые включа-ют в себя: интегрально оптические компоненты, точные микрофорсунки и впрыскиватели топлива, микромеханических компонентах для навигацион-ных систем и сенсорах для анализа газовых смесей. Миниатюризация и точ-

221

ность является неизменным обязательным требованием в микросистемотех-нике.

Начало Лига-процесс нашел в ядерном исследовательском центре Кар-лсруе, Германия (KfK). Идея производства микросопел литографией, элек-троформированием и гальванопластической была разработана здесь. Здесь же были открыты потенциальные возможности применения данной техноло-гии. В дальнейшем институт микроструктурных технологий КfК активно участвовал в развитии LIGA - технологии как лидер и кооперативный парт-нер.

Институт микромеханики г. Майнц в Германии является пионером в области освоения и использования LIGA – технологии. IММ ищет возмож-ные применения микрооптосистем в геодезии, метрологии, информационных системах хранения данных и других областях.

LIGA - технология используется для поддержки оптических волокон с

целью их сверхточного размещения. Эти устройства постепенно преобразо-

вались из чисто механических в электромеханические. Хирургическую опе-

рацию можно будет проводить путём инъекции, а сотовый телефон можно

будет имплантировать прямо в рот.

Рис. 23.1 Микроактуатор

Германия (Карлсруе, Майнц) оставила нас далеко позади в разработках

микромеханики. В сегодняшних российских условиях бессмысленно гнаться

за ними, но нужно искать новые нестандартные задачи.

Большая проблема – получение толстых плёнок резистов. Другая про-

блема – изготовление рентгеновских шаблонов, это до сих пор искусство.

222

Немецкие шаблоны большой площади стоят 20 – 30 тыс. марок каждый. При

этом толщина шаблона должна быть не более 10 мкм.

23.2. Микромоторы

Воплощение новых производственных идей нуждается в миниатюрных

вращающихся моторах (рис. 23.2) с диаметром 100 мкм и меньше, которые

могут быть использованы для портативных приводов электрических прибо-

ров, винчестеров, хирургических приборов.

Рис. 23.2. Микромотор

Для функционирования акселерометра использован принцип магнитно-

го отталкивания. Ротор изготавливается из мягкого магнитного материала и

следует за магнитным полем, образованным током, текущим в обмотках ста-

тора. Достижение высокого КПД требует допусков для компонентов мотора

менее 5 мкм.

На рис 23.2 показан микродвигатель в разобранном виде. Расстояние

между ротором и выступами статора в 20 мкм поддерживает дистанционное

кольцо. Мягкомагнитный ротор напрессован на ось диаметром 0,24 мм. Все

сборочные операции включают в себя только осевые перемещения и требуют

специального оборудования.

Микромоторы работают с чрезвычайно высокими скоростями враще-

ния (до 106 об/ мин), поэтому необходима разработка микроредуктора, кото-

рый адаптирует скорость вращения и крутящий момент к нужному значению.

Лига – это единственный метод, который позволяет массово выпускать

такие точные устройства. Возможность производить такие структуры даёт

223

рентгенография на очень толстых плёнках фоторезиста (500 мкм и более), с

последующем экспонированием, проявлением, электроформовкой и заливкой

металла в заливочной машине.

Рис. 23.2. Детали микромотора

23.3. Стадии LIGA – технологии

Стартовый шаг – глубокая рентгенография на глубину 500 мкм в плён-

ке фоторезиста (рис. 23.3). Наилучший результат был достигнут использова-

нием рентгеновского излучения, образованного при искривлении траектории

высокоэнергетических электронов в накопительных кольцах синхротрона

(синхротронное излучение).

224

Рис. 23.3. Глубокая литография в толстом слое фоторезиста

При этом могут быть достигнуты поперечные размеры структур поряд-

ка 1 мкм при высоте более 1000 мкм.

Структурная точность может быть улучшена использованием погло-

щающих структур (обычно Au) на очень стабильном механически несущем

материале, имеющем высокую прозрачность для рентгеновских лучей. В ка-

честве носителя используется бериллиевая фольга толщиной 0,5 мм, имею-

щая высокую пластичность, теплопроводность и экстремально высокую про-

зрачность для -лучей. В случае ограниченной структурной точности в каче-

стве подложки можно использовать полиамидные плёнки.

Полимерные структуры, полученные облучением и проявлением, уже

могут быть использованы, как законченное изделие (рис. 23.4).

Рис. 23.4. Полимерные структуры, полученные облучением и праявлением

Рентгенорезисты могут быть позитивными и негативными. Уже много

лет используется негативный резист ПММА и недавно создан позитивный

BASF AG полилактидогликолид, который в 2-3 раза чувствительнее, чем

225

ПММА. А новый негативный резист, изготовленный в IMM, в 20 раз чувст-

вительнее, чем ПММА.

Для изготовления металлических, керамических или стеклянных мик-

роизделий полимерная структура заполняется металлом с помощью электро-

нанесения (гальваники). Металлическая структура может затем использо-

ваться для микрозаливки или как инструмент для вдавливания. Скопирован-

ная полимерная структура позволяет тиражировать металлические микро-

структуры. Для процессов копирования обычно применяют термопластичные

полимеры. Для реализации микрозаливки очень важно, чтобы шероховатость

поверхности формы была крайне низка. Для достижения этого полимерные

формы покрывают тонкой плёнкой металла (рис. 23.5).

Рис. 23.5. Структура для микрозаливки

Керамические микроструктуры могут быть изготовлены литьём шихты,

использованием золь-гель процессов. После сушки и отжига полимер разру-

шается, испаряется или окисляется. Характерные размеры керамических

структур меньше, чем металлических из-за усадки при отжиге. Поэтому с

помощью LIGA-технологии можно изготавливать пьезоэлектрические мате-

риалы, ионные проводники, теплостойкие и другие функциональные мате-

риалы (рис. 23.6).

226

Рис. 23.6. Керамические структуры, изготовленные с помощью LIGA-технологии

Синхротронное рентгеновское излучение создается на специальных ус-

тановках – синхрофазотронах (рис. 23.7), в которых диаметр колей для раз-

гона атомных ядер достигает 5 км. Такие установки имеются в Институтах

ядерной физики в Новосибирске и Дубне (Германия).

Рис. 23.7. Схема получения рентгеновского излучения на синхрофазотроне

23.4. Лига для микрооптики

Сочетание микрооптических устройств с микромеханическими и мик-

роэлектронными компонентами приведёт в дальнейшем к созданию новых

микросистем. Оптическая передача данных через стеклянные волокна интен-

сифицирует информационный обмен. А “умные” датчики, использующие оп-

227

тические эффекты, могут быть размещены в среде, не доступной для элек-

троники. На рис. 23.8 изображены микролинзы размерами 0,1 – 0,3 мм.

Для волоконной оптики ЛИГА – это новый инструмент для точного изго-

товления “микромеханики для оптики”. Например, изготовлена волоконная

концевая вставка, позволяющая отцентрировать все 12 волокон ленты. При-

мер чистой ЛИГА оптической структуры – это волновод из прозрачного по-

лимера имеющего высокий коэффициент преломления. Благодаря ЛИГА

шероховатость поверхности не превышает 50 нм, что уменьшает световые

потери.

Рис. 23.8. Микролинзы

Последние разработки плоских рентгеновских волноводов – один из

способов создания яркого источника когерентного излучения в рентгенов-

ском диапазоне. С помощью такого источника можно будет решать задачи

рентгеновской голографии, и посмотреть, как устроена сложная молекула.

LIGA - технология позволяет изготовить не только разветвлённые волново-

ды, используемые как осветители, мультиплексоры или интерферометры, но

и призмы и линзы размерами 150 - 500 мкм и высотой несколько мкм.

Кроме, того обнаружены нелинейные оптические (НЛО) эффекты в

различных веществах: неорганических кристаллах, полупроводниках и орга-

нических компаундах с красителями и полимерах. Такие материалы изменя-

ют свои оптические свойства в зависимости от интенсивности проходящего

света. Устройства, использующие эти эффекты, могут переключать или мо-

228

дулировать световые лучи, удваивать частоту света или воздействовать од-

ним лазерным лучом на другой без электроники с высокими скоростями. Это

путь к оптическому компьютеру.

С помощью ЛИГА - технологии уже изготовлена оптическая микросис-

тема. Стеклянный конус, который является главным компонентом перомет-

рического датчика, изготовлен с помощью прецизионной LIGA-технологии,

на который нанесена высокоселективная оптическая многослойная система.

Улавливаемый свет излучается лазерным диодом и подводится к чувстви-

тельной головке через стеклянное волокно.

23.5. Перспективы LIGA - технологии

Получение и копирование структур со сложной, функционально опти-мизированной формой посредством литографии, электронного формирова-ния и пластичного литья является едва ли более дорогим, чем изготовление простых структур, но позволяет формировать свободные конструкции с вы-соким качеством.

Лига – процесс дает возможность производства очень маленьких зубча-тых колёс с оптимальным профилем зуба. высокая эффективность которых может быть достигнута в миниатюрных цепных механизмах. Это имеет прак-тическое значение для регулируемых микроприборов, а также для ручных колес, если они питаются от батареи. Зубчатые колеса с диаметром 20 мкм не имеют технологии применения сегодня, но демонстрируют потенциал LIGA – процесса. Зубчатые колеса ручных часов сейчас в 200 раз больше по разме-ру.

Многие другие функциональные механические элементы могут быть изготовлены Лига – процессом: пружинные соединения, подшипники и др. Потенциал Лига – процесса основан на массовом производстве индивидуаль-ных функциональных элементов, таких как малые зубчатые колеса, микро-турбины и микроактиваторы и конструкционном их объединении в инте-гральные соединения,

Контролируемая комбинация различных материалов на микроуровне, возможно, придаст новые свойства материалам. Например, спеченные метал-лы могут быть заменены функционально оптимизированными микрострук-турами.

229

Миниатюрные сопла, изготовленные LIGA-технологией, используется

для отделения изотопов урана, и далее уменьшаются в размере (рис. 23.9).

Микросопла имеют много других применений. Например, круговые пласти-

ны с профилем микрокапилляров, полученные LIGA – технологией, исполь-

зуются в производстве сверхтонких синтетических волокон с новыми свой-

ствами.

Рис. 23. 9. Миниатюрные сопла

Микросенсоры для измерения параметров процессов обеспечат новый

подход к модернизации технологии процессов.

Новые применения также выявляют новую область микрофильтрации.

Лига - фильтры характеризуются однородным размером пор, экстремально

высокой пористостью и свободно выбранной формой пор. Если требуется,

структура подложки и пористой пленки могут быть также объединены. Пла-

стиковые, керамические и металлические материалы могут быть использова-

ны для осуществления требований специфического процесса.

Микроструктуры керамических электродов, полученные Лига – техно-

логией, могут использоваться для высокотемпературных ячеек топлива.

В области передачи информации Лига-процесс идеально подходит для

производства взаимосвязанных элементов в микроэлектроники и интеграль-

ной оптике. Короткие сигнальные дистанции и точные сигнальные объеди-

нения могут быть достигнуты. Длинноволновые проводники для превраще-

ния оптической информации с шаговым индексом профиля представляют со-

бой прозрачные полимеры. Примерами изделий Лига – технологии в микро-

230

волновой технике являются: светообъединители и другие, интегрально опти-

ческие компоненты, линии задержки для обратно волнового осциллятора.

Информационные системы передают сигналы одновременно посредством

длинноволнового умножения простых сигналов в оптических волокнах, рас-

щепленных на различные каналы в приемнике.

В миниатюрных электронных устройствах логические цепи с 100-1000

транзисторов связываются с несколькими сотнями родственных элементов.

Первые минисоединители с 130 элементами в 1 см уже произведены и ус-

пешно протестированы. Сетка с отдельными соединяющими ЛИГА - элемен-

тами значительно меньше (h = 0,2 мм; l = 0,1 мм), чем связывающие пласти-

ны современных скрепляющих сеточных построений (h = 2 мм; l = 2мм).

Сейчас возможно создать соединительные системы с 10 тысячами соедини-

телей в см2 .

Крепкие механические сеточные элементы получают как соединитель-

ные компоненты в микросоединителях в Лига - процессах. Интеграция доба-

вочных микроструктур для теплового распределения также осуществляется.

Требования расположения и взаимосвязи элементов в интеграционной опти-

ке даже выше, чем в микроэлектронике. Здесь требуется субмикронная точ-

ность для соединения волокон в оптический чип. Высокая точность изготов-

ления в Лига-процессе и его комплексность определяет точную структуру се-

ток и зажимающих устройств для производства волоконных чипов.

Микроструктуры и микросистемы будут играть важную роль в буду-

щей медицинской технике, в диагностике, в терапии, в замещении органов и

реабилитации. Здесь всегда наиболее перспективный подход обеспечивает

Лига – процесс.

Лига – сотовая структура для рентгеновской диагностики, выполненная

из блестящего материала, дает лучшие разрешения при меньшем радиацион-

ном облучении пациента. Значительные продвижения в ультразвуковой ди-

агностике возможны с использованием микроструктурных пъезокерамик.

Ведущие медицинские технические компании намерены использовать Лига –

процесс в производстве УЗ – датчиков.

В анестезии состав вдыхаемых газов должен контролироваться посто-

янно. Получение микросенсоров с высокой сепенью реагирования является

объектом многочисленных исследований.

231

В случаи вторгающихся инструментов, таких как эндоскопы и катете-

ры, целью является сделать их размер меньше для уменьшения травмирую-

щих эффектов и улучшения восприятия. Возможности таких инструментов

могут быть также увеличены посредством интеграции большого числа функ-

циональных комплексных элементов.

Лига – процесс всегда объединяется в производственном цикле с ис-

следованиями. Применение микрофильтров и капиллярных систем для экс-

тренного общего анализа крови, микрохирургических инструментов, микро

оптических компонентов и микроэлектродов в настоящее время исследуется.

Такие критерии как снижение веса и увеличение надежности играют

решающую роль в аэрокосмической технологии. Когда космическая обсерва-

тория европейского космического агентства ESA стартовала в космос, Лига –

микроструктуры были на борту. Поддерживающая Лига – фольга имела важ-

ную функцию в фотометрии, одним из наиболее важных компонентов в кос-

мической телескопии.

Институт Макса Планка для радиоастрономии разработал ИK-фильтры

для эксперимента. Такие фильтры со звездообразной, крестообразной или со-

товой формой, изготовлены Лига – технологией. Достижение высокой про-

зрачности в определенных длинах волн, механическая и ударная стойкость,

способность к использованию при очень низких температурах, является наи-

более важными критериями для использования Лига – фильтров.

Микромеханические Лига – компоненты будут установлены в навига-

ционных системах. Смелые достижения в будущем позволят уменьшить со-

противление воздуха летательных аппаратов с использованием микрострук-

турных покрытий.

Резонирующие структуры являются одними из наиболее используемых

в сенсорах. Высокая точность и стоимостная эффективность сигнального

процессора является ключом к будущему резонирующему сенсору. Техноло-

гии микромеханики создают класс сенсоров, имеющих новые применения и

являющиеся выгодными при их изготовлении в массовом производстве.

Основным процессом изготовления трехмерных структур для микро

механических приборов является сухое и жидкостное химическое травление.

232

Моделирование процессов изготовления и действия простых приборов

и полных интегральных систем все более и более необходимо. Это уменьша-

ет число других испытаний и ошибочных шагов в разработке микросистем.

Пакетирование является наиболее трудным и обеспечивающим прорыв

в микросистемной технологии процессом. Лучшие микроприборы не могут

выйти на рынок без подходящей пакетирующей технологии. Электронные

проблемы пакетирования включают: надежность пакетируемых конструк-

ций, сборку пакетов в микросистемах, пакетирование полупроводниковых

гибридных приборов, технологию связи (электростатическую, эвтектическую

связи, кремниевое сплавление и др.).

В технологии микросистем необходимы специальные инструменты для

качественного контроля процессов. Качество поверхностей и соединений в

микроструктурах является характеристикой надежности. Современными ме-

тодами физических и химических анализов поверхностей и соединений в

тонких пленках являются:

электронная микроскопия (СЭМ, ТЭМ);

электронные пробные микроанализа (TEM - WEDX, SEM - WEDX);

электронная энергетическая спектроскопия (AES, XPS, UPS);

массовая спектроскопия (SIMS, SNMS). Для тестирования микросистем необходима электронная точность и

высокая динамика измерения. Оптические методы наиболее существенны во многих случаях. Максимально точное измерение позволяет достигнуть ла-зерная интерферометрия, новые интерферометрические технологии и элек-трически настраиваемые лазерные диоды. Некоторые оптические методы ис-пользуются для микровибрационных приборов, оптических измерений не-больших смещений (0,1-100 нм с частотой 100 Гц – 100 МГц ), основанных на различных принципах: отклонения светового пучка, дифракции, двухлу-чевой интерферометрии, применение тестирующих датчиков, резонансного детектирования и микроскопии.

Вопросы к лекции 23

1. Где используется LIGA-технология? 2. Каковы размеры и каков состав микромоторов?

233

3. Каковы стадии LIGA- процесса? 4. Как используется LIGA для микрооптики? 5. Перспективы LIGA-технологии. 6. Какими методами проверяется качество тонких пленок? 7. Устройство синхрофазотрона. 8. В чем сущность микрозаливки? 9. Тип резиста, используемого для LIGA - процесса. 10. Использование LIGA для передачи информации.

234

Лекция 24

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 10. Электронно-лучевая технология

План лекции

24.1. Сущность и достоинства ЭЛТ 24.2. Формирование электронных пучков 24.3. Параметры электронного пучка 24.4. Взаимодействие электронного потока с поверхностью твердого тела

24.1. Сущность и достоинства электронно-лучевой технологии

Электронно-ионная технология – это комплекс способов обработки ма-териалов энергетическими потоками электронов, ионов, плазмы нейтральных газов. В результате воздействия таких потоков меняется форма, физико-химические, механические, электрические свойства изделий. Простота и ши-рокий диапазон управления энергоносителями позволяет использовать элек-тронно-ионные пучки для автоматизированных гибких производств. Можно выполнять многооперационную обработку изделий с одновременным кон-тролем в ходе операций.

Электронно-ионная технология обладает рядом преимуществ перед традиционными механической, химической и др. видами обработки, в част-ности:

● локальностью и селективностью воздействия потоков при сохра нении чистоты исходного материала;

достижением высоких температур в малых областях;

отсутствием механического воздействия на изделие;

возможностью быстрого перемещения луча;

возможностью управления процессом от ЭВМ.

235

Несмотря на высокую стоимость технологического оборудования и от-носительную сложность его обслуживания, современные производства тре-буют наукоемкого оснащения.

Физика электронных пучков используется в известных рентгеновских, электронно-лучевых трубках, телевидении, электронной микроскопии. В те-чение последних 30 лет сформировалась еще одна научно-техническая об-ласть – электронно-лучевая технология, широко применяемая от микроэлек-троники для получения субмикроскопических структур до выплавки круп-ных слитков, в металлургии.

Электронно-лучевая технология базируется на вакуумной технике и электронной оптике. Уже в 1934 году немецкие физики Ардене и Рюле ис-пользовали электронные пучки, сфокусированные магнитными линзами, для получения отверстий малого диаметра и для испарения металлов. С развити-ем ядерной и космической техники возникла необходимость в новых мате-риалах и новых способах их обработки – сварка, плавка, напыление, что по-служило стимулом к использованию в середине 50-х годов электронных пуч-ков в технологических целях. С 1957 по 1960 год в различных странах разра-батываются методы и оборудование для электронно-лучевой плавки. В по-следующие годы внедрялись методы электронно-лучевого испарения для на-несения покрытий. Далее установки и возможности электронно-лучевой тех-нологии все более совершенствовались и вводились в состав поточных ли-ний. С начала 1964 года регулярно работают национальные и международ-ные симпозиумы по электронно-лучевой технологии.

При осуществлении всех электронно-лучевых процессов электронный пучок используют в качестве энергоносителя, который воздействует на обра-батываемый материал. Пучок генерируется в электронной пушке. В пушке происходит эмиссия свободных электронов, их ускорение в электрическом поле, фокусировка и отклонение пучка с помощью магнитного и электриче-ского полей. Через выходное отверстие пушки пучок выводится в рабочую камеру, в которой размещены заготовки или материалы. Например, при плавке переплавляемый материал подают под пучок, а расплав стекает в ти-гель.

236

24.2. Формирование электронных лучей

Генерация электронного пучка и его беспрепятственное прохождение до объекта возможны только в высоком вакууме. Поэтому необходимо отка-чивать не только камеры фокусировки, но и рабочую камеру. В камере элек-тронной пушки устанавливают вакуум в пределах 10-2-10-4 Па, в рабочей ка-мере ~ 10-2 Па. В специальных случаях применяются электронные пучки с энергиями 150 кЭв и выше, работают при давлениях в рабочей зоне 1-100 кПа. Энергия пучка зависит от ускоряющего напряжения и тока пучка, от давления и рода газа.

Свободные электроны можно получить из твердого, жидкого и газооб-разного вещества. Эмиссия электронов из жидких сред в электронных пуш-ках не используется. Для получения электронов из газов используют элек-трические разряда и плазму низкого давления с низким разрядным напряже-нием, концентрированную магнитным полем. Техническое значение приоб-рела, прежде всего, эмиссия электронов из твердых веществ.

При осуществлении всех электронно-лучевых процессов электронный пучок используют в качестве энергоносителя, который в соответствующем виде воздействует на обрабатываемый материал. Пучок генерируется в элек-тронной пушке.

24.3. Электронные пушки

В основе электронно-лучевой технологии лежит использование элек-тронной пушки, схема которой представлена на рис. 24.1.

Электронной пушкой называется устройство, предназначенное для по-лучения свободных электронов, их ускорения, формирования в пучок и под-ведения пучка к объекту. Для получения свободных электронов служит эмиттер электронов.

Эмиттерами в электронных пушках служат накальные катоды из вольфрама, тантала, гексоборида лантана (LaB6), в которых достигается вы-сокая плотность тока при минимальных температурах катода.

237

Рис. 24.1. Схема электронной эмиссии в электронной пушке: К – катод, F , S – фокусирующий и управляющий электроды, А – анод

Электрический генератор состоит из катода, блока фокусировки (или

управляющих электродов) и анода. Блок фокусировки может иметь 1, 2 или несколько электродов с различными потенциалами. Электронный пучок, сформированный генератором, характеризуется параметрами фокусного пят-на, по которым рассчитывают необходимую энергию и другие параметры пучка. Для большинства процессов требуются фокусные пятна весьма малых размеров с высокими плотностями тока, которые превосходят плотности тока катодов. У генераторов с управляющим электродом ток пучка регулируют, изменяя напряжение управляющего электрода относительно катода при не-изменном ускоряющем напряжении. Поскольку управляющий электрод об-ладает еще и фокусирующими свойствами, вместе с током изменяются и па-раметры пучка в фокусном пятне. Многоэлектродные генераторы решают проблемы развязки управления и фокусировки.

В пушке происходит эмиссия свободных электронов, их ускорение в электростатическом поле, фокусировка и отклонение пучка с помощью маг-нитного и электрического полей. Через выходное отверстие пушки пучок вы-водится в рабочую камеру (рис. 24.2).

В ней размещены или в нее вводятся объекты электронно-лучевого процесса — заготовки или материалы. Например, при плавке переплавляе-мый материал подают под пучок, а расплавленный металл стекает в тигель или кристаллизатор. При напылении в рабочей камере наряду с устройствами для подачи испаряемого материала устанавливают приспособления для креп-ления и перемещения изделия, на поверхность которого производится напы-ление (подложки). Подобные устройства сугубо специфичны и соответству-ют конкретной задаче, для которой они предназначены.

238

Рис. 24.2. Поперечное сечение электронной пушки.

Показаны типичные траектории электронов, образующие кроссовер внутри анода

Взаимодействие молекул газа с электронами пучка при прохождении его от места эмиссии до рабочей зоны существенно зависит от давления и рода газа, от ускоряющего напряжения и тока пучка. При встрече электрон-ного пучка с веществом кинетическая энергия электронов пучка, взаимодей-ствующих с атомами вещества, в результате ряда элементарных процессов превращается в другие формы энергии. При плавке, сварке, испарении и тер-мической обработке используется возникающая при этом тепловая энергия. При нетермической обработке и других процессах химической электронно-лучевой технологии столкновения электронов пучка с атомами и молекулами возбуждают и ионизируют последние, вызывая, как следствие, химические реакции между ними. Такие же процессы лежат в основе электронно-лучевой стерилизации, в результате которой умерщвляются биологические системы. Эти эффекты воздействия электронного пучка на вещество и определяют об-ласти электронно-лучевой технологии.

Электронная пушка предназначена для формирования электронного луча требуемой цилиндрической формы, на который затем оказывают воз-действие другие элементы электронно-оптической колонны. Детали конст-рукции электронных пушек применяемых в ЭЛУ могут различаться; однако

239

они строятся по схеме рис. 24.1. Пушка содержит источник электронов, или эмиттер, два или более электродов, находящихся под различными электриче-скими потенциалами. Обычно заземленный анод разгоняет электроны до ко-нечной скорости при движении от катода, находящегося под отрицательным потенциалом, соответствующим требуемой энергии носителей заряда. На-значением электрода Венельта, потенциал которого близок к потенциалу эмиттера, является придание силовым линиям (особенно у заостренного кон-ца эмиттера) такой формы, чтобы, во-первых, интенсивность поля у эмиттера соответствовала требуемому значению и, во-вторых, чтобы электронный луч направлялся в апертуру анода. Луч может оказаться сходящимся, как показа-но на рис. 24.2, так что внутри анода образуется кроссовер.

Для получения в параксиальной области системы луча с высокой плот-ностью тока пушка должна обеспечивать большую яркость. Это означает, что плотность тока у эмиттера должна быть большой, а площадь эмиттера — ма-лой. В качестве источников электронов применяют эмиттеры трех типов. В сканирующих электронных микроскопах и некоторых электронно-литографических системах используют точечный эмиттер из вольфрамовой проволочки, изогнутой таким образом, что конец эмиттера имеет малый ра-диус закругления и, следовательно, малую площадь. Проволочка нагревается до температуры примерно 2800 К при пропускании через нее электрического тока. При этом возникает термоэмиссия электронов. Работа выхода катодов такого типа составляет 4,6 эВ, плотность тока эмиссии — примерно 10 А/см2 при Т = 3000 К, что соответствует яркости около 5•104 А/см2. Срок жизни ни-тевидных эмиттеров обычно равен 10 – 50 ч. Несмотря на то, что их механи-ческая прочность далека от идеальной (например, они имеют тенденцию вибрировать и изменять положение в пространстве), устойчивость самого процесса эмиссии (т. е. равномерность и постоянство плотности тока эмис-сии) гораздо выше, чем у других, более ярких источников электронов. Эмит-тер с повышенной яркостью выполняется в виде стержня из гексаборида лан-тана (LaB6), конец которого имеет острие с радиусом закругления 1 - 10 мкм. Работа выхода LaB6 составляет примерно 2,4 эВ, что значительно меньше, чем у вольфрама, следовательно, эмиттер из LaB6 может обеспечить сравни-мую плотность тока эмиссии при меньшей температуре.

Типичные эмиссионные характеристики лантановых эмиттеров: плот-ность тока эмиссии 100 А/см2 при Т = 2000 К, яркость - порядка 106 А•см-2 • ср -1 при радиусе закругления острия 10 мкм. Эмиттеры из LaB6 широко при-меняются в настоящее время в электронно-литографических системах, рабо-

240

тающих с высокими токами луча. Эмиттеры этого типа более чувствительны к остаточному давлению газа в пушке, а для их длительной работы необхо-дим хороший вакуум (10-4 Па и выше). В таких условиях срок службы эмит-теров обычно составляет несколько сотен часов.

К третьему классу источников электронов относятся полевые эмитте-ры. В простейшем виде такой эмиттер представляет собой заостренный вольфрамовый стержень (или проволоку, остро заточенную посредством электролитической полировки).

Конструкция пушки и особенности конфигурация электрода Венельта таковы, что у острия эмиттера, имеющего радиус закругления 0,1 – 1 мкм, напряженность электрического поля составляет около 3•107 В/см . Плотность тока при этом превышает 102 А/ см2, а яркость достигает 108 А•см-2 •ср-1 Можно, конечно, разогреть полевой эмиттер, облегчив тем самым выход из него электронов (по сравнению с действием только поля). В этом случае го-ворят о термополевой эмиссии. В таких условиях может работать любой эмиттер – как вольфрамовый, так и из LaB6. Однако наилучший результат да-ет применение вольфрамового катода, покрытого цирконием, работа выхода которого невелика (2,6 – 2,8 эВ). Как было показало, такой эмиттер может обеспечить плотность тока эмиссии до 107 А/ см2 и яркость 109 – 1010 А•см-2

•ср-1 при Т = 1400 К. Эмиттер такого типа работает устойчивей катодов дру-гих типов в условиях высокого вакуума, т. е. при давлении менее 2•10-6 Па.

Поскольку чувствительность тока полевой эмиссии к изменениям на-пряженности электрического поля и, следовательно, анодного напряжения велика, то в пушках с полевым эмиттером часто устанавливают два анода. Один из них определяет ток эмиссии, а второй – полную энергию луча.

24.3. Параметры электронного пучка

Электронный луч, генерируемый пушкой с полевым эмиттером, имеет обычно кроссовер с малым или нулевым (луч сходится в точку) диаметром. В этом случае для формирования электронного пятна необходимо применять увеличивающую электронную оптику, причем на мишень проецируется изо-бражение мнимого источника электронов.

При использовании ЭЛУ в производстве ИС очень важно, чтобы ток и положение луча были стабильны во времени. Очевидно, что для выполнения этих требований в высшей степени стабильно должны работать высоко-

241

вольтные источники питания и нагреватель. Кроме того, изменения темпера-туры, давления и состава окружающей среды могут влиять на работу выхода эмиттеров, изготовленных из композиционных материалов LaB6 и W/Zr. Как и любая другая поверхность вещества с малой работой выхода, эмиттирую-щие грани поликристаллического эмиттера из LaB6 чувствительны к локаль-ным загрязнениям, наличие которых увеличивает работу выхода. В результа-те ухудшаются равномерность и стабильность потока электронов. В некото-рых применениях от ЭЛУ требуется высокая пространственная равномер-ность луча, освещающего, например, апертуру, изображение которой про-ецируется на мишень. В таких случаях для обеспечения равномерности пото-ка электронов целесообразней всего использовать вольфрамовый эмиттер, хотя он имеет меньшую яркость. Сдвиг конца эмиттера относительно элек-трода Венельта в направлении, не совпадающем с осью системы, может при-вести к поперечному сдвигу пятна на мишени, а сдвиг в направлении оси системы — к изменению тока эмиссии и траекторий электронов. Например, сдвиг эмиттера от оси системы всего лишь на 25 мкм серьезно нарушит по-ложение электронного пятна. Высокая рабочая температура способствует ис-парению посторонних загрязнений, что может вызвать электрический пробой и накопление зарядов в элементах колонны. Термические напряжения также приводят к смещению эмиттера.

Найдено, например, что коэффициент сферической аберрации Сs = 0,4 – 0,7 мм, зависит от формы поверхности электрода Венельта. В пушках неко-торых конструкций кроссовер луча расположен внутри или очень близко от пушки, как показано на рис. 24.2; в других вариантах конструкции луч полу-чается расходящимся и не имеет кроссовера.

Другим важным параметром электронно-оптических колонн является распределение энергий электронов в луче. Большой разброс значений энер-гии приводит к увеличению размера пятна мишени вследствие хроматиче-ской аберрации в фокусирующих линзах. Разброс энергий для проволочного вольфрамового катода составляет примерно 1,6 – 3 эВ, для катода из LaB6 – около 2 – 3 эВ и для вольфрамового полевого катода – 0,22 эВ. Разброс энер-гий электронов для W/Zr-эмиттера не превышает 0,9 эВ. Причиной различия энергий электронов обычно является неоднородность свойств поверхности эмиттера, т.е. электроны, испускаемые микроскопическими площадками с различной работой выхода, после ускорения будут иметь несколько иное значение энергии по сравнению с остальными электронами.

242

Имеется еще одна причина значительного разброса энергий электронов в луче: вследствие хроматических аберраций линз этот разброс ограничива-ет минимальный размер электронного пятна. В областях с высокой плотно-стью энергии, например в кроссовере, кулоновское взаимодействие между электродами стимулирует обмен энергий между ними. В результате множе-ства взаимодействий происходит увеличение разброса энергий. Это явление называют эффектом Боэрша. Разброс энергий пропорционален выражению:

Jr0

2eU00.50.51+kTbeU0

2-0.25 где Tb – температура электронов в луче. Если второй член в фигурных скоб-ках мал, выражение упрощается до Br00.5U0

0.25, где B – яркость пушки, a r0 – радиус кроссовера.

Таким образом, при повышении яркости с целью увеличения произво-дительности установки необходимо уменьшать диаметр кроссовера с тем, чтобы разброс энергий электронов не превышал допустимых пределов. В си-лу того, что это разбросы энергий, обусловленные эффектом Боэрша, неоди-наковым нагревом катода и неравномерным распределением работы выхода по площади эмиттера, не зависят статистически друг от друга, общий раз-брос равен квадратному корню из суммы квадратов этих величин.

24.4. Взаимодействие электронного потока с поверхностью твердого тела

В веществе движение ускоренных электронов сопровождается их рас-сеянием, в результате чего изменяются траектории движения, и происходит торможение электронов (рис. 24.3). В результате упругих столкновений элек-тронов с атомами вещества в основном изменяется их импульс. Средняя энергия, передаваемая атому с массой М при столкновении с электроном, имеющим энергию Е0 равна:

Еф=Е0*[4*m*M/(m+M)2]*Sin2(/2);

Еф Е0*(4*m/M)*(2/4),

где m - масса электрона; - угол рассеяния.

243

Доля энергии, передаваемая при упругом столкновении быстрых элек-

тронов с атомами Еф /Е0 имеет порядок 10-9 – 10-10. Это позволяет пренебре-гать потерями энергии при упругом рассеянии быстрых электронов. Быстрые электроны имеют скорость больше орбитальной скорости электронов атома. Но если энергия сталкивающихся с атомами электронов мала, то есть их ско-рость меньше орбитальной скорости электронов, то в этом случае говорят об изотропном или диффузионном рассеянии. Потери энергии электронами в основном связаны с неупругими столкновениями, в результате которых происходит ионизация и возбуждение атомов, диссоциация молекул и воз-буждение коллективных колебаний в электронной плазме.

Для медленных электронов вводится понятие удельных энергетических

потерь электрона в данном веществе Е/ S, которые описываются уравне-

нием Бете (модель непрерывно-ионизационных потерь):

Е/ S=N*e

4*Z/(2*д*E)*ln(2*E/J),

где N – концентрация атомов вещества (N~ 1028-1029м –3); е – заряд

электрона; д – диэлектрическая проницаемость; J ~13,52 – средняя энергия

ионизации атома, эВ; Z – порядковый номер элемента.

Из формулы видно, что торможение электронов атомами пропорцио-нально концентрации всех NZ электронов, принадлежащих этим атомам. Об-ладая массой, гораздо меньшей, чем атом или молекула, электрон при каж-дом столкновении отдает очень малую долю своей энергии. Поэтому для полной передачи энергии требуется большое число столкновений, глубину проникновения электронов пучка принимают как расстояние по нормали от поверхности, когда электрон полностью теряет свою энергию. Глубина про-никновения электронов зависит от напряжения, ускоряющего электроны. На-пример, для стали при Uв = 10 кВ R = 0,27 мкм, а при Uв = 100 кВ R = 27 мкм. Следовательно, энергия электронного пучка преобразуется внутри очень тонкого поверхностного слоя мишени. При этом мощность поглощения энер-гии веществом максимальна на расстоянии 1/3 глубины проникновения элек-тронов, а затем спадает до 0. Однако вызываемая ею разность температур быстро выравнивается под действием теплопроводности. Из-за рассеяния электронов при столкновении объем, в котором происходит преобразование энергии, оказывается большим, чем диаметр пятна.

244

Для практики интересна глубина проникновения электронов в веще-ство в направлении нормали к поверхности, т.е. это средний проективный пробег электронов. По формуле Томпсона:

R = E0

2(•b1),

где - плотность вещества; b1 – константа торможения.

b1 ~(2,1-2,5) •10-6кЭв•ч-1•см2

Наиболее точным методом расчета индивидуальных траекторий элек-тронов в веществе является статистический метод Монте-Карло, основанный на моделировании на ЭВМ с применением генератора случайных чисел.

У технологических электронно-лучевых установок ускоряющее напря-жение обычно лежит в пределах 10 – 150 кВ, при этом электроны ускоряются до 0,2 – 0,6 скорости света. В зоне встречи пучка с объектом кинетическая энергия электронов превращается в тепловую или энергию взаимодействия атомов. Часть электронов отражается и рассеивается поверхностью объекта (рис. 24.3). В результате возникают: вторичные электроны, тепловые элек-троны и рентгеновское излучение. Возникающее тепло повышает температу-ру в зоне действия пучка.

Отражение и рассеяние электронов являются вредными явлениями. Рентгеновское излучение отрицательно влияет на организм, поэтому приме-няют экранирование, которое может существенно повлиять на габариты ус-тановки. Для этого проводят расчет устройств, экранирующих рентгеновское излучение в зависимости от его интенсивности и материала экрана.

При ускоряющих напряжениях 20 – 60 кВ толщины стальных стенок прибора оказывается достаточно для защиты, однако необходимо избегать сквозных отверстий в приборе. В смотровых окнах обычно применяют свин-цовые стекла. При больших напряжениях установку обкладывают листами свинца или помещают в бетонный корпус.

245

Рис. 24.3. Виды излучений при взаимодействии электронного пучка с поверхностью

Эмиссия вторичных электронов и термоэлектронная эмиссия практиче-ски не играют роли в балансе энергии электронно-лучевого процесса. Теряе-мая из-за них мощность не превышает 1% мощности электронного пучка.

Из-за отражения электронов в процессе теряется значительная энергия, например для стали потери составляют 25 %, а для вольфрама 38 %. Энергия отражения увеличивается с увеличением атомного номера элемента, т.е. мо-лекулярной массы элемента.

Вопросы к лекции 24

1. В чем сущность ЭЛТ? 2. Достоинства ЭЛТ? 3. Как формируются электронные пучки? 4. Устройство электронных пушек? 5. Каковы параметры электронного пучка? 6. Взаимодействие электронного потока с поверхностью твердого тела? 7. Виды излучений и защита от излучений в ЭЛТ? 8. Рассеяние энергии электронного пучка? 9. Что такое кроссовер? 10. Какова роль ускоряющего напряжения?

246

Лекция 25

МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 10. Электронно-лучевая технология

План лекции

1. Эпитаксиальный рост пленок из молекулярных пучков 2. Процесс нанесения покрытия 3. Скорость испарения 4. Управление процессом

25.2. Эпитаксиальный рост пленок из молекулярных пучков

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии основан на использовании электронно-лучевой технологии для распыления материала мишеней. Элек-тронно-ионная технология – это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками электронов, ионов, плазмы нейтральных газов.

Простота и широкий диапазон управления энергоносителями позволяет использовать электронно-ионные пучки для автоматизированных гибких производств. Несмотря на высокую стоимость технологического оборудова-ния, и относительную сложность его обслуживания, так как современные производства требуют наукоемкого оснащения, электронно-лучевая техноло-гия занимает все более важные позиции в электронике.\

Свойства покрытий зависят от многих факторов, которые либо опреде-ляются конструкцией установки, либо измеряются и поддерживаются с по-мощью регулирующих устройств.

Скорость конденсации определяется свойствами самой установки. Для поддержания постоянства мощности пучка, допустимые отклонения уско-

ряющего напряжения UB/UB 1-2%, по току JB/JB 1%.

Ток линзы, токи отклоняющих линз, токи устройств программной раз-вертки должны быть регулируемыми. Они определяют удельную мощность

247

по поверхности испарения. Системы регулирования мощностью до 15 кВт часто основаны на изменении скорости конденсации кварцевыми монитора-ми. Системы регулирования можно строить с применением ионизационных вакуумметрических датчиков, которые используют ионный ток в качестве входного сигнала системы регулирования.

Ионное плакирование относится к электронно-лучевой технологии и представляет собой метод вакуумного нанесения покрытий при воздействии ионов пара или газа-носителя. Ионная бомбардировка поверхности подложки приводит к протеканию ряда элементарных процессов, в результате отдачи ионами энергии или импульса.

Эти процессы приводят к изменению свойств слоя. Ионы обуславли-вают концентрирование дефектов, так как распыляют материал подложки и слоя конденсата. В результате поверхность активируется. Часть ионов, от-давших энергию и заряд, внедряется в слой. Электронный пучок одновре-менно используется и как источник энергии для создания пара, и как средст-во его ионизации.

Оборудование и приборное оснащение устройства для ионного плаки-рования находятся еще в стадии разработок. Но в ряде областей их промыш-ленное применение уже началось, например, нанесение жаростойких, твер-дых, коррозионно-стойких и износостойких покрытий на поверхность дета-лей моторов и турбин, а также инструментов.

Артур и Лепор показали, что GaAs можно выращивать эпитаксиально на родной подложке, направляя на нее пучки Ga и As одновременно. Однако, если коэффициент прилипания галлия близок к единице, то для мышьяка он зависит от степени заполнения поверхности галлием. На чистом галлии он стремится к единице, а на другой поверхности близок к нулю. Поэтому необ-ходимо обеспечить достаточную интенсивность пучка As2.

В ультравысоковакуумной системе (Р10-8 атм.) подложка располагает-

ся на молибденовом нагревателе так, чтобы ее можно было исследовать ме-тодом дифракции быстрых электронов во время роста слоев. Для этого на на-гретую поверхность подложки направляли молекулярные пучки из электрон-ной пушки мощностью 10-5- кЭв.

ДБЭ – картины отражались на флуоресцентном экране. Квадрупольный масс-спектрометр контролирует состав остаточной атмосферы и интенсив-ность пучков. Во время роста соотношение атомов А и В на поверхности об-разца можно менять, изменяя, таким образом, интенсивности пучков. На-

248

правляя на растущую поверхность молекулярный пучок легирующей добав-ки, можно легировать эпитаксиальные слои.

GaAs обычно легируют Ca, Zn, Te, Si, Ge. Пленки были р-типа в атмосфере О2 и п-типа в атмосфере Н2 (N2, He,

Ar не дают заметного эффекта). Относительно высокие температуры и низкие скорости роста улучша-

ют кристаллическое совершенство пленок. Низкие скорости роста также уменьшают взаимодействие пленки с подложкой.

25.2. Процесс нанесения покрытия

Процесс нанесения покрытия требует правильного выбора параметров: мощности электронного пучка (Р), скорости испарения, распределения плотности потока и обеспечения стабильности параметров потока пара.

Для того, чтобы получить в электронном пучке мощность Р0, мощ-ность устройства Р должна учитывать потери энергии в источниках питания и накала катода и в электронно-оптических узлах РЕ.

Р = Р0 +� РЕ

Пучок на своем пути до материала теряет часть своей энергии при рас-сеянии в газе, в облаке пара и при встрече с материалом вследствие различ-ных вторичных эффектов. Суммарная мощность этих потерь �РF

Р0 +� РF = PQ,

где: РQ – мощность потока, преобразовавшаяся в тепловую. Вследствие тепловых потерь в расплаве ��РW, лишь часть РQ является

полезной (PV)

PV = PQ -� РW = Р0 +� РF - РW = P -� РЕ - РF - РW

Полезная мощность PV вызывает увеличение внутренней энергии ис-паряемого материала до того уровня, который необходим для создания по-тока пара.

Из баланса мощностей следует, что лишь часть мощности электронно-го пучка, подводимого к материалу, используется для создания потока пара.

249

Использование энергии в процессе испарения характеризуется тепловым

КПД (t) – отношение полезной мощности PV к мощности пучка.

t =PV/P0.

Общий эффективный КПД процесса (tw) учитывает, и коэффициент

использования материала km, показывающий какая часть пара конденсирует-ся на подложке:

tw = km*PV/P0;

Высокий тепловой КПД достигается благодаря высокой температуре

поверхности испарения. Например для Al при ТV = 1700 K,�t = 0,5, a tw =

0,2, поскольку km =40 %. Наряду с КПД важной характеристикой процесса является удельный расход энергии Ем, равный отношению мощности элек-тронного пучка P0 к требуемой скорости испарения.

Eм = Р0/аv.

Так как энергосодержание пара в потоке:

Aмv = PV/av, то t = amv/am.

С увеличением мощности удельный расход энергии Еm снижается. Это

объясняется относительным снижением потерь излучением. Однако, при высокой удельной мощности высока плотность пара и по-

терь в нем. Это кладет предел дальнейшему снижению удельного расхода энергии до значения

Еmv = 3,5 Квтч/кг.

Устройства с высоким КПД имеют более простые системы охлажде-

ния и низкие тепловые нагрузки на подложки и ниже нагрузка на вакуум-ную систему вследствие уменьшения газоотделения от деталей.

250

25.3. Скорость испарения

Так как скорость испарения экспоненциально зависит от температуры (уравнение Ленгмюра), то с увеличением удельной поверхностной мощности пучка, скорость испарения возрастает. При мощности в пучке Р0, удельная поверхностная мощность PF = P0/d

2, т.е. увеличения РF можно достичь, сни-жая диаметр пучка и делая его фокусировку более острой. При оптимальной фокусировке, скорость испарения возрастает с мощностью до тех пор, пока не начинают проявляться потери в облаке пара (затраты энергии на рассеяние пучка, ионизацию, возбуждение). Но более существенны другие ограниче-ния: искривление поверхности расплава, его разбрызгивание. С возрастанием удельной поверхностной мощности, т.е. давления пара, увеличивается глуби-на h мениска.

В грубом приближении

h = 102Pd/�,

где: - плотность вещества, Pd – давление пара.

Мениск влияет на распределение плотности потока пара. При большой

глубине мениска скорость испарения может снизиться из-за эффекта дымо-вой трубы. Если углубление, заполненное паром периодически закрывается, то может произойти разбрызгивание расплава. Чтобы достичь высокой ско-рости испарения без разбрызгивания, систему настраивают на малый диаметр пучка dF и применяют программную развертку пучка по поверхности распла-ва (покачивание пучка), пучок перемещают в направлении Х и Y. Для раз-вертки применяют синусоидальные напряжения. Потери тепла при работе в режиме развертки выше, чем в стационарном режиме, так как увеличивается поверхность нагрева. Применение высокой частоты развертки (несколько со-тен Гц), дает равномерную температуру нагреваемой поверхности.

Скорость испарения, в этом случае, аналогична скорости испарения при расфокусировке пучка на длину L.

Определяющим параметром для скорости испарения является удельная поверхностная мощность в рабочем пятне пучка. Независимо от мощности установки (во всем диапазоне 3 – 250 кВт), для целей испарения применяют удельные поверхностные мощности PF = 108 – 109 Вт/м2.

251

Основные характеристики процесса испарения представлены в табл. 25.1.

Таблица 25.1 Основные характеристики процесса испарения

Испаряемый материал

P0 кВт

Av кг/ч

ak мкм/ мин

eм кВт•ч/ кг

Испаритель

Нержавеющая сталь + 20% Сr

70 4,17 125 16,5 Водоохлаждае-мый тигель диа-метром 100 мм

SiO2 25 - 150 30,5 -

Al 250 46,0 1200 5,4 Керамический тигель 500х500

мм

Независимо от мощности установки (во всем диапазоне 3 – 250 кВт),

для целей испарения применяют удельные поверхностные мощности PF = 108 – 109 Вт/м2. Применяя программную развертку, пучок распределяют по поверхности, большей площади рабочего пятна в соотношении 10:1 – 50:1. Размер тигля и программу развертки выбирают исходя из требуемой скоро-сти испарения и распределения плотности потока пара. В тиглях больших размеров достигается большие скорости испарения, чем в малых, т.к. сни-жаются тепловые потери, характерные для малых водохлаждаемых тиглей (в них целесообразно использовать тепловые вставки).скорость испарения мак-симальна при полном тигле, в ходе процесса она снижается. Степень запол-нения тигля влияет на распределение плотности потока пара. Поэтому необ-ходима подпитка тигля материалом.

25.4. Управление процессом

Скорость конденсации определяется свойствами самой установки. Для поддержания постоянства мощности пучка, допустимые отклонения уско-

ряющего напряжения UB/ UB = 1 – 2 %, по току JB/ JB = 1 %. Ток линзы,

токи отклоняющих линз, токи устройств программной развертки должны быть регулируемыми. Они определяют удельную мощность по поверхности

252

испарения. Системы регулирования мощностью до 15 кВт часто основаны на изменении скорости конденсации кварцевыми мониторами. Системы ре-гулирования можно строить с применением ионизационных вакуумметриче-ских датчиков, которые используют ионный ток в качестве входного сигнала системы регулирования.

Вопросы к лекции 25

1. Дайте определение электронно-ионной технологии. 2. Как достичь высокой скорости испарения без разбрызгивания распла-

ва? 3. Используется ли в производстве ионное плакирование? Если да, то в

каких областях. 4. Какие параметры влияют на улучшение кристаллического совершен-

ства пленок? 5. Какие химические элементы используют для легирования GaAs? 6. Перечислите параметры, которые необходимо соблюдать при нанесе-

нии покрытий. 7. Благодаря чему достигается высокий тепловой КПД? Укажите при-

мер. 8. Укажите основные характеристики процесса испарения. 9. Исходя из каких параметров выбирают размер тигля и программу раз-

вертки? 10. Для чего необходима подпитка тигля материалом?

253

Лекция 26

ИОННОЕ ПЛАКИРОВАНИЕ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 10. Электронно-лучевая технология

План лекции

1. Сущность метода ионного плакирования 2. Взаимодействие потока пара и потока ионов 3. Устройства для ионного плакирования

26.1. Сущность метода ионного плакирования

Ионное плакирование представляет собой метод вакуумного нанесе-ния покрытий при воздействии ионов пара или газа-носителя. Ионная бом-бардировка поверхности подложки приводит к протеканию ряда элементар-ных процессов, в результате отдачи ионами энергии или импульса. Эти про-цессы приводят к изменению свойств слоя.

Ионы обуславливают концентрирование дефектов, так как распыляют материал подложки и слоя конденсата. В результате поверхность активиру-ется. Часть ионов, отдавших энергию и заряд, внедряется в слой. Так как ионное плакирование проводится в невысоком вакууме, то происходит газо-вая адсорбция и реакция взаимодействия газа с ионами.

Энергетическая активация поверхности соответствует более высокой температуре конденсации ТК, чем та, которая обусловлена средней темпера-турой подложки TS. Следствием этого является увеличение подвижности конденсирующихся частиц и увеличение скорости их диффузии.

Энергия частицы пара при температуре испарения 2000 К составляет 0,2 эВ. Средняя энергия ионов при ионном плакировании находится в пре-делах 50 – 5000 эВ. Подбором оптимального отношения потока ионов и мо-лекул пара nи/nп можно изменять энергию потока на несколько порядков. Для достижения высоких значений энергии потока, ионизирующие устрой-ства необходимо выполнять так, чтобы они обеспечивали большие отноше-

254

ния nи/nп. Границу здесь ставят явления вторичного распыления (слоя и под-ложки) и рост тепловой нагрузки на подложку. При этом скорость вторично-го распыления обратно пропорциональна разности потнциалов между под-

ложкой и испарителем UB

as/aк = �А(kUB),

где aк – скорость конденсации. В уравнении А - мера энергетической активации поверхности.

�А= ( Е1 + ЕD)/ ЕD,

где: Е1 – энергия, приносимая ионами; ЕD – энергия, конденсирующихся молекул пара. Это отношение показывает, во сколько раз энергия конденсации с уча-

стием ионов больше, чем энергия обычной конденсации. Таким образом, приведенные энергетические соотношения поддаются измерению весьма простыми средствами.

При ионном плакировании изменяются механизмы захвата, образова-ния и роста центров кристаллизации. Это влечет изменение морфологии слоя, ориентации и структуры его, а также стехиометрии и топографии по-верхности.

Образование промежуточных смешанных слоев из распыленного ма-териала подложки и слоя, повышенная энергия связи активных центров обу-славливает повышенную прочность сцепления слоев. Появляется возмож-ность использовать комбинации подложки и покрытия с различными коэф-фициентами температурного расширения и адгезионными свойствами и т.д. Повышенная прочность сцепления обеспечивает возможность получения толстых слоев.

Участие ионов в конденсации слоя, сопровождается процессами внут-реннего рафинирования, т.е. повышают чистоту слоя.

Вторичное распыление и адсорбция газа могут явиться причиной по-вышенной плотности центров кристаллизации (конденсации), что приводит к образованию мелкозернистых структур слоя. Эти же факторы изменяют характер роста зерен, например от столбчатого к изотропному или равно-весному. Наблюдалась также рекристаллизация под действием ионов.

255

Захват потоком ионизированного газа и повышенная энергия активи-рованных центров позволяют направленно внедрять легирующие компонен-ты. Таким путем можно добиться внедрения нерастворимых компонент, на-пример, Не в Au или Р и Zn в Селенид Zn. Внедрение компонент посредст-вом подачи ионов I во время конденсации пара II называется интеркристал-лической ионной имплантацией. Ионы стимулируют химические реакции в газовой фазе, что позволяет получать химические соединения в покрытии.

Рассеяние в газе и вторичное распыление, в особенности на углах и краях, (вследствие соответствующей конфигурации электрического поля), служат причинами высокой степени покрытия подложек и малой пористо-сти. Так как при ионном плакировании ТК (температура конденсации) по-вышается по сравнению с TS (температура подложки), открываются возмож-ности нанесения покрытий из тугоплавких материалов на подложки с низкой температурой испарения. Ионное плакирование изменяет и другие свойства конденсирующихся покрытий, например плотность, электрическая проводимость, вязкость, твердость, прочность на растяжение, истирание, оптический коэффициент преломления. Работа ионизирующего источника, во время процесса нанесения по-крытий, открывает новый более сложный механизм конденсации и новую отрасль электронно-лучевой технологии. Ионный поток позволяет прово-дить предварительную очистку поверхности подложки. Отпадает необходи-мость в непрерывном подогреве подложки т.к. она нагревается ионным то-ком. Может потребоваться только охлаждение подложки.

Ионизирующие устройства работают и в высоком вакууме и в рассе-янном газе с давлением 0,01-10 Па, что требует менее дорогостоящих ваку-умных систем.

Недостатками ионного плакирования являются: а) пониженная скорость конденсации, что связано с рассеянием и вто-

ричным распылением; б) снижение коэффициента использования материала; в) сложность контроля процесса.

Для небольшой подложки плотность потока пара и ионов можно при-

нять постоянными.

256

26.2. Взаимодействие потока пара и потока ионов

Классическая схема ионного плакирования, осуществленная в наибо-лее раннем и простом устройстве, представляет собой заряженную отрица-тельным потенциалом, в несколько тысяч вольт, подложку, заземленный ис-паритель и газ носитель, например Ar. Между подложкой и испарителем вследствие разности потенциалов возникает газовый разряд и на подложку устремляется поток пара и ионов (рис. 26.1).

Рис. 26.1. Схема ионного плакирования В реальных технических установках с несколькими испарителями и

большими подложками, ионное плакирование называют перемеживающим-ся и подложку периодически перемещают из одной зоны в другую. Зоны по-токов пара и ионов пространственно разделяют (рис. 26.2).

За каждый период в паровой зоне слой наращивается на толщину dV.

При перемещении через зону действия ионов происходит энергетическая ак-тивация слоя и частичное его распыление, и т.д.

Схемы перемеживающегося ионного плакирования различны: а) вращающийся барабан с подложками, источник пара и источник ионов

(рис. 26.3, а); б) вращающийся барабан с подложками, источник пара и газовый разряд

по всей поверхности барабана (рис. 26.3, б); в) движущаяся лента или пластина над испарителем с большой поверхно-

стью (рис. 26.3, в).

257

Рис. 26.2. Плакирование с разделенными источниками пара и ионов

а б в

Рис. 26.3. Схемы перемеживающегося ионного плакирования

26.3. Устройства для ионного плакирования

Для достижения высокой скорости роста слоев установки ионного плакирования оснащены электронно-лучевыми испарителями. Электронный пучок одновременно используется как источник энергии для создания пара, так и как средство его ионизации. Однако достижимая при этом плотность ионного потока слишком мала. Поэтому дополнительно используется специ-альный источники ионов. Для создания потока ионов пара и газа носителя может служить:

а) газовый разряд постоянного тока между испарителем и подложкой. Ионизаторами служат как сам электронный пучок, так и плазма, образую-щаяся в межэлектродном промежутке. Увеличения плотности ионного пото-ка можно добиться, помещая тигель в осевое магнитное поле. При этом до-полнительной ионизации подвергаются медленные вторичные электроны;

258

б) пар и газ носитель можно также ионизировать посредством высоко-частотных разрядов, разрядов с полым катодом, дополнительным горячим катодом;

в) применение устройства с кольцевой разрядной щелью – планарного плазматрона, позволяет получить плотности ионного тока 100 мА/ см2 и выше. Однако плазматрон характеризуется неоднородностью разряда, по-этому его используют для перемеживающегося ионного плакирования. Обеспечивает высокую скорость и широкий диапазон давлений газа в каме-ре.

В отношении оборудования и приборного оснащения устройства для ионного плакирования находится еще в стадии разработок. Но в ряде облас-тей их промышленное применение уже началось, например, нанесение жа-ростойких, твердых, коррозионно и износостойких покрытий на поверхность деталей моторов и турбин, а также инструментов.

Вопросы к лекции 26

1. Что представляет собой ионное плакирование? 2. Что необходимо выполнить для достижения высоких значений энер-

гии потока? 3. Какие изменения происходят при ионном плакировании? 4. Что является причинами высокой степени покрытия подложек и ма-

лой пористости?

5. Укажите достоинства ионного плакирования? 6. Укажите недостатки ионного плакирования? 7. Как может повлиять вторичное распыление и адсорбция газа при ион-

ном плакировании? 8. Зарисуйте схему ионного плакирования. 9. Укажите различия перемеживающегося ионного плакирования 10. Что служит для создания потока ионов пара и газа носителя?

259

Лекция 27

ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ

Модуль 4. Современные технологии микро- и нраноэлектроники

Тема 10. Электронно-лучевая технология

План лекции

27.1. Электронография 27.2. Рентгенография 27.3. Совмещение слоев 27.4. Изотропное и анизотропное травление

Лучевые методы литографии представляются перспективными для уп-

рощения технологического процесса, внедрения комплексной автоматизации

производства микросхем. Лучевые методы, используемые для формирования

рисунка, включают:

электронолитографию;

рентгенолитографию;

метод лучевой термической обработки.

Методы непосредственного воздействия на тонкопленочную структуру

электронными, лазерными, ионными пучками позволяют отказаться от фо-

тошаблонов и фоторезистов, т. к. в этом случае используются пучки с высо-

кой плотностью энергии, достаточной для термического испарения материа-

ла. Для термического испарения используются жесткие режимы (> 106 Вт/

см2) и τобр.≈ 1 мкс. Этот метод в основном используется для подгонки тонко-

пленочных резисторов. Применение его для формирования рисунка микро-

схемы пока ограничено в связи с недостаточным исследованием влияния из-

лечения на микроструктуру пленки и подложки и возможностью возникно-

вения дефектов при термических ударах.

Применение ионных пучков предотвращает появление дефектов в

пленке, т.к. процессы не термические. Ионные пучки имеют большую плот-

260

ность объемного заряда, что приводит к некоторому расширению ионных

пучков. Минимальный диаметр электронных пучков 200 мкм при токе Ј >10-4

А, достаточном для испарения материала пленки. Одной из основных задач в

фотолитографии ионными пучками является создание ионных источников с

высокой плотностью тока.

27.1. Электронография

Электронография использует для экспонирования электронный луч

вместо видимого или УФ. Длина волны электронного луча на несколько по-

рядков меньше, чем светового. При этом даже на субмикронных структурах

не возникает дифракционных эффектов. Большие энергии электронных пуч-

ков экспонируют специальные чувствительные слои – электронорезисты, на-

пример полиметилметакрилат. На нем можно получать линии шириной 0,1

мкм при нечеткости края 300 Ǻ. Для электронографии используются и обыч-

ные фоторезисты. Механизм экспонирования электронным лучом и светом

одинаков.

Главное преимущество электроннолитографии в возможности управ-

ления электрическим лучом и простотой стыковки электроннолучевой уста-

новки с ЭВМ. Это позволит отказаться от фотошаблонов и легко перестраи-

ваться с одной схемы на другую. Экспонирование электронным лучом может

осуществляться двумя методами:

1. сфокусированным сканирующим лучом;

2. экспонированием всей системы широким пучком электронов.

При первом методе параметры пучка – плотность тока, ускоряющее

напряжение, диаметр – должны обеспечить необходимую дозу облучения и

минимизировать тепловые воздействия пучка.

Время обработки при экспонировании сканирующим лучом прямо

пропорционально дозе облучения Q, Кл/ см2 и площади обработки Sобр. и об-

ратно пропорционально плотности тока в пучке J, А/ см2 и площади луча Sл:

T = (QSобр.) / (JSл),

при J = 1 А/см2, Sл = 0,1 мкм, t = 60 мкс.

261

Время обработки резко возрастает при уменьшении диаметра пучка,

т.к. при этом плотность тока тоже снижается. При проекционной электроно-

графии широкий электронный пучок проходит через шаблон и воспроизво-

дит его изображение на подложке покрытой, электронорезистом. Достоинст-

вом этого метода является высокая разрешающая способность. При больших

размерах элементов на фотошаблоне за счет их уменьшения в плоскости

подложки можно получить изображение в десятки ангстрем.

Перспектива метода электронографии состоит в создании многолуче-

вых установок с остро фокусированными пучками.

27.2. Рентгенолитография

Рентгеновская литография обеспечивает изготовление многослойных

структур с размерами элементов 0,05 - 0,5 мкм. В этот диапазон входит 0,25;

0,13 и 0,08-технологии. Основу рентгеновской литографии составляют прин-

ципы контактной или бесконтактной печати при использовании для экспони-

рования низкоэнергетического (1-10В) рентгеновского излучения. При этом

пренебрежительно малы явления дифракции, свойственные ФЛ и явления

обратного рассеяния при ЭЛ-литографии. Система рентгеновской литогра-

фии состоит из рентгеновской установки для экспонирования, системы со-

вмещения шаблона с подложкой; прецизионного шаблона.

Рентгенолитография использует в качестве экспонирующего излучения

мягкие рентгеновские лучи с короткими длинами волн ( 10 А0), которое по-

лучается при экспонировании мишени из молибдена электронным пучком

(рис. 27.1)

262

Рис. 27.1. Схема установки рентгеновской литографии

Шаблон для рентгенолитографии представляет собой прозрачную для

рентгеновских лучей подложку, на которой нанесен пленочный рисунок, по-

глощающий γ- лучи. Создание фотошаблона составляет основную трудность

метода. Источником рентгеновского излучения являются линии из Mo, Al,

Cu, из которых γ- лучи выбиваются электронным пучком. Лучшее затухание

рентгеновских лучей наблюдается в золоте, а кремний их полностью пропус-

кает. Поэтому шаблон изготавливается из тонкой золотой пленки на кремне-

вой подложке (рис. 27.2).

Для формирования рисунка маски используется сканирующий элек-

тронный микроскоп. Относительно небольшая скорость этого процесса явля-

ется серьёзным ограничением.

В качестве рентгенорезистов используется ПММА - полиметилметак-

рилат, полибутиленсульфон и другие сополимеры.

Маски для РЛ выполняются на тонких подложках. Они призваны хо-

рошо пропускать рентгеновское излучение в местах, где отсутствует погло-

щающий слой, и хорошо поглощать в непрозрачных местах.

263

Рис. 27.2. Технологический процесс изготовления рентгеновского шаблона

Маска для РЛ не может быть изготовлена на стеклянной основе, кото-

рая поглощает большую часть рентгеновского излучения.

Обычно применяются материалы с малой удельной массой, такие как

Be, Al, Si и SiO2 Si3N4, SiC, а также некоторые органические соединения. На-

пример, при использовании Al-излучения(V = 0,834 мм) для обеспечения

достаточной прозрачности маска имеет подложку из Si толщиной до 10 мкм.

Для элементов, требующих высокого разрешения, предпочтительнее приме-

нение более длинных волн рентгеновское излучения.

Материал поглотитель рентгеновского излучения имеет высокий атом-

ный номер и удельный вес (Au, Pt). Однако, поглощение золота зависит от

длины волны рентгеновского излучения. При экспонировании коротковолно-

вым излучением контрастность рисунка уменьшается. Для уменьшения

влияния Оже - и фотоэлектронов из резист, на который накладывается бу-

ферный слой металла – эрбия с большим коэффициентом ренгеновского по-

глощения.

На тонкую подложку наносят 2 металлических слоя – Cr, обеспечи-

вающий адгезию и верхний слой Au толщиной 0.5 – 0.7 мкм в зависимости от

264

жёсткости рентгеновского излучения. Pt является лучшим поглотителем, чем

золото, но она менее технологичный материал. Маска со структурой Au на Si

имеет КТР, согласующийся с КТР Si-пластин, на которых изготавливаются

приборы.

Исходная толщина пластин Si n-типа составляет 250 мкм. Кремниевые

мембраны на нём получают легированием борам. Глубина диффузии бора

определяет толщину мембраны. Диффузия бора на глубину 1-3 мкм прово-

дится, например, при Т = 1320 К в течение 3 часов из бромистого бора BBr3,

или из нитрида бора BN на глубину 5 мкм при Т = 1410 К. На рабочую по-

верхность наносят слой Cr (30 нм) и Au (400 нм), а затем наносят резист, в

котором формируют необходимый рисунок маски. На завершающем этапе

ионно-химическим травлением получют рисунок в слое золота. После удале-

ния резиста рисунок маски защищают слоем SiO2. По периферии кристалла

формируют укрепляющие рёбра методом нанесения резиста и травления в

смеси HNO3 : HF : CH3COH. Помимо методов диффузии Si-мембраны можно

изготовить эпитаксиальным наращиванием. Плёнку Si3N4 наносят на рабочую

поверхность пластины плазмохимическим методом при Т = 1050 К из смеси

ТЭС и NH3. Затем на плёнку Si3N4 толщиной 0,2 мкм методом ВЧ-

распыления наносят плёнку SiO2 толщиной 1 мкм. Поглощающий слой для

рентгеновского излучения состоит из плёнки Ti 0,2 мкм нанесённой, распы-

лением, и плёнки Au, осажденной гальванически. Для получения мембраны

Si травят с обратной стороны в водном раствором КОН. Видимый свет про-

ходит через мембрану на 80 . Изготовить маску можно методом взрывной

литографии. Рисунок маски формируют с помощью электронного луча. Для

этого резист наносят на тонкую подложку. После экспонирования и удаления

части резиста, на подложку наносят металлическую плёнку. В растворителе

удаляют оставшийся резист с плёнкой. Ширина металлических линий 0,3

мкм. Высокое разрешение обусловлено отсутствием обратного рассеяния

электронов.

27.3. Совмещение слоев

Подложка предварительно грубо совмещается с шаблоном (рис. 27.3).

После чего включается рентгеновская установка. Часть рентгеновского излу-

265

чения проходя через метки совмещения (частично прозрачные для этих лу-

чей) попадает в детектор, сигнал с которого поступает на пьезоэлектрические

приводы, приводящие в движение столик по осям X и Y, до тех пор, пока се-

редины реперных меток на шаблоне и подложке не совпадут.

Рис. 27.3. Технологический процесс совмещения слоев

В этом случае непрозрачные для -лучей области полностью поглотят

лучи и детекторы нуля дадут сигнал об окончании совмещения.

Конечные размеры источника и расходимость рентгеновских лучей мо-

гут вызвать полутени и геометрические расхождения, что определяет мини-

мально допустимое значение логарифмического разрешения системы , мкм.

= S(d/ D) , где S – ширина зазора между шаблоном и пластиной; D – рас-

стояние от источника до шаблона; d-диаметр источника излучения. не дол-

жно превышать 0,1 мкм. После получения рисунка на резисте электронным

или рентгеновским методами, изображение передаётся на материал микро-

266

электронного устройства. Для этого применяют процессы влажного (химиче-

ского) или сухого (плазменного) травления.

27.4. Изотропное и анизотропное травление

Для травления кремния используют изотропное и анизотропное трав-

ление. Анизотропные травители травят Si в направлении <100> и <110> бы-

стрее, чем в направлении <111>. Анизотропные травители представляют со-

бой многокомпонентные растворы, состоящие из окислителя, окисляющего

Si до гидратированного SiO2 (H2SiO3) и комплексообразователя для образо-

вания комплексного иона с H2SiO3, и воду.

Изотропные травители травят Si во всех кристаллографических на-

правлениях. Например, травитель HF : HNO3 : CH3COOH = 1 : 40 : 15 травит

Si со скоростью 0,2 мкм/ мин а при соотношении 1:3:10 травитель ''Даша'',

скорость травления 130 нм/ мин. Он является анизотропным и в направлении

<111> Vтр = 4,5 нм/ мин. Плоскость <100> единственная образует фигуры с

прямоугольной симметрией, поэтому этой плоскости отдаётся предпочтение

при создании приборов.

Метод анизотропного травления (АТ) используется для изготовления

очень тонких плёнок-мембран масок ФШ в рентгеновской литографии –

мембраны толщиной до 125 нм на площади до 1мм. С помощью At можно

получить в пластине Si отверстия с контролируемыми размерами и создать

прецизионные решётки с субмикронными периодам (порядка 100 нм). Были

изготовлены высоко прецизионные круглые отверстия в тонкой pSi - мем-

бране для использования в качестве печатающего чернильного струйного со-

пла.

К анизотропным травителям (АТ) кремния относится система “гидра-

зин - N2 - вода”, которая обеспечивает при Т = 373 К наилучшее качество бо-

ковых стенок и наименьшееих подтравливание.

Система этилендиамин - вода менее токсична, чем гидразиновая. Тра-

витель чувствителен к примесям и типу проводимости.

В зависимости от режимов травления получают различную поверх-

ность дна лунок - блестящую (микронеровности <1мкм) или матовую. Каче-

267

ство травления улучшается при увеличении концентрации травителя и t0

травления.

Перед травлением образцы обрабатывают в перекисно – аммиачном

растворе Н2О2 : NH4OH : H2O = 1 : 1: 4 в течение 6 мин.

Вопросы к лекции 27

1. Что включают лучевые методы, используемые для формирования ри-

сунка? 2. С какой целью используют лучевые методы ФЛТ? 3. Где применяются лучевые методы литографии? 4. Преимущество электроннолитографии?

5. С помощью каких методов может осуществляться экспонирование электронным лучом?

6. Достоинства и недостатки методов экспонирования электронным лу-чом?

7. Где используется рентгеновская литография? 8. Этапы изготовления маски на основе мембраны Si2O – Si3N4/ 9. Как протекает процесс совмещения слоев? 10. Какие травители используют для травления кремния? Их различия.

268

Лекция 28

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 10. Электронно-лучевая технология

План лекции

28.1. Принцип работы лазера 28.2. Режимы работы и типы лазеров 28.3. Лазерные микротехнологии 28.4. Селективное осаждение металлических слоев 28.5. Осаждение слоев диэлектриков

28.1. Принцип работы лазера

Лазер это оптический квантовый генератор (аббревиатура слов англий-ской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения) - источник оптического коге-рентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и боль-шой плотностью энергии. В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера - ак-тивная среда, для образования которой используют: воздействие света, элек-трический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы “накачки”. Активная среда расположена между зер-калами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерыв-ного и импульсного действия. Лазеры получили широкое применение в на-учных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической ме-дицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная техно-логия). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании веще-ства, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на

269

верхний энергетический уровень E1; через какое-то время они вновь опуска-ются на основной уровень E0, отдавая энергию в виде квантов электромаг-нитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:

E1 – E0 = h,

где h- постоянная Планка, - частота излученного фотона.

В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроиз-вольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных на-правлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном.

Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинст-во атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непре-рывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильны-ми). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опустить-ся сам - его “сбрасывает” вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Из-лученный при этом вынужденном переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается - по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по экспоненциальному закону:

I = I0 exp(z),

где - коэффициент квантового усиления среды, z - пройденный свето-вой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все ато-мы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (од-ноцветным) и когерентным (от лат. kohere - сцепленный).

Лазер состоит из трех основных компонент: активной среды, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит ге-нерация, системы накачки, создающей инверсную заселенность, и оптическо-го резонатора - устройства, создающего положительную обратную связь. Активная среда - смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла

270

сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энерге-тические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населен-ность.

Накачка - внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных - импульсная лампа, в жид-костных - свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых - электриче-ский ток или поток электронов.

Оптический резонатор - пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч. Резонатор выполняет две задачи:

1. за счет отражения фотонов в зеркалах он заставляет световую волну многократно проходить по активной среде, повышая эффективность ее ис-пользования;

2. в момент начала генерации лазера в нем одновременно и независимо появляется множество волн. После отражения от зеркал резонатора усилива-ются по преимуществу те, для которых выполняется условие образования стоячих волн: на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Все остальные частоты будут подавлены, излучение станет когерентным.

28.2. Режимы работы и типы лазеров

Процесс генерации состоит в следующем. Система накачки создает в активной среде инверсную заселенность. Почти сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных направлениях. Фотоны, испущен-ные под углом к оси резонатора, порождают короткие каскады вынужденно-го излучения, быстро покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь актив-ную среду, вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генера-ция начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери, кото-рые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние света в ак-тивной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.

271

Режимы генерации. В зависимости от конструкции, способа накачки и состава активной среды лазеры излучают либо в непрерывном, либо в им-пульсном режиме. Непрерывное излучение дают газовые лазеры, импульсное - твердотельные; полупроводниковые и жидкостные лазеры могут работать как в том, так и в другом режиме.

Импульсный режим генерации обычно обусловлен импульсным режи-мом накачки (лампой-вспышкой, лазерной вспышкой). Если не приняты спе-циальные меры, в активной среде возникает режим свободной генерации, при котором за время продолжения вспышки в активно среде успевает возник-нуть целая серия импульсов. Чтобы лазер в каждом акте генерации излучал отдельный импульс, перед одним из зеркал его резонатора ставят оптический затвор, который открывается на время 10-4 – 10-10с в момент, когда активная среда уже находится в состоянии инверсной заселенности. Вся энергия, на-копленная в среде (от долей джоуля до нескольких сот джоулей), излучается в виде очень короткого, и соответствующей мощностью порядка гигаватт (109 Вт), так называемого гигантского импульса.

Затвором для получения сверхкоротких лазерных импульсов может, например, служить кювета с раствором веществ, которые под действием све-тового импульса на короткое время становятся прозрачными.

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазе-ры несколько условно можно разделить на несколько типов - твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п. Отдельное место занимают квантовые усилители - лазеры, состоящие из ак-тивной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в актив-ной среде усилителя, приводящее к росту энергии излучения.

28.3. Лазернае микротехнологии

В настоящее время разработано несколько методов лазерного осажде-

ния металлических плёнок на разные подложки. Перспективным является

применение лазера для осаждения плёнок из газовой фазы на подложки, по-

верхность которых поглощает лазерное излучение. В результате термической

реакции на разогретой поверхности происходит разложение металлорганиче-

ских или других металлосодержащих соединений (Ме-орг; Ме-гал.). Осво-

272

бождающиеся атомы металла формируют плёнку. Процесс протекает сле-

дующим образом. На первом этапе термическим испарением в тигле металла

в кварцевом откачанном контейнере получают пары цинка. Далее пары ме-

талла транспортируются потоком гелия к подложке, которую локально засве-

чивают лазерным лучом через окно, пропускающее излучение. Края выра-

щенной плёнки чётко соответствуют краю светового пятна.

Метод лазерного излучения используют для непосредственного фор-

мирования и подгонки слоистых элементов на кристалле ИМС. Лазер осуще-

ствляет тонкую подстройку параметров приборов, характеристики которых

должны быть точно согласованы между собой. Фактически этим методом за-

меняется многоэтапная фотолитографическая операция формирования слоёв

на поверхности. Таким методом на заранее подготовленные МПД-

транзисторы наносят (рисуют) кадмиевые электроды затворов. Каждый элек-

трод формируется многократным сканированием лазерного луча, наносящего

металлические полоски шириной 2 мкм. Изменяя число и продолжительность

циклов сканирования можно регулировать размеры электрода, определяю-

щие пороговое напряжение полевых транзисторов.

В лаборатории MIT (Германия), занимающиеся наноструктурами, ис-

пользуется интерферометрический способ литографического получения

структур размером 30-100 нм. С помощью делителя лучей и двух зеркал ла-

зерный луч разлагается и снова сводится на поверхность вещества, покрыто-

го фоточувствительным слоем. При этом образуется рельефный шаблон. По-

следующее селективное травление служит в качестве основы структуры маг-

нитных двоичных единиц информации.

28.4. Селективное осаждение металлических слоёв

Лазерный метод осаждения металлов используют для формирования

монтажных соединений между бескорпусными полупроводниковыми при-

борами, установленными непосредственно на платах. Плату с приклеенными

приборами помещают в камеру, заполненную парами металлоорганических

соединений. С помощью Ar-лазера на подложке разогревают полосы, на ко-

торые осаждается токоведущие дорожки из Au и др. Ширина соединений

1мкм-10мкм.

273

Прямым фотохимическим разложением реагентов в паровой фазе по-

лучают и слои Al из 3-метил Al. Для возбуждения фотохимической реакции

требуется излучение определённой длины волны, например уфоблости спек-

тра.

Лазерное излучение используется для ускорения процесса нанесения

гальванических покрытий. Лазерным пучком нагревают поглощающую излу-

чение подложку (полимер), что приводит к ускорению в сотни раз роста по-

крытия. В результате этого на подложке получается металлизированный ри-

сунок размером в несколько мкм.

28.4. Осаждение слоёв диэлектриков

Индуцированной лазером фотодиссоциацией смеси оксида азота NO, и

силана или тетраэтокси-силана получают слой SO2 (диоксид кремния), харак-

теризующийся высокой адгезией и однородностью, низкой плотностью де-

фектов и высоким пробивным напряжением. Такие плёнки по своим характе-

ристикам сравнимы с полученными плазменным осаждением.

Лазерный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими ме-

тодами осаждения.

1. Во-первых осаждение проводят при температуре 300 0С. Такой низко-

температурный процесс удобен для создания промежуточных диэлек-

трических слоёв в структурах с 2-х уровневой металлизацией.

2. Во-вторых , скорость, осаждения составляет 300 нм/мин т.е. значитель-

но выше скорости обычного осаждения.

3. Кроме того, улучшается управление химической реакцией. Так, изме-

няя длину волны лазерного излучения, используемого при осаждении

нитрида кремния, можно контролировать относительные количества

H2, соединяемого с Si и влиять на концентрацию ловушек и цилиндров

захвата-носителей заряда в плёнке. Эти свойства плёнки имеют значе-

ние при её использовании в программируемых ЗУ.

4. Преимуществом лазерного метода является отсутствие радиационных

нарушений в полимерном покрытии.

5.

274

Вопросы к лекции 28

1. Что такое лазер, и какой принцип его работы. 2. Из каких основных компонентов состоит лазер. 3. Что такое оптический резонатор. 4. Какие две задачи выполняет резонатор. 5. Режимы генерации. 6. В какой момент начинается генерация. 7. Какие методы лазерного осаждения разработаны в настоящее время. 8. Для чего используется лазерное излучение. 9. Какой ряд преимуществ имеет лазерный метод по сравнению с други-

ми методами осаждения. 10. Для чего используют метод лазерного излучения.

275

Лекция 29

ГАЗОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 11. Газофазная эпитаксия

План лекции

29.1. МОС-гидридная и газофазная эпитаксия 29.2. Использование металлоорганиченских соединений (МОС) для полу-

чения монокристаллических пленок. 29.3. Газофазная эпитаксия нитридов 29.4. Технологические особенности ГФЭ

29.1. МОС-гидридная и газофазная эпитаксия

Со времени первых сообщений (19601962 гг., J. Jnorg. Chem) о приме-

нении металлоорганических соединений (МОС) для эпитаксиального осаж-дения плёнок метод MOC-CVD (chemical vapor deposition) или ГФЭ (газо-фазная эпитаксия) превратился в один из гибких и производительных мето-дов для осаждения полупроводников, металлов и диэлектрических плёнок. Структуры, получаемые методом ГФЭ, широко используются для изготовле-ния: солнечных элементов; фотодетекторов; оптронов; ВЧ биполярных тран-зисторов на гетероструктурах для мобильных телефонов; систем спутниково-го ТВ; систем волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Такой широкий круг материалов, полученных этим методом, обусловлен достижением высо-кой чистоты МОС (количество примесей <1 ррm.).

По методу ГФЭ плёнку получают в результате химической реакции или химического разложения. В этих реакциях поверхность не играет актив-ной роли в формировании тонких плёнок, но состояние поверхности опреде-ляет структуру плёнки: моно-, поликристаллическая. Химическое осаждение из газовой фазы позволяет получить все 3 типа плёнок: изолятор, проводник и полупроводник.

276

SiH4 + O2 SiO2

WCl6 W + 3Cl2

SiCl4 Si + 2Cl2

В качестве газа-носителя используется H2, очищенный от галогенидов

диффузией через Pd. Присутствие галлогенидов, как побочных продуктов ре-акции, может накладывать ограничения на чистоту получаемой плёнки. В присутствии СО2 могут, наносится слои чистого кремния. Газ-носитель про-ходит через три регулятора потока. Один из них служит для установки ско-рости водорода, второй – для разбавления газовой смеси, например AgCl3 + H2, и третий обеспечивает возможность подачи легирующего компонента в зону роста.

Одной из самых распространённых реакций химического осаждения является реакция получения плёнок SiO2. Для этого используются различные реагенты: SiH4 +O2; Si(OR)4, SiCl4.

Гидролиз газообразных силанов использует способность галлогинидов кремния разлагаться в присутствии паров воды.

2SiCl4 + 4H2O 2SiO2 + 4HCl

В качестве газа-носителя используется H2, очищенный от галогенидов

диффузией через Pd. Присутствие галлогенидов, как побочных продуктов ре-акции, может накладывать ограничения на чистоту получаемой плёнки. Ско-рость осаждения плёнок, их характеристики и морфология сильно зависят от температуры и концентрации газовой смеси. Это приводит к плохой воспро-изводимости плёнок по толщине. Составы газовых смесей включают: SiBr4 + CO2, SiH4 + H2O + Ar, SiCl4 + CO2 , SiCl4 +(CO2 + H2) + H2O. Для лучшей вос-производимости предложено использовать NO. В этом случае слой SiO2, мо-жет включать нитрид кремния Si3N4, что несколько улучшает диэлектриче-ские свойства плёнок. Смесь SiCl4 + NO разлагается в диапазоне температур 825-925°С, а SiBr4 + NO от 950 до 1200°С.

Температура процесса достаточно высока, поэтому в качестве подлож-ки необходимо выбрать термостойкий материал. Температуру подложек, не-обходимую для осаждения плёнок, можно значительно понизить, если про-

277

водить реакцию в плазме или в тлеющем разряде, которые образуются в электрическом ВЧ или СВЧ-поле. Так, например, получают SiO2 и SiN4–плёнки. Но этим способом трудно получить воспроизводимые результаты по свойствам плёнок. Несколько меньше температура нагрева подложек, приме-няется при термическом разложении Si-органических соединений, например, тетраэтоксилана. Si(OC2H5)4.

Основным требованиями практического процесса химического осаж-дения из газовой фазы является:

наличие соответствующего газа-носителя;

возможность гетерогенной реакции газ твердое тело;

наличие реакторной системы, обеспечивающей однородность га-зового состава, постоянство температуры, контроль температуры, давления

Подложки подвергают механической полировке вплоть до уничтоже-ния царапин, видимых в оптический микроскоп при увеличении в 400 раз. После чего их травят в водороде при 1250 °С в течении 15 минут непосредст-венно перед наращиванием плёнок.

Монокристаллические подложки получали методом Чохральского – выращиванием затравки в расплаве или из растворов в расплавах “flux-grown”. Для установления ориентационных соотношений между эпитакси-альной плёнкой и подложкой используют рентгеноструктурный метод, элек-тронно-дифракционный методы на отражение.

Для проведения процесса подходит большая часть выпускаемых про-мышленностью систем для эпитаксиального наращивания полупроводников. В принципе в ней имеются следующие элементы:

Вертикальный реактор, в котором находится подложкодержатель (графит, покрытый карбидом кремния). Его можно нагревать ин-дуктивно и вращать.

Барботеры из нержавеющей стали для испарения жидких исход-ных материалов;

Расходомеры для измерения количества газов. На рис. 29.1 приведена схема устройства кварцевого реактора для газо-

фазного осаждения пленок полупроводников.

278

H2 МОС Печь

Ga Подложкодержатель

Рис. 29.1. Кварцевый реактор для МОС-гидридной эпитаксии GaAs

Установки для МОС ГФЭ сегодня – это высокоавтоматизированные

аппараты. Управляемые компьютером системы подачи в реактор газовых реагентов обеспечивают регулирование времени эпитаксиального роста с шагом 0,1 с. Создание необходимой температуры в рабочей зоне реактора осуществляется с помощью ИК-излучателей или ВЧ-нагрева.

Германская фирма AIXTRON выпускает ряд моделей промышленных установок ГФЭ с вертикальной и горизонтальной конструкцией реактора. Ре-актор AIX 2400/ 2600 G3 снабжен автоматической системой загрузки-выгрузки кассет с подложками. Конструкции реакторов ГФЭ удалось значи-тельно улучшить, используя компьютерное моделирование газодинамиче-ских потоков. По результатам разработаны установки, в которых осуществ-лялось независимое вращение, как всей кассеты, так и отдельных подложек в реакторе. Это обеспечивает однородность состава и толщины ЭС, а также оп-тимизацию газоподачи и сокращение расхода реагентов.

Газ-носитель – водород проходит через 3 регулятора потока. Один из них служит для установки скорости водорода, второй – для разбавления га-зовой смеси AsCl3 + H2 и третий обеспечивает возможность подачи леги-рующего компонента в зону роста. Главная трубка реактора изготовлена из ультрачистого синтетического кварца. В ней установлена лодочка с Ga, под-ложкодержатель и стержень для изменения наклона держателя. Реактор по-

279

мещён в печь, которую можно передвигать. В качестве исходных материалов для выращивания GaAs используются ультрачистые Ga и AsCl3. Подложки-пластинки GaAs, легированные хромом. Типичные условия роста – темпера-тура лодочки с Ga - 820°C, подложки – 750 - 765°C, скорость газовой смеси AsCl3 + H2 - 300 см³/мин. После опыта печь сдвигалась в сторону выходного конца системы, при этом лодочка с Ga оказывалась вне горячей зоны. После этого система продувалась смесью AsCl3 + Н2 для стравливания всех осад-ков со стенок реактора и переноса их на стенки трубки-вставки. Таким обра-зом, систему нет необходимости разбирать, и обеспечивается высокая чисто-та синтеза.

29.2. Использование металлоорганиченских соединений (МОС) для получения монокристаллических пленок.

В качестве металлоорганических соединений (МОС) используются ме-тильные или этильные соединения А-элементов и гидриды В-элементов (табл. 29.1).

Осаждение их основано на реакциях:

А (СН3)3 + ВН3 АВ + 3СН4

А (С2Н5)3 + ВН3 АВ + 3С2Н6

Скорость роста плёнок можно регулировать изменением скорости по-

тока транспортирующего газа. Вращающийся шток, на котором расположен подложка-держатель, можно опускать и поднимать в процессе роста: это по-зволяет направлять поток выходящего газа на различные части подложки для увеличения однородности плёнки.

280

Таблица 29.1

Металлоорганические соединения (МОС)

Наименование Формула Температура плавления, 0С

Температура кипения, 0С

Триметилалюминий (ТМА) Аl(CH3)3 15°С 15°С

Триметилгаллий (ГМГ) Ga(CH3)3 15,8 55,7°

Триэтилалюминий (ТЭА) Al(С2Н5)3 - 52,5° 207

Триэтилгаллий (ТЭГ) Ga(С2Н5)3 -82,3 142

Фосфин РН3 -133 - 88

Арсин AsH3 -117 -62

Стибин SbH3 - 88 18

Пиролиз происходит в газовой фазе при отсутствии галогенов. Уста-

новка может быть использована для роста GaAs, GaP, GaAs1-XPX с примене-нием триметилгаллия (ТМГ), для роста пленок AlAs, AlP, GaAs с применени-ем триметилаллюминия (ТМА). Для легирования пленок вводятся добавки п-типа (H2S, H2Se). Кроме ТМГ и ТМА используются диметилкадмий (ДМК) и диэтилцинк (ДЭЦ) в качестве исходных веществ и легирующих добавок. Триэтилиндий (ТЭИ) используется для соединений ZnGa и их сплавов. AlN и GaN приготовляли, используя HNO3 в качестве источника азота. Полученные слои состоят из небольших зерен.

Пиролиз ТЭС происходит при 700°С в потоке N2 или Ar. Скорость рос-та слоя SiO2 при повышении температуры возрастает от 10 до 70 Å в минуту, при повышении расхода газа возрастает, и зависит от расположения под-ложки относительно потока. Температура подложки 150-300 °С, тогда как в зоне разложения 700 °С. В реактор подаётся парогазовая смесь и фоновый газ (O2, Ar). Тлеющий разряд создаётся ВЧ-генератором мощностью 1 кВт, частотой 0,5 МГц через два медных электрода, впаянных в верхнюю часть камеры. Механизм плёнки SiO2 заключается в полимеризации свободных ра-дикалов типа Si-O, образующихся при столкновении ионизированных моле-кул газа-носителя с органической молекулой. SiO2-полимер адсорбируется подложкой. Плёнки SiO2, полученные пиролизом, характеризуются большой пористостью, поэтому, их обычно уплотняют в парах воды.

281

29.3. Газофазная эпитаксия нитридов

В основном, метод МОС используется для получения нитридов Al и Ga, а также широкозонных полупроводников. Нитриды обладают повышен-ной термической устойчивостью и применяются для изготовления подложек и диффузионных масок при получении других полупроводниковых материа-лов и изготовления приборов из них. GaN прозрачен в видимой области спектра и используется для оптических приборов.

AlN, GaN и GaAs на сапфире и шпинели представляют интерес для развития приборов на поверхностно-акустических волнах (АПВ). В сравне-нии с объемными волновыми приборами, в которых акустические волны не-возможно модулировать, ПАВ недоступны на всем пути их распространения в приборе. Развитие АПВ-приборов означает возможность увеличения быст-родействия обработки сигналов, снижения размеров приборов и их сложно-сти в сравнении с электронно-магнитными аналогами.

Поскольку для приготовления встречно-штыревых преобразователей для АПВ измерений требуются оптически гладкие поверхности, пленки по-лируют с использованием пасты Линде (0,05 мкм) и окиси хрома. Пленки AlN в отличие от GaN и ZnO на сапфире не требуют дополнительной диф-фузии легирующих добавок, чтобы обеспечить высокие удельные сопротив-ления, необходимые для АПВ-применений. GaN и ZnO легируют литием и цинком. В качестве источника цинка используют пары диэтилцинка (ДЭЦ),

Zn-ZnOH, нанесенные на подложку и нагретые до 450С (расплавление).

Для проведения акустических измерений на полированную поверх-ность пленок AlN и GaN с высоким удельным сопротивлением наносились металлизированные гребенчатые узоры входных и выходных преобразовате-лей (Cr-Au) с расстоянием 29 мкм.

Скорость ПАВ зависит от толщины пленки. В пленках AlN она в 2 раза больше, чем в кварце, ниобате лития LiNbO3. Это обеспечивает увеличение рабочей частоты приборов. Пленки GaN, легированные цинком и литием, также обнаруживают пьезоэлектрические свойства. Пленки GaAs проявляют слабый пьезоэлектрический эффект и низкую скорость распространения волн. GaAs является полезным материалом для волноводов и усилителей.

При получении монокристаллических нитридов на подложках Si, -

SiC, -Al2O3, GaAs, MgAl2O4 путем химического разложения в качестве газа-

носителя используется водород, очищенный от галогенидов диффузией через

282

палладий. Присутствие галогенидов, как побочных продуктов реакций, мо-жет накладывать ограничения на чистоту получаемой пленки.

GaN и AlN получали разложением метил производных Ga и Al (триме-тил-Ga, триметил-Al) в смеси с аммиаком NH3. Подложка нагревалась до температуры, достаточной для образования составного нитрида. Температура измерялась с помощью оптического пирометра на подложкодержателе (из графита, покрытого SiC). Стехиометрические количества триметил (ТМА) и аммиака реагируют при комнатной температуре с образованием твёрдого продукта по реакции:

(CH3)3Al (газ) + 2NH3 (газ) 2(CH3)3Al . NH3 (тв.)

При нагревании этого соединения происходит ступенчатый процесс

отщепления метильных групп СН3 при 60 °C, 160 °C, а последняя при более высокой температуре.

После нагрева подложки при 1200 °С пускается поток аммиака со ско-ростью 1,75 л/мин. и через несколько минут начинают подачу паров ТМА в реактор. Для этого через барбатёр с жидким ТМА, находящимся при темпе-ратуре 30°С, пропускают Н2 со скоростью 25-100 см³/мин. При этом твёрдый комплекс образуется в районе подложки, где происходит его разложение

Комплекс может образовываться и газовой фазе в виде порошка и по-мешать эпитаксиальному росту плёнки. Поэтому условия роста плёнки не-обходимо строго контролировать, использовать вертикальный реактор и сильный ток Н2. Типичные скорости роста плёнки 1-7 мкм/час. Однородность плёнки по толщине и скорость роста непосредственно связаны с геометрией реактора. Наличие центральной трубки приводило к образованию на плёнке картин роста в виде концентрических колец. В центре колец толщина плёнки больше, чем по краям. На ранних стадиях роста плёнки обнаружена тре-угольная структура зародышей, которые затем коалесцировали в сплошную плёнку.

Плёнки AlN получаются стабильно и воспроизводимо с изолирующи-ми свойствами, молочно-белого цвета чистые монокристаллические слои AlN получают также при высокотемпературной сублимации массивных кри-сталлов AlN. С использованием галогенидов алюминия и галлия получают примесные пленки AlN и GaN: синие пленки, благодаря присутствию Al2OC, а также бледно-желтые и коричневые. Реакция NH3 с GaCl3 осуществляется в подобной описанной ранее системе, но внутренние стенки реакционной

283

трубки защищены тонкой графитовой вставкой от коррозии хлором. Газооб-разные хлориды алюминия получали пропусканием водорода над безводным

AlCl3 при температуре 150С или пропусканием HCl на распыленным Al при

температуре 1000С.

Заменив ТМА на ТМГ, и разлагая смесь ТМГ-NH3 на подложках α-SiC Al2O3, нагретых до 925-975 °С, получают плёнки GaN. Общая скорость газо-вой смеси ~ 3 л/мин. Скорость роста GaN ~ 0,1 мкм/мин. Плёнки выращен-ные при 930-910 °С имели белый и жёлтый оттенок и проводимость n-типа; при 700°С получены красно-коричневые плёнки высокого удельного сопро-тивления, устойчивые к кислотам и щелочам. В них содержатся промежуточ-ные комплексы (полимеры) C-H-Ga-N, которые разлагаются при температуре более 1050 °С с образованием металлического Ga.

29.4. Технологические особенности ГФЭ

Выбор условий эпитаксии оказывает решающее влияние на: скорость эпитаксиального роста, состав и химическая однородность слоя, резкость границ в гетероструктурах. Это основные показатели процесса.

Скорость роста пленок можно регулировать изменением скорости по-тока транспортирующего газа. Вращающийся шток, на котором расположен подложкодержатель, можно опускать и поднимать в процессе роста. Это по-зволяет поток выходящего газа на различные части подложки для увеличения однородности пленки. Чем меньше скорость роста, тем вероятнее упорядо-

ченный рост. Типичные скорости роста пленки 17 мкм/час. Однородность

пленки по толщине и скорость роста непосредственно связанны с геометрией реактора. Наличие центральной трубки приводило к образованию на пленке картин роста в виде концентрических колец. В центре колец толщина пленки больше, чем по краям. На ранних стадиях роста пленки обнаружена тре-угольная структура зародышей, которые затем коалесцировали в сплошную пленку.

К числу важнейших параметров процесса относятся: температура оса-ждения, давление в рабочем реакторе, отношение В/А в газовой фазе. Совре-менная технология ориентируется на проведение процессов в условиях по-

ниженного давления (p≤10³ Па) газа в реакторе. Это способствует сниже-

нию вероятности протекания вторичных реакций и газов, обеспечить одно-родность толщин плёнки и резкость формируемых гетеропереходов. При

284

этом обеспечиваются малые скорости эпитаксиального слоя (≈10-20 нм/мин), что позволяет получить сверхтонкие плёнки (до 10 нм) и избежать дифрак-ционного размытия гетерограниц. Отношение В/А в газовой фазе, влияя на стехиометрию осаждённых материалов, в значительной степени определяет содержание фоновых примесей (C,D), а в итоге – основные электрофизиче-ские и оптические свойства. Обычно процессы проводят при многократном избытке В относительно А. Значение В/А определяют экспериментально по результатам характеристик получаемых ЭС.

Качество пленок зависит от давления водорода, скорости его потока и, особенно, геометрии камеры. Отсюда следует, что заметное влияние на эпи-таксию оказывают парциальное давление и концентрация пара, т.е. фактиче-ски пресыщение. Для того чтобы избежать бурного зарождения и, следова-тельно, образования большого числа разориентированных зародышей, жела-тельны невысокие пресыщения. Поскольку поперечное сечение реактора влияет на концентрацию смеси и распределение потоков, оказалось необхо-димым определять оптимальные условия всякий раз, когда изменяли диаметр реакционной трубки.

В качестве исходных материалов для выращивания GaAs используются ультрачистые Ga и AsCl3. Главная трубка реактора изготовлена из ультрачис-того синтетического кварца. В ней установлена лодочка с галлием, подлож-кодержатель и стержень для изменения наклона держателя. Реактор помещен в печь, которую можно передвигать. Подложки – пластинки GaAs, легиро-ванные хромом. Типичные условия роста следующие: температура лодочки с

галлием 820С; температура подложки 750 – 705 С; скорость газовой смеси

AsCl3 + H2 300 см3/мин. В системе AsCl3-Ga-H2 донорными примесями яв-ляются Si, попадающими в газовую фазу в результате взаимодействия HCl с кварцем. После опыта печь сдвигалась в сторону выходного конца системы, при этом лодочка с галлием оказывалась вне горячей зоны. После этого сис-тема продувалась смесью AsCl3 + H2 для стравливания всех осадков со сте-нок реактора и переноса их на стенки трубки-вставки. Таким образом, систе-му можно не разбирать, и обеспечивается высокая чистота синтеза.

Ориентация подложки влияет на скорость роста пленки max при ориен-

тации [111] и min при [100] и колеблется от 0,06 до 0,8 мкм/мин. Образование

пирамид роста тем сильнее, чем ниже температура роста; выше концентрация AsCl3 в газовой фазе; ближе ориентация подложки к [100].

Основные проблемы. При использовании газовых источников для по-лучения АIIIВV возможно загрязнение плёнок углеродом от А-МОС метиль-

285

ной группы, а гидриды элементов V группы являются токсичными. Попада-ние углерода в эпитаксиальный слой происходит в следствии адсорбции на

поверхности высокоактивных радикалов СН3, образующих поры:

Ga(СН3) Ga+ + CH3

и последующее взаимодействие его с другими адсорбированными мо-

лекулами и радикалами может привести к образованию карбена

2CH3 CH2 + CH4

2CH3+ Ga(СН3)3 Ga(CH3) + 2CH2 + 2CH4

Наличие CH2, обладающего двумя ненасыщенными связями, на по-

верхности GaAs подтверждено ИК - исследованием. Карбен способен обра-зовывать устойчивые связи с поверхностью. Наличие атомарного водорода, образующегося при разложении гидридов элементов ВV способствует связы-

ванию радикалов CH3 в предельные углеводороды, которые легко удаляют-

ся с поверхности. Концентрация С в эпитаксиальном слое может быть понижена при ис-

пользовании МОС-этильной группы, так как при их разложении не образу-ются реакционные радикалы.

Ga(C2H5)3 GaH(C2H5)2 + C2H4

-гидриды

Образования -гидрида не требует внешнего источника водорода. Од-

нако МОС-этильной группы обладают меньшей упругостью пара и меньше хранятся без разложения.

В последние годы активизировались исследования по использованию МОС-элементов ВV в качестве альтернативы гидридам. Например, As(CH3)3, As(C2H5)3, C4H9PH2, C3H7PH2 вместо AsH3, PH3. Лучшие результаты даёт использование частично замещённых МОС AsH2(C2H5), AsH2(C4H3).

Контроль роста плёнки в процессе её осаждения (in situ) осуществляет-ся оптическими методами. Среди них:

286

изучение спектров отражение поляризованного света (reflectance anisot-ropy spectroscopy – RAS, reflectance difference spectroscopy – RDS, spectroscopic elipsometry – SE, palarised reflectance spectroscopy – PRS);

исследование поверхностного поглощения (surface photoabsorbtion SPA);

изучение упругого рассеяния света (elastic light scattering – ELS). Большинство этих методов основано на анализе результатов взаимо-

действия поляризованного света с кристаллической решеткой материала в процессе его осаждения, т.е. измерении интенсивности отражения.

Вопросы к лекции 29

1. Какие три типа пленок позволяют получить химическое осаждение из га-зовой фазы?

2. Какими основными требованиями практического процесса химического осаждения из газовой фазы являются?

3. Для получения, каких пленок используют металлоорганические соедине-ния?

4. Чем можно регулировать скорость тоста пленок? 5. Чем характеризуют пленки SiO2, полученные пиролизом? 6. Что наносилось на полированную поверхность пленок AlN и GaN с высо-

ким удельным сопротивлением для проведения акустических измерений. 7. Какая типичная скорость роста пленки? 8. На что оказывает решающее влияние выбор условий эпитаксии? 9. Какими оптическими методами осуществляется контроль роста пленки в

процессе ее осаждения?

287

Лекция 30

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЯ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 12. Золь-гель технология

План лекции

30.1. Сущность золь-гель технологии 30.2. Основные стадии золь-гель процесса 30.3. Состав и свойства пленкообразующих растворов

30.1. Сущность золь-гель технологии.

Золь-гель способ получения тонких керамических пленок из веществ в коллоидном состоянии, характеризуется простотой технологии, молекуляр-ным порядком структуры пленок и управляемостью состава пленок, низкой стоимостью и возможностью проведения процесса при низких температурах.

Золь-гель процесс – это технология получения материалов с опреде-ленными химическими и физико-механическими свойствами, включающая получение золя и последующий перевод его в гель.

Золи – коллоидные растворы, в которых частицы дисперсной фазы (мицеллы) свободны и участвуют в интенсивном броуновском движении. Мицеллы состоят из ядра и защитной адсорбционно-сольватной оболочки, которая включает двойной электронный слой ионов на поверхности.

Гели – дисперсные системы с жидкой или газообразной дисперсионной средой и пространственной структурой (сеткой) дисперсной фазы. Такая сет-ка придает гелю свойства твердого тела. Гели обладают пластичностью, эла-стичностью и тиксотропными свойствами. Тиксотропия – способность вос-станавливать свою пространственную структуру после ее механического раз-рушения, а также разжижаться под действием интенсивных механических воздействий. Гели образуются из золей в результате молекулярного сцепле-ния частиц дисперсной фазы.

288

При получении окисных и силикатных пленок из растворов существен-ную роль играет температура пленкообразования. Многие органические рас-творы, имеющие практическое применение в настоящее время, являются действительно пленкообразующими (эмульситонами) при комнатной темпе-ратуре. Как известно, подавляющее большинство эмульситонов представля-ют собой полимерные материалы.. Однако исходные соединения, обычно ис-пользуемые для приготовления органических эмульситонов, например ал-коксисоединения кремния, сами по себе полимерами не являются. Если эти соединения находятся в безводном органическом растворителе, то они прак-тически не обнаруживают никаких пленкообразующих свойств. Лишь в про-цессе так называемого «созревания» раствора в присутствии воды и катали-затора приобретаются пленкообразующие свойства.

В качестве эмульситонов могут применяться вещества, содержащиеся в растворе в коллоидальном или полимеризованном состоянии или переходя-щие в такие состояния в результате реакции с растворителем (табл. 30.1).

Таблица 30.1

Растворы для получения окисных пленок

При комнатной температуре

При высокой температуре

(более 300 С)

Растворы алкоксисоединений, кремнийор-ганических и кремнийэлементоорганиче-ских соединений (растворы тетраэтокси-силана)

Водные растворы солей олова, же-леза, кобальта, титана, индия и др.

Растворы солей неорганических и органи-ческих кислот, способных к гидролизу и образованию полимолекул

Водно-спиртовые растворы для получения силикатных пленок

Эмульситоны, образованные смешивани-ем нескольких пленкообразующих растворов для получения многокомпо-нентных стекол (силикатных пленок)

Спиртовые растворы солей олова, индия и др.

Старение растворов связано с реакцией гидролиза и конденсацией об-

разующихся в результате этой реакции продуктов.

289

Для осаждения пленок можно использовать также любые растворы ор-ганических или неорганических соединений элементов, если эти соединения имеют тенденцию к образованию полимолекул или полисольватированных групп в растворе и образуют гели со слабой склонностью к кристаллизации при высыхании. При этом необязательно осуществлять гидролиз, проведение которого в ряде случаев весьма затруднительно. Но если он осуществим, то способствует увеличению твердости и плотности покрытия.

Гидролиз как метод получения эмульситонов применяется чаще всего для алкоксисоединений кремния и других металлов и эфиров ортокремневой кислоты, важным свойством которых является способность отщеплять ал-коксильную группу под действием воды:

Si – OR + HOH Si – OH +ROH

Реакция всегда сопровождается междумолекулярной конденсацией

продуктов гидролиза и образованием полисилоксанов. Методом гидролиза чаще всего получают также пленкообразующие

растворы солей неорганических и органических кислот. Выбор солей в каче-стве пленкообразующих веществ определяется склонностью их к гидролизу и образованию водо - и спиртонерастворимых гидроокисей.

Осаждением из растворов можно получить окисные пленки практиче-ски всех элементов высших валентностей, если исходное соединение раство-ряется в органических растворителях и проявляет слабую склонность к кри-сталлизации. Те окислы, которые трудно нанести в виде «однокомпонентно-го» слоя (слоя окисла лишь одного элемента), почти всегда можно нанести в виде гомогенной смеси окислов, включая их в матрицу из другого окисла, образующего высококачественные пленки, например, из SiO2 или из TiO2. Это обстоятельство на практике используют для приготовления многокомпо-нентных органических эмульситонов, из которых осаждают различные си-ликатные пленки.

30.2. Основные стадии золь-гель процесса

На первой стадии золь-гель процесса формируется химический состав продуктов, который получают в виде высокодисперсного продукта – золя.

Размер частиц дисперсной фазы в стабильном золе 11000 нм.

290

Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к появлению коагуляции и гелеобразованию на второй стадии. Коагуляция структуры ха-рактеризуется низкой прочностью, определяемой ван-дер-ваальсовыми сила-ми. Дальнейшее повышение объемной концентрации приводит к постепен-ному исчезновению способности к тиксотропному восстановлению, а по мере снижения содержания дисперсной среды теряются также эластичные и пластичные свойства. Для повышения стабильности структур и управления процессами структурообразования можно воздействовать на прочность кон-тактов путем модификации поверхности частиц добавками ПАВ.

При удалении дисперсионной среды на третьей стадии процесса появ-ляются прочные фазовые контакты, при этом тиксотропные свойства теряют-ся. При высушивании гель превращается в тонкопористое вещество (ксеро-гель). В процессе сушки может происходить заметное уплотнение геля и из-менение его структуры.

Для получения золей применяют диспергационные и конденсационные методы. Первые включают механические способы, в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходит при совершении внешней механиче-ской работы над системой. Для получения золя необходимо, чтобы одновре-менно возникло множество центров конденсации или зародышей новой фа-зы. При этом скорость образования зародышей должна намного превосхо-дить скорость кристаллов.

Конденсационные методы получения золя делятся на две группы:

физические методы, основанные на конденсации пара или замене рас-творителя;

химические методы, основанные на конденсации новой фазы, возни-кающей при химической реакции.

Перевод золей в гели осуществляется следующими способами:

естественным старением золей,

концентрированием золей,

действием реагентов. Скорость процесса естественного старения зависит от концентрации

ТЭС и солей, величины рН. Для перевода золя в гель рН золя смещают в сильнокислую область. Мгновенный перевод золя в гель на любой стадии осуществляется добавлением щелочного агента (раствора NH4OH, NaOH, KOH). Концентрирование золей с последующим гелеобразованием произво-дят несколькими путями: путем диализа; ультрафильтрации; электродиали-

291

за; упаривания при относительно низких температурах; экстракцией разбави-теля (например, воды спиртами). Однако эти процессы не очень удобны для крупнотоннажного производства.

Процессы пленкообразования протекают в результате:

испарения растворителя из раствора;

полного гидролиза растворенного пленкообразующего вещества;

последующих реакций полимеризации и поликонденсации. Полный окончательный гидролиз растворенного пленкообразующего

вещества протекает в тонком слое на поверхности подложки под влиянием водяных паров окружающей среды (воздуха). Затем следуют реакции кон-денсации, приводящие к образованию полимолекулярных соединений.

В результате этих процессов на поверхности подложек образуется рав-номерный прозрачный слой полимеризованной кремневой кислоты или ана-логичных соединений других элементов. Структура пленки, если рассматри-вать ее для упрощения как гель кремневой кислоты, становится достаточно

жесткой при температурах сушки 100 150 С.

Прогрев пленок до температуры 400 С значительно уплотняет их

структуру и практически превращает покрытия в окисные. Заключительная стадия термообработки силикатных пленок, осаждаемых из растворов, при-водит к их окончательной дегидратации и практически полному спеканию. При этом в процессе термообработки возможны изменения структуры пленки с образованием продуктов химического взаимодействия (МеО – SiO2)X. Такие реакции характерны для ряда окислов с хорошей стеклообра-зующей способностью (В2О3, Р2О5, PbO и др.).

Термическое разложение продуктов гидролиза тетраэтоксисилана (оли-гомеров) происходит, по-видимому, аналогично разложению тетраэтоксиси-лана или других кремнийорганических соединений при осаждении пленок SiO2 из газовой фазы. Можно предполагать, что состав продуктов разложе-ния будет аналогичным. После термообработки покрытие превращается в стекловидную двуокись кремния или же в стекловидный силикатный слой сложного состава.

Как уже отмечалось выше, реакции полного гидролиза легко протекают на поверхности подложки, а также на поверхности самого нанесенного слоя, однако для гидролиза или разложения групп ОR внутри слоя часто требуется повышенная температура. Температура и длительность проведения полного гидролиза слоя в этом случае будут зависеть от толщины пленки и ее состава, а также от условий нанесения. Аналогичные процессы полного гидролиза

292

могут происходить и при комнатной температуре, но обычно даже за дли-тельное время (до нескольких суток) не доходят до конца. Образующиеся при гидролизе кислоты НСl или НNO3 не сразу улетучиваются с поверхности подложки.

При контролируемом гидролизе алкоксидов многовалентных металлов кристаллизуются продукты, содержащие оксомостики. Конечные продукты

гидролиза гидроксиды отличаются высокой реакционной способностью.

Они образуют устойчивые гели и дегидратируются при весьма низких темпе-ратурах с образованием мелкодисперсных оксидов.

Окисные и силикатные пленки обладают хорошей адгезией к поверх-ности стекла и полупроводниковых приборов. Высокая адгезия к поверхно-сти стекла обеспечивается химическими связями. Образующиеся в результа-те гидролиза пленкообразующих веществ кислота или гидроокиси различных элементов взаимодействуют с поверхностным слоем стекла. Например, плен-ки кремневой кислоты, образовавшиеся в результате полного гидролиза рас-творов тетраэтоксисилана, закрепляются за счет ковалентных связей

Si–O–Si с выделением воды при взаимодействии гидроксильных групп

пленки и стекла. На поверхности стекла или керамики такие реакции протекают легко,

но для гидролиза или разложения групп OR внутри слоя требуется дополни-тельная энергия. Это следует из того факта, что затвердевание внутри слоя происходит при более высоких температурах, чем те, при которых наблюда-ется хорошая адгезия пленки к подложке.

Различные алкоксисоединения элементов III–V групп имеют совер-шенно разную склонность к гидролизу. Большинство из них гораздо менее устойчиво, чем тетраэтоксисилан, и в смешанных эмульситонах такие соеди-нения могут очень быстро гидролизоваться. Практически в готовых раство-рах будут присутствовать лишь продукты гидролиза или конденсации этих соединений. Поэтому важно не допустить образование осадка в результате быстрого гидролиза алкоксисоединений, что приведет к нарушению гомо-генности раствора и несоответствию содержания примесей в растворе и оса-жденном слое расчетному. Все вышесказанное можно отнести и к гидролизу кремнийэлементоорганических соединений в смешанных эмульситонах.

Большинство реакций алкоксисиланов определяется наличием в их мо-

лекулах реакционноспособных связей Si OC. Реакция гидролиза является

важнейшей и весьма специфичной для соединений алкоксиланов, но алкок-

293

сиальная группа может отщепляться не только под действием воды. Органи-ческие кислоты также способны гидролизовать алкоксиланы:

Si(OR)4 + 4RCOOH = Si(OH)4 + 4RCOOR

При действии на алкоксиланы недостаточным для полного гидролиза

количеством кислоты удается получить продукты гидролиза – полиалкокси-силоксаны [-Si-O-Si-]n

Si(OR)4 + H2O + ROH = Si(OH)4 + [-Si-O-Si-]n

Гидролиз многих солей неорганических и органических кислот в

эмульситонах приводит к тому, что они претерпевают со временем ряд суще-ственных изменений. В некоторых растворах солей при достаточном количе-стве воды образуются основные соли, которые постепенно гидролизуются, поэтому на ранней стадии созревания эмульситонов могут находиться в рав-новесии различные продукты гидролиза. Таким образом, процессы, проте-кающие в растворе, могут быть различными в зависимости от ряда факторов:

химической природы соли;

образующихся основных солей;

гидроокисей металлов. Особенно эти факторы проявляют себя в случае солей, которые сами

способны образовывать эмульситоны (нитраты или ацетаты Al, Zr, Fe, Cr, Co, Ni, Bi, Pb и др.). Взаимодействие их с водой играет значительную роль и в смешанных эмульситонах.

Гидратация или сольватация молекул растворенного вещества – про-цессы присоединения к веществу какого-либо растворителя (воды или спир-та) – проявляются крайне заметно в водно-спиртовых эмульситонах. Обычно под гидратацией понимают присоединение воды к различным веществам, на-ходящимся как в растворенном, так и в свободном состоянии.

Природа и концентрация легирующей примеси в пленке, а также тем-пература термообработки оказывают существенное влияние на показатель преломления пленок. Особенно интересный эффект выявлен на платиносо-держащих пленках, нанесенных на слой диоксида олова. Резкое повышение показателя преломления от 1.5 до 1.8 объясняется химическим взаимодейст-вием пленок Si-Pt-O co SnO2, а также изменением пористости пленок. При повышении температуры термообработки до 5500С происходит разрыхление

294

структуры, и рост пористости приводит к снижению показателя преломле-ния.

Один из вариантов осуществления золь-гель процесса, получивший на-звание метода растворной керамики, был использован для получения покры-тий на металлических поверхностях и гибкой электрической изоляции. Осно-ва золь-гель процесса по смешанной алкоксидно-солевой технологии состоит в осуществлении в жидкой фазе реакции гидролитической поликонденсации (ГП). В процессе ГП тетраэтоксисилан (ТЭС) превращается в олигомеры, об-разуя в растворе – золе устойчивую неорганическую полимерную сетку, со-

стоящую из связей Si–O–Si .

30.3. Состав и свойства пленкообразующих растворов

Алкоголяты щелочных и щелочноземельных металлов получают взаи-модействием металлов или оксидов металлов со спиртом. Иногда эту реак-цию проводят в растворе углеводорода или NH4OH. Равновесие смещают вправо связыванием или удалением воды отгонкой.

Be, Al, Y, Ln реагируют со спиртами в присутствии HgCl2, J2, HCl, HBr или галогенидов металлов.

Алкоголяты Ge, Ti, Zr, Nb, Ta, Sc, Y, La получают анодным окислением металла в спирте в присутствии электропроводной добавки.

Достаточно универсален метод синтеза алкоксидов алкоголизом ряда соединений металлов.

MXn = ROH = M(OR)n + nHX

Алкоголяты ряда переходных металлов могут быть получены окисли-

тельно-восстановительными реакциями, например, оислением органических производных металлов.

Для приготовления различных по составу и назначению эмульситонов в лабораторных условиях можно использовать разнообразные исходные со-единения, руководствуясь общими рекомендациями по выбору оптимального состава, способа приготовления и требуемой чистоты реактивов.

В условиях же промышленного производства эмульситонов целесооб-разно применять высокочистые материалы, в настоящее время активно вы-пускающиеся на Западе. Если чистота выпускаемых материалов недостаточ-

295

на, то можно предусмотреть дополнительные операции по очистке исходных соединений, естественно, при условии минимизации затрат на эти процессы.

К примеру, тетраэтоксисилан выпускается промышленностью различ-ной степени чистоты, в том числе и квалификации ОСЧ, а в случае необхо-димости может быть легко очищен ректификацией или даже простой пере-гонкой.

Примесные соединения для приготовления эмульситонов следует вы-бирать с учетом их промышленного выпуска в достаточно чистом виде (же-лательно ОСЧ). Эти соединения должны удовлетворять следующим услови-ям: обладать длительным (до нескольких месяцев) сроком хранения в герме-тически закрытых емкостях; быть мало летучими; иметь относительную ус-тойчивость на воздухе.

В качестве растворителя для эмульситонов обычно применяют этило-вый спирт-ректификат высшей очистки или абсолютный этиловый спирт.

Полимерные пленкообразователи в зависимости от химического строе-ния и функциональности подразделяют на:

Превращаемые - превращаются в неплавкий и нерастворимый по-лимер. Это масляные, каучуковые, глифталевые, полиуретановые, мочевин-ные, ПВА, фенольные, Si-органические смолы, эпоксидные.

Непревращаемые (после сплавления сохраняют растворимость и термопластичность) акриловые, нитроцеллюлозные, перхлорвиниловые, фторопластовые, канифольные.

Алкидные смолы представляют собой продукты поликонденсации многоосновных кислот и много атомных спиртов. На их долю приходится не менее 60% всех пленкообразователей. Они получаются по следующим схе-мам:

Глицерин + о-фталевая кислота глифталевая смола;

Пентаэритрит + о-фталевая кислота пентафталиевая смола;

Жирные кислоты (масла) – касторовое, подсолнечное. Процесс получения покрытий заключается в окислительной полимери-

зации молекул алкидного олигомера по двойным связям радикалов жирных кислот. Под действием света в высыхающих маслах происходит накопление гидроперекисей, которые инициируют процесс окислительной полимериза-ции. Мочевиноформальдегидные смолы. Мочевина и формальдегид взаимо-действуют в нейтральной или слабощелочной среде с образованием диметила мочевины.

296

Вопросы к лекции 30

1. Дать определение золь-гель процесса. 2. Дать определение золя. 3. Дать определение геля. 4. Дать определение тиксотропии. 5. При какой температуре многие органические растворы, имеющие

практическое применение в настоящее время, являются пленкообра-зующими?

6. Что происходит на первой стадии золь-гель процесса? 7. Что происходит на второй стадии золь-гель процесса? 8. Что происходит на третьей стадии золь-гель процесса? 9. Что обычно применяют в качестве растворителя для эмульситонов при

золь-гель процессе? 10. На какое количество групп делятся конденсационные методы получе-

ния золя?

297

Лекция 31

ТЕХНОЛОГИЯ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 13. Технология жидкофазной эпитаксии

План лекции

31.1. Сущность метода ЖФЭ 31.2. Технологические особенности ЖФЭ 31.3. Материалы для оптоэлектроники, выращиваемые методом ЖФЭ 31.4. Примеры выполнения жидкофазной эпитаксии при изготовлении

планарных структур

31.1. Сущность метода ЖФЭ

Метод жидкостной эпитаксии (LPE – Liquid Phase Epitaxy) использует-ся главным образом для выращивания кристаллов полупроводниковых со-единений. Термин «эпитаксия» – буквально «расположение на» описывает ориентированный рост одного кристалла на другом, причем кристаллографи-ческая ориентация слоя определяется ориентацией подложки. Еще с 1836 го-да на сколах минералов осаждали различные семейства солей из водных рас-творов. Современная жидкостная эпитаксия представляет собой частный случай кристаллизации из раствора. Особенность ее в том, что фронт роста здесь определяется плоской затравкой.

Методы жидкостной эпитаксии можно разбить на две группы: 1) нестационарные методы, в которых раствор компонентов подверга-

ют управляемому охлаждению; 2) стационарные методы, где вещество переносится под действием

градиента температуры.

Первая группа пример роста GaAs на подложке GaAs (рис. 31.1)

метод Нельсона: в кварцевую трубку, нагреваемую до 800–900С, помещают

298

графитовую лодочку с расплавом GaAs + Ga и подложку GaAs так, чтобы не было контакта.

Рис. 31.1. Схема установки жидкофазной эпитаксии

После нагрева до 800900С печь наклоняют, и расплав растекается по

подложке, систему охлаждают, и в результате происходит эпитаксиальное осаждение.

При достижении температуры 400–500С печь поворачивают, и рас-

плав стекает с подложки, но не полностью, и некоторый рост пленки идет и при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры.

Для получения тонких пленок (14 мкм) предложен еще один неста-ционарный метод. Он заключается в погружении в расплав GaAs холодной подложки. Окружающий подложку расплав быстро охлаждается, становится пересыщенным, и на подложке осаждается пленка. Толщина ее зависит от относительных температур подложки и расплава и от продолжительности контакта. Слои 1–4 мкм толщиной были выращены при температурах под-

ложки и расплава 750 и 800С соответственно.

Вертикальный метод погружения легко управляем. В установке, изо-браженной на рис. 31.2, используется трехзонная печь с регулируемым осе-вым распределением температуры с высокой точностью.

Для создания температурного профиля в кварцевой реакционной труб-ке устанавливали полированные молибденовые радиационные экраны. Для поддержания и изменения температуры использовались регуляторы фирмы

«Эуротерм». Благодаря этим мерам точность поддержания температуры

0,01 С при средней температуре 1050 С в печи.

299

Рис. 31.2. Вертикальная установка ЖФЭ

Кристаллизационную систему продували потоком Ge со скоростью 50 мл/мин. Расплав Ga находился в тигле из кварца или пиролитического нит-

рида бора. Кристаллизация начиналась при температуре 1000 – 1050 С. ско-

рости охлаждения составляли 0,1 – 10 /мин.

Вторая группа выращивание Si из раствора в Al. Этот метод назван

зонной плавкой. Две пластинки Si, разделенные тонким слоем Al (рис. 31.3), нагреты так, что верхняя имеет более высокую температуру. Поэтому вблизи верхней пластинки растворимость кремния в алюминии больше, и он диф-фундирует к нижней пластинке, где и происходит рост кристалла. Если гра-диент поддерживать долго, то жидкая зона выйдет на поверхность. Выра-щенный материал легирован алюминием и приобретает р-проводимость. На подложках n-типа были выращены p-n переходы большой площади.

Для создания градиента температуры используется естественный тем-пературный профиль печи. При этом вершина тигля находится при более вы-сокой температуре, чем дно. Алундовый тигель имеет диаметр 35 мм и высо-ту 90 мм. Подложку погружают в раствор, который затекает поверх ее. Рас-пределитель из графита позволяет установить подложку на одной и той же высоте тигля, а также способствует снижению перепада температур между подложкой и дном тигля.

300

Рис. 31.3. Схема процесса «Зонная плавка»

Загрузка содержит, как правило, 200 г Ga, до 100 г GaAs, до 1 г Al и в

качестве легирующей n-примеси 4 – 12 мг Ti. Поверхность расплав находит-ся выше подложки на 25 – 30 мм. GaAs и Al не полностью растворяются Ga, и их избыток плавает в виде пластинок на поверхности, служа источником материала для эпитаксиального роста. С повышением температуры раство-римость GaAs и Al в Ga увеличивается и в растворе устанавливается темпе-ратурный градиент, который и обеспечивает перенос As и Al от источника к подложке. Условия роста оптимальны, когда перепад температур между ис-

точником и подложкой около 10. Типичный температурный цикл состоял в следующем: 970 С, 1 час,

чтобы надежно обеспечить насыщение; 960 С, 1 ч. – стабилизация градиен-

та; введение подложки в Ga – раствор, выдержка и рост пленки 12 часов;

скорость снижения температуры 2 в час.

Метод ЖФЭ с градиентом температуры позволяет выращивать относи-

тельно толстые равномерные слои GaAs /Al. Скол Si погружали в 600 С рас-

плав Ge. Охлаждением до 400С получали слои Ge толщиной до 125 мкм.

Обычно в жидкостной эпитаксии применяют восстановительную среду (ток Н2) для удаления окисных пленок. В качестве растворителей использу-ются металлы третьей группы. Обнаружено, что уже небольшое натекание воздуха в системе питания водородом создает в эпитаксиальных слоях значи-тельные концентрации примесей. Так как в вакуумных системах можно с большой определенностью контролировать натекание и давление кислорода, то можно регулировать и уровень примесей, и их свойства (донорные, акцеп-торные). Наиболее вероятной остаточной акцепторной примесью в эпитакси-альных слоях является Si.

301

Скорость переноса компонентов в вакууме значительно выше, чем при нормальном давлении. Концентрация компонента в паре определяется скоро-стью его свободного испарения и диффузией в расплаве (90 % Ga, 10 % As). Это описывается математически и позволяет определить минимальное время, необходимое для растворения источника GaAs и поддержания постоянной концентрации As в расплаве и максимальную рабочую температуру. Эти ме-тоды относятся к вакуумным, сложны в использовании, но обеспечивают вы-сокое качество получаемых пленок из различных материалов: металлов, ди-электриков и полупроводников, а также позволяют получать сложные мате-риалы на различных поверхностях.

31.2. Технологические особенности ЖФЭ

Процесс выращивания эпитаксиальных слоев состоит из следующих стадий:

1. очистки подложки; 2. загрузки подложки Ga и GaAs во вращающуюся лодочку; 3. введения лодочки в вакуумную систему; 4. откачки камеры и нагрева лодочки в течение двух часов при тем-

пературе расплава для его насыщения (для GaAs 750 С);

5. поворота лодочки и перемещения насыщенного расплава на под-ложку;

6. охлаждения со скоростью 0,3 град/мин; 7. удаления расплава с подложки спустя один час (при этом образу-

ется слой толщиной 12 – 18 мкм) или сохранения расплава на подложке вплоть до комнатной температуры.

Тигли обычно изготавливают из кварца, но Si является нежелательной примесью для GaAs. При использовании кварцевых лодочек и трубочек в выращенных слоях примесь Si создавала p-проводимость. Для того чтобы подавить восстановление кварца, в систему вводили кислород. Концентрация

примесей снижалась. А при более высоком давлении кислорода (210-3 мм рт.

ст.) были получены слои n-типа. Однако, вследствие образования окислов, ухудшалось смачивание подложки расплавом и увеличивалась шерохова-тость поверхности эпитаксиального слоя. При замене лодочек на графитовые

концентрация носителей снижалась до (2,6 – 2,9)1025 см3, а их подвижность

увеличивалась, что свидетельствует о снижении содержания примесей.

302

Параметры кристаллизационного процесса определяют толщину плен-ки. Характер подготовки поверхности влияет на морфологию поверхности выращенных слоев.

Если процесс кристаллизации останавливают путем сливания расплава при сравнительно высоких температурах, то на поверхности часто задержи-ваются капельки расплава. Один из путей совершенствования слоев заключа-ется в удалении расплава вытиранием. Для этого используется специальный рычаг, который приводится в движение в тот момент, когда лодочка накло-няется. Другой путь – вытягивание подложки из расплава, при этом благода-ря силе тяжести и поверхностному натяжению жидкости обеспечивается полное ее стекание. Скользящий держатель подложки «слайдер» (slider – англ.) вытачивают из графита. Слайдер, надвигаясь на расплав, стирает с его поверхности всевозможные твердые частицы (Рис. 31.4), поэтому контакт подложки осуществляется с чистым расплавом. Это особенно важно, если расплав содержит Al, образующий корку Al2O3.

Рис. 31.4. Установка ЖФЭ со слайдером

При создании сложных многослойных структур особенно целесообраз-но использование слайдера и батареи расплавов (рис. 31.5).

Типичные скорости роста 10-3 10-2 см/ч. Благодаря малым скоростям

роста оказалось возможным управлять размерами эпитаксиальных слоев с

точностью 1 мкм. Малые скорости охлаждения (3 – 18 град/ч) предотвра-

щали чрезмерное пересыщение, и поэтому пленки росли гладкими. Высокая

точность регулирования температуры ( 0,01С при 825С) обеспечивала ма-

лые интервалы охлаждения (0,75 – 2С) и давала возможность выращивать

пленки толщиной 1 – 20 мкм.

303

Рис. 31.5. Установка ЖФЭ для многослойной эпитаксиии

Установлено, что скорость роста пленки линейно зависит от скорости охлаждения. Было обнаружено, что структурное совершенство слоев повы-шается, если процесс охлаждения несколько раз прерывали выдержками при определенных температурах. Таким путем были изготовлены очень сложные инжекционные четырехслойные лазеры с двойными гетеропереходами. В растровом электронном микроскопе заметна четкая прямолинейность границ слоя.

Количество эпитаксиально осажденного материала не зависит от пло-щади подложки. Толщина слоя довольно однородна – за исключением пери-

ферийных участков, колебания не превышают 10 %.

Заметное влияние на морфологию поверхности эпитаксиального слоя оказывает точность ориентирования подложки относительно плоскости (111). Микроскопические наблюдения методом интерференционного контра-

ста показали, что на хорошо ориентированной подложке (отклонение 0,03) образуются гладкие блестящие слои. А при разориентированной на 0,5 – 1,5 подложки относительно плоскости (111) образуются ступени роста в виде волн высотой до 1500 Å . Поэтому на поверхности таких слоев задерживают-ся капли расплава.

При травлении поверхности подложек (в H2O2) возможно частичное ее окисление, что приводит к островковому росту.

Возможность создания плоского фронта роста представляет собой ре-шающий фактор в создании сложных электронных приборов. Если учесть потребность в многослойных структурах с предельно плоскими переходами, то возможность управления этим эффектом приобретает особую важность. Однако управление термическими градиентами в расплаве, несомненно,

304

представляет очень трудную задачу, которая до сих пор не нашла полного решения.

Преимущество жидкостной эпитаксии перед другими методами заклю-чается в том, что нет нужды в стехиометрическом расплаве, рост может про-ходить при любой температуре и вблизи точки ликвидуса и при любом со-ставе. Правильный выбор растворителя позволяет снизить температуру кри-сталлизации. Чем ниже температура, тем ниже концентрация химических и структурных дефектов и меньше опасность загрязнений от материала тиглей.

31.3. Материалы для оптоэлектроники, выращиваемые методом ЖФЭ

Новые устройства – инжекционные лазеры, светоизлучающие диоды, СВЧ-генераторы, формирователи и преобразователи изображения, фотокато-ды, элементы интегральной оптики – это область оптоэлектроники.

Здесь основной физический процесс предполагает превращение элек-трического сигнала в световой или светового в электрический (переходы ти-па электрон-фотон). Многообразие физических процессов и явлений в опто-электронных приборах связано со сложностью структуры энергетических зон у полупроводниковых соединений, возможностью прямых и непрямых меж-зонных переходов и множества дискретных уровней в запрещенной зоне. В настоящее время, хотя уже существуют серийные оптоэлектронные приборы, принципы их действия и особенности поведения недостаточно ясны.

Новейшее направление оптоэлектроники – интегральная оптика, где формирование, передача, преобразование и, наконец, детектирование сигнала происходит в пленочной среде. Пленки полупроводниковых соединений А3В5 на сапфире (GaAs) обладают электрооптическим эффектом и поэтому обеспечивают возможность модуляции оптического сигнала, а на основе по-лупроводниковых соединений А3В5 создают пленочные лазеры с распреде-ленными параметрами (GaP, InSb).

Методом ЖЭ кроме GaAs выращивают эпитаксиальные плёнки

ZnP – для СВЧ - генераторов.

InSb, GaSb, Ge-Si – гетеропереходы. Скол кремния погружали в

600-градусный расплав германия. Охлаждением до 400С получали слои

германия толщиной до 125 мкм.

305

Плёнки PbS на подложках Ge были выращены при комнатной температуре из водных растворов NaOH, Pb(NO3)2 и тиомочевины.

GaP для изготовления р-п- переходов, излучающих видимый свет (легирование осуществляется цинком р-типа и теллуром п-типа).

Ga-Al-As – для инжекционных лазеров. Это соединение обладает более широкой запрещённой зоной, чем GaAs.

Эпитаксиальные плёнки магнитных гранатов Eu2Er, Ga0,7Fe4,3O12 , EuEr2Ga0,2Fe4,3O13 выращивали на подложках немагнитного граната Ga3Ga5O12 из растворов, содержащих Eu2O3, Br2O3, Ga2O3, Fe2O3 и смесь PbO и B2O3 в качестве растворителя.

31.5. Примеры выполнения жидкофазной эпитаксии при изготовлении планарных структур

Наивысший внешний квантовый выход имеют электролюминисцент-ные диоды на AlXGa1-XAs, GaP, GaAs, сформированные эпитаксией жидкой фазы (рис. 31.6). Они используются для изготовления диффузионных элек-тролюминисцентных диодов.

Лазеры с очень низким порогом созданы на гетеропереходах GaAs-AlGa-As. Изготовление планарных монолитных структур методом эпитаксии из жидкой фазы откроет возможности получения высококачественных свето-диодов и других приборов в интегральном исполнении.

Эпитаксия из жидкой фазы должна обеспечить гладкость поверхности и равномерность толщины слоя, особенно для трех компонентных сплавов типа AlXGa1-XAs, в которых концентрация изменяется по толщине. Коэффи-циент диффузии зависит от соотношения Al/Ga, которое влияет на длину волны излучения по толшине пластины. Методы погружения или сбрасыва-ния не дают требуемых результатов, так как остаток расплавленного Ga на поверхности дает неравномерность и неоднородность концентрации. Пре-одолеть эту трудность позволило использование специальных кассет в обыч-ной диффузионной печи горизонтального типа.

Новая аппаратура для выращивания гладких однородных поверхностей AlXGa1-XAs, включает графитовый держатель, в котором находится GaAs- подложка, а на некотором расстоянии от нее кусочек поликристаллического GaAs. Расплав, содержащий GaAl и легирующие добавки, помещен в верхней подвижной графитовой пластине (5), высота расплава ~0,8 мм. В верхней

306

пластине (6) предусмотрены ячейки для легирующих примесей: (Te, Zn). Пластины сдвигают с помощью толкателя (7). В начале графитовая кассета нагревается до температуры насыщения расплава материалом источника, т.е. до tПЛ. GaAsКР.=9300С. Сдвигая пластину (2) расплав помещают над подлож-кой. Эпитаксиальный слой толщиной 10 мкм можно вырастить, охлаждая расплав до 9000С со скоростью 0,4 с/мин. После этого температура снова по-вышается на 50 (до 9050С) и охлаждение осуществляется до 9000С со скоро-стью 0,40С/ мин. Этот цикл необходим для повышения квантового выхода светодиодов. С циклом «подрастворения» квантовый выход светодиодов увеличивается в пять раз. После того, как t = 9000С достигнута второй раз, расплав сдвигается перемещением верхней пластины – остается гладкая по-верхность, свободная от Ga. Кассета помещена в печь таким образом, что температура верха ее выше температуры дна, а горизонтального температур-ного градиента нет. Это позволяет избежать роста дендритов из расплава.

Стоимость материала низка, т.к. испаряются небольшие количества расплава (~ 1г Ga на 1см2 GaAs подложки). Поверхность полученного слоя гладкая и не требует травления и полировки для фотолитографии, т.к. гори-зонтального градиента нет.

Изготовление монолитного планарного прибора. GaAs легированный оловом, полировался, шлифовался и использовался в качестве подложки толщиной ~0,25 мм. Для улучшения смачиваемости подложки расплава галия ее подтравливали HF:HWO3 :H2O (1:2:4). Пластина и расплавленный GaAl за-гружали в кассету, осуществляли эпитаксиальное наращивание слоя Ga-Al-As легирующие. Перед осуществлением диффузии цинка наносится оксидная маска из Al2O3 (SiO2 не подходит, т.к. Zn диффундирует через нее). Пленку Al2O3 получали ВЧ катодным распылением при частоте 13,5 МНz на подлож-ке с t = 3500С в вакууме ~10-7 Па с Ar. Для выделения локальных диффузион-ных диодных структур применяют фоторезист. Травление Al2O3 фосфорной кислотой (85%). Для предотвращения повышенной эрозии во время диффу-зии осаждали SiO2 пленку толщиной 0,1мкм методом пиролитического раз-ложения тетраэтоксисилана при t = 4500С в потоке О2..

Диффузионная установка представляет собой двухзонную печь. Пла-стина расположена в зоне с температурой 800 °С, а Zn в зоне с температурой 7950С.

307

Рис. 31.6. Схема изготовления монолитного планарного прибора методом ЖФЭ

Поток форминг-газа (Н2) движется со скоростью 400см3/мин. В процес-се диффузии, длящейся около 1ч, формировался переходный слой ~2мкм с сопротивлением 35 – слой р-типа. Поверхность AlXGa1-XAs после диффузии Zn осталась гладкой и блестящей. Контактные окна в пленке SiO2 были вскрыты буферным раствором HF (процесс фототравления – после ФЛГ). Затем на нагретую до 250 °С пластину осаждали сплав Au c Zn(5%), затем снова производилось фототравление раствором KJ-J2. Обратная сторона пла-стины металлизировалась AuSn в электрохимическом процессе в хлоридной ванне.

Полученные планарные структуры обладают электрическими и оптиче-скими свойствами диффузионных светодиодов. Диоды излучали свет от красной до ИК-области спектра с пиком энергии (квантовым выходом) изме-няющемся в зависимости от состава эпитаксиального слоя. Изменение све-тимости с плотностью тока прибора почти линейно в широком интервале то-ка.

Вопросы к лекции 31

1. В чем заключается процесс жидкостной эпитаксии?

308

2. Что понимают под стационарным и нестационарным методами жидко-стной эпитаксии?

3. Что представляет собой реактор для жидкостной эпитаксии? Какова его функция в процессе эпитаксии?

4. Каковы критерии выбора металла – растворителя для эпитаксии GaAs? 5. Каковы критерии выбора материала лодочки? 6. Как объяснить высаживание эпитаксиального слоя на подложки в ре-

жиме выключенной печи? 7. Какова точность регулирования температуры в режиме охлаждения? 8. Как соотносятся между собой кристаллографические ориентации под-

ложки и эпитаксиального слоя? 9. Что понимают под “гомоэпитаксией” и “гетероэпитаксией”? 10. Для каких устройств созданы структуры методом жидкостной эпитак-

сии?

309

Лекция 32

БОЛЬШИЕ ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 14. Большие гибридные интегральные схемы

План лекции

31.1. Отличительные особенности БГИС 31.2. Классификация БГИС 31.3. Однокристальные БГИС 31.4. БИС на нескольких кристаллах 31.5. Структура: Al (проводник) – (SiO2-Si-Si-SiO2)

32.1. Отличительные особенности БГИС

Основная тенденция современной микроэлектроники – переход к схе-мам с высокой степенью интеграции, т.е. к большим интегральным схемам (БИС). Этот переход осуществляется на базе:

1. Машинного проектирования ИС; 2. Нового высокопроизводительного технологического оборудования; 3. Новых методов многослойной коммутации и межслойной изоляции компонентов; 4. Новых методов сборки и микроконтактирования; 5. Новых надежных корпусов и методов герметизации; 6. Методов и средств контроля ИС.

Если кристаллы обычных ИС имели размеры до 1 мм2, то кристаллы БИС достигают 5 мм2 и более. Увеличение размера кристалла и связанное с ним увеличение уровня сложности полупроводниковой однокристальной БИС ведет к уменьшению числа внешних соединений и, следовательно, к по-вышению надежности системы.

310

Например, БИС, применяемая в массовых изделиях приборостроения (калькуляторы, часы), содержит все электронное устройство изделия: генера-тор, делитель частоты, формирователь импульсов, дешифратор, арифметиче-ское устройство ЗУ, схему управления. В то же время аналогичные изделия на ИС с низким уровнем интеграции отличается пониженной надежностью с низкими эксплуатационными характеристиками.

Производство БИС базируется на эпитаксиальном росте пленочных структур, термических процессах диффузии и окисления, фотолитографии, технологии многослойной коммутации и межслойной изоляции. Увеличение качества БИС за счет сокращения высокотемпературных и фотолитографи-ческих операций основано на развитии технологических процессов:

- ионного легирования, - электронно–лучевой фотолитографии, - плазмохимической обработки.

32.2. Классификация БИС

Анализ зарубежных и отечественных разработок позволяет с точки зрения конструктивных и технологических особенностей подразделить БИС на следующие:

1. Сложная функциональная схема на полупроводниковом кристалле с высокой степенью интеграции.

2. Полупроводниковая пластина с многослойной коммутацией. БИС этого типа объединяют различные функциональные ИС.

3. Многокристальная схема, в которой отдельные кристаллы устанав-ливаются в один многовыводной корпус и соединяются с помощью навесных проводников.

4. БГИС (гибридные БИС) – многокристальная схема, в которой от-дельные кристаллы устанавливают на диэлектрическую подложку совместно с пассивными элементами (резисторами, конденсатора-ми). Для улучшения числа слоев коммутации, улучшения теплоот-вода и т.д., диэлектрическая подложка может представлять собой многослойную керамику, проводники в которой пленочные.

311

32.2.1. Однокристальные БИС

Однокристальные БИС имеют ограниченную практическую степень интеграции и, следовательно, функциональную сложность схем, в связи с существованием энергетического, теплового и конструкционного преде-лов.

Второй тип БИС, устанавливаемый на целой неразрезанной полупро-водниковой пластине, является логическим следствием первого. Целая пла-стина является рабочей единицей, получаемых после комплекса технологи-ческих процессов. На ней можно достигнуть высоких уровней сложности (до 5 тыс. схем на пластине).

Здесь используется метод фиксированных соединений, основанный на разработке стандартных фотошаблонов. Комплект фотошаблонов для чере-дующихся слоев металлизации и изоляции (для коммутации) изготавливается на основании результатов испытания ячеек на пластине, чтобы использовать только годные схемы. Необходимость проверки каждой ячейки создает про-блемы:

- увеличение коэффициента использования кристалла за счет лишних контактных площадок,

- возникновение паразитных связей при изменении картины межсо-единений.

Поэтому при массовом производстве БИС целесообразно применять специализированную вычислительную машину, которая будет производить следующие операции:

- прием данных 100%-го контроля полупроводниковой пластины; - компоновку БИС; - трассировку соединений; - управление установкой рисунка на фотошаблоне. Другой путь создания БИС на неразрезанной пластине заключается во

введении избыточных ячеек и двух уровней коммутации: первого - внутри ячейки, второго – для всей пластины. После функционального контроля схе-мы требуется провести разрыв связей внутри дефектных ячеек или же связи второго уровня, с помощью электронного луча или ОКГ.

Существует также метод переноса контактных площадок. При этом создается коммуникация на элементарных ячейках, а рисунок межсоедине-ний создается с использованием отдельных контактных площадок на диэлек-трике неподалеку от контактов ячеек. Далее производится подгонка контакт-

312

ных площадок годной ячейки к контактным площадкам межсоединений ко-роткими металлическими перемычками.

Тем не менее, технология создания БИС на неразрезанной пластине очень сложна с любым из указанных методов.

32.2.2. БИС на нескольких кристаллах

Более простым и гибким является метод создания БИС на нескольких кристаллах, собранных в одном корпусе. Кристаллы могут содержать как от-дельные транзисторы, так и ИС с различным уровнем интеграции.

Такой тип БИС содержит большое количество проволочных соедине-ний. Это снижает надежность и увеличивает объем сборочно-монтажных ра-бот. Поэтому он был распостранен только на первом этапе разработки БИС.

В четвертом типе БИС использованы все преимущества полупроводни-ковой и тонкопленочной технологии. БГИС по характеристикам надежности, стоимости, быстродействию и габаритам значительно превосходит печатный монтаж с использованием ИС. Действительно, монтаж кристаллов на тонко-пленочной коммутационной плате обеспечивает более высокую надежность, чем соединения корпусных ИС с печатной платой. При этом значительно уменьшается число контактов в устройстве. В многокристальных БИС уро-вень интеграции составляет не менее 10 кристаллов на корпус. Количество ИС в БГИС достигает 100, таким образом, степень интеграции БГИС на два порядка выше, чем в полупроводниковых БИС. Если принять, что на нераз-резанной полупроводниковой пластине дефектные ИС составляют 10 % и случайно распределены по пластине, то общий процент выхода годных БИС составит не более 3%. Для БГИС эта величина ~ 30 %.

Быстродействие схем в значительной степени зависит от длины мон-тажных линий. В современных платах с печатным монтажом скорость рас-пространения сигнала составляет 15 см/с. при пленочной коммутации в БГИС длина соединительных линий сокращается на порядок. Это определяет их быстродействие.

Итак, технология приготовления БГИС предполагает использование «покупных» изделий полупроводниковых приборов и ИС. БГИС, как прави-ло, проигрывает чисто полупроводниковым БИС по плотности упаковки, но в них проще решаются проблемы теплоотвода, паразитных связей, стоимости и

313

т.д. Кроме того, с помощью БГИС могут быть достигнуты максимальные уровни интеграции.

БГИС с применением полимерной пленки позволяет увеличить число слоев при одновременном повышении надежности соединений. Тонкая по-лимидная пленка (h=50-60 мкм) покрывается металлическими пленками Cu c обеих сторон (термовакуумное напыление). В процессе напыления осущест-вляется металлизация заранее вытравленных отверстий. Рисунок проводни-ков изготавливается посредством ФЛГ. Далее производится электрохимиче-ское наращивание проводников с последующей защитой слоем олова и вис-мута.

Полимидная пленка с двухслойной коммутацией крепится на диэлек-трической подложке, имеющей пассивные элементы и 2-х или 1-слойную коммутацию, а также навесные ИС. Крепление осуществляется пайкой или сваркой к столбикам. Под ИС в полимидной пленке предусмотрены отвер-стия. Кроме того, ИС могут крепиться к полимидной пленке. В подобной конструкции БГИС реализованы схемы с числом пересечений 2000 и числом переходов с уровня на уровень ~ 500. При этом гарантия качества 100 %.

Число коммутационных слоев может быть увеличено при склеивании полимидных пленок с 2-х и 1-слойной коммутацией в гибкую многослойную конструкцию, подобную МПП.

В качестве межслойных склеивающих материалов можно использовать полимидные пленки, а также с резистивным покрытием. Методом селектив-ной ФЛГ на ней могут быть сформированы как двухслойная коммутация, так и резисторы. Переход на гибкие коммутационные платы облегчает серийное производство БГИС, т.к. гибкие материалы могут поставляться в виде руло-нов, которые удобны для применения в непрерывных технологических про-цессах.

В БГИС одновременно с многослойной коммутацией формируются контактные выступы из меди для монтажа ИС без выводов. Для этого на подложку напыляют: Cr (0,1 мкм) , затем Al (1 мкм ), слой Cu (5 мкм). Cr обеспечивает хорошую адгезию проводников к подложке и коррозионную защиту Al от Cu. Создание выступов осуществляется селективной фотолито-графией с помощью ФР позитивного ФП – 383. Травление меди осуществля-ется смесью уксусной, ортофосфорной и азотной кислот. Выступы приобре-тают форму трапеций с высокой равномерностью по высоте .

Одним из основных дефектов структуры Al-SiO-Al являются микро-трещины в проводниках и диэлектрике, поскольку КТР пленок Al и SiO

314

сильно различаются. Количество трещин увеличивается с увеличением тол-щины пленки SiO и с увеличением температуры обработки пленок.

С целью нивелирования этого недостатка SiO2 слой получают методом ВЧ – распыления при температуре подложки 100°С. в слое толщиной 1,5-2,0 мкм дефекты могут быть залечены импульсом тока. По этой технологии число закороченных соединений не превышает 5%.

В качестве изолированного слоя может быть использовано стекло (SiO2

+ оксиды металла) толщиной 14-15 мкм. в связи с тем, что для оплавления стекла требуется высокая температура и окислительная среда, в качестве нижнего слоя коммутации используется пленка Au, получаемая термоваку-умным напылением. Верхний слой коммутации это напыленные Al и Cu.

В усовершенствованном варианте этого типа БГИС еще один слой про-водников наносится на обратную сторону ситалловой подложки, в которой имеются отверстия , прошитые лазерной или электронно–лучевой обработки. Переходы между слоями осуществляется металлизацией отверстий (химиче-ской). Другой вариант – если на обратную сторону подложки нанести слой металлической фольги, то при электронно–лучевой обработке испаряющийся материал заращивает отверстия.

В качестве изоляционного слоя может быть использован полимерный лак ПАК – 1. Слой Al толщиной примерно 0,7 мкм обеспечивает удельное сопротивление≤0,05 Ом/□. Однако, возможность образования трещин на сту-пеньках в диэлектрике, вызывает необходимость увеличить слой до 2-3 мкм.

32.3. Структура: Al – (SiO2-Si-Si-SiO2)

Комбинированный диэлектрик – (Cu-V) проводник обеспечивает луч-шее качество слоев и коммутации. В технологический процесс создания та-кой структуры входят следующие операции:

1. Термовакуумное напыление Al; 2. Фотолитография нижнего коммутационного слоя; 3. Нанесение SiO2 методом газового пиролиза Si – органических со-

единений при t=500˚С (0,2 мкм); 4. Напыление Si (ионно–плазменное распыление) в среде Ar (1,2 мкм); 5. Фотолитография Si; 6. Повторное напыление Si,ФЛГ, нанесение SiO2;

315

7. Слои SiO2 и Si травят в разных травителях (селективно). Сначала вытравливаются окна в Si, а после нанесения второго слоя форми-руются окна в обоих слоях SiO2 до нижнего слоя Al;

8. Напыление Cu и V; 9. Нанесение фоторезиста – образование окон; 10. Стравливание V в окнах и электрохимическое нанесение Sn в них; 11. Снятие фоторезиста и фотолитография верхнего коммутационного

слоя. Процент выхода годных плат по этой технологии 30-40%. Посколь-

ку медь быстро окисляется, ее защищают серебром для облегчения после-дующего контактирования.

Нанесение пассивных элементов схемы одновременно с последующей коммутацией. На ситалловую подложку за 1 технологический цикл осаждают два сплошных слоя: резистивный (Ni-Cr) и проводящий (Au-Cd) методом термовакумного напыления. Далее проводят ФЛГ и получают резисторы и 1-й слой коммутации. Затем на центрифуге наносят слой полимерного лака в 2 мкм с последующей его полимеризацией при 200˚С.

В слое полимида вытравливают окна для соединения с верхним слоем коммутации из Al, который также наносят вакуумным напылением и ФЛГ.

При напылении Al используется подслой Ti или V толщиной 0,5-1 мкм, который улучшает адгезию Al и предотвращает образование интерметалли-дов Al – Au в местах соединения.

В целях улучшения в БГИС можно использовать керамику в качестве подложки вместо ситалла, в частности поликора, керамики ХС-22. В этом случае проводники получаются методом трафаретной печати пастой Ag – Pd, а диэлектрики - пастой, содержащей Al2O3 со стеклом. Такая технология обеспечивает малое удельное сопротивление проводников и малые паразит-ные емкости, но не имеет малую плотность коммутации. Кроме того из-за неплоскостности проводников здесь исключено применение механизирован-ной сборки при установке ИС.

Увеличить плотность компоновки позволяет использование много-слойной керамики. Наиболее подходят по требованиям глиноземистая и бе-риллиевая керамика. Они обладают низкой диэлектрической проницаемо-стью, хорошей теплопроводностью, согласованностью КТР и механической прочностью.

Технология изготовления многослойной керамической платы довольно сложна. Сначала из керамического материала изготавливают гибкую пленку

316

из суспензии (керамический шликер), содержащей исходные окислы, орга-нический растворитель и добавки ПАВ, пластификаторы. После сушки и раз-резки плат в них пробивают отверстия для металлизации. Металлизация осуществляется Мо – столбиками или Мо – фольгой с помощью специальных штампов, а также химическим методом Мо и V. Затем после контроля под-ложек их складывают одну на другую и нагревают. В процессе спекания уле-тучивается органический растворитель и керамика уплотняется, образуя кон-тактные переходы между слоями. Для предотвращения окисления металлов спекание проводят в среде Н2. Полученную слоеную конструкцию шлифуют и полируют до вскрытия контактов, которые затем металлизируют вакуум-ным напылением пленки металла. Толстопленочная технология не примени-ма для верхнего слоя коммутации, поскольку не достигается требуемая раз-решающая способность разводки.

Вопросы к лекции 32

1. В чем заключается основная тенденция микроэлектроники? 2. Что следует понимать под степенью интеграции интегральной схемы? 3. В каких массовых изделиях приборостроения применяются большие

интегральные схемы (БИС)? 4. Какие операции в производстве БИС являются базовыми? 5. Каковы пути повышения качества БИС? 6. Что представляет собой однокристальная БИС? 7. Что представляет собой многокристальная БИС? 8. Как соотносятся БИС и БГИС по плотности упаковки? 9. Какие материалы применяются в качестве подложки БГИС? 10. Какова технология изготовления многослойной керамической платы

для БГИС?

317

Лекция 33

КОММУТАЦИЯ ГБИС

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 14. Большие гибридные интегральные схемы

План лекции

33.1. Многослойная коммутация на диэлектрической подложке для БГИС

33.2. Межслойная изоляция 33.3. Выбор материалов проводников 33.4. Варианты двухслойной коммутации в БГИС. 33.5. Надежность многослойных соединений

33.1. Многослойная коммутация на диэлектрической подложке для БГИС

В БГИС коммутируются многофункциональные полупроводниковые ИС с высокой и средней степенью интеграции на небольшой площади. Для этого обычно создается двухслойная коммутация на диэлектрической под-ложке. Иногда требуется большее число слоев.

Технология многослойной коммутации состоит в последовательном нанесении токопроводящих и изолирующих пленок и придании им соответ-ствующей конфигурации (фотолитография). Одна из важнейших проблем в многослойной коммутации – получение надежной межслойной изоляции.

Материал диэлектрика должен иметь низкую диэлектрическую прони-цаемость, высокое удельное сопротивление, минимальное влагопоглощение, высокую электрическую прочность.

В качестве изолирующих материалов БГИС применяют неорганиче-ские диэлектрики: окислы металлов и полупроводников, оксидные стекла (PbO, TiO2, Bi2O3, HfO2, GeO, Ta2O5, ZnO2, SnO2, ZrO2, CaO, Al2O3, BaO, Mg2O и др.). Основным требованиям удовлетворяют пленки SiO, SiO2, Al2O3, Ta2O5,

318

которые получают термовакуумным напылением, реактивным и ВЧ – распы-лением и анодированием. Осажденные ВЧ – распылением пленки однородны и имеют аморфную структуру, устойчивую до 500°C. Успешно применяются сравнительно новые термохимические методы, такие как гидролиз силанов (золь - гель метод) и термическое разложение кремний - органических соеди-нений (CVD – метод).

33.2. Межслойная изоляция

В последние годы проявляется интерес к использованию в качестве межслойной изоляции нитрида кремния Si3H4, т.к. он имеет более высокую теплопроводность, термостабильность, радиационную и химическую стой-кость, чем SiO2. Его получают аммонолизом, т.е. CVD – методом, в присут-ствии NH4 при температуре подложки 1000°C. Введение нитридных пленок в технологию межслойной изоляции сдерживается высокой температурой под-ложки.

Наиболее перспективными в пленочной микроэлектронике являются стеклообразные композиции. Состав композиций позволяет варьировать электрические, механические и тепловые параметры пленки диэлектрика. Стекла не чувствительны к поверхности подложки, пленки беспористы. К стеклообразующим окислам относятся SiO2, GeO, BrO3, P2O5, Ag2O3, Sb2O3. С ними сочетаются окислы TeO2, SeO2, МоO3, Bi2O3, Al2O3, Ga2O3, V2O5.

Равномерные по толщине однородные беспористые пленки контроли-руемого состава получаются при нагреве порошка стекла вблизи температу-ры размягчения примерно 5 минут. В процессе нанесения требуется жесткий контроль размера частиц стеклянного порошка (~0,1 мкм) и вязкости суспен-зии.

Преимущество метода – стабильность химического состава пленок, за-лечивание пор и хорошая адгезия к подложке, простота оборудования и тех-нологичность процесса.

Основной недостаток процесса связан со сравнительно высокой темпе-ратурой отжига.

Методика процесса состоит в следующем. Стекло сложного состава: Al2O3 – 10 %, ZnO – 40 %, CuO – 10 %, PbO – 20 %, Ba2O3 – 20 % после тща-тельного размельчения растворяют в растворе: трихлорэтилен – 30 %, этил-ацетат – 20 %, изопропанол – 15 %. В полученную суспензию стекла поме-

319

щают подложку и центрифугируют 2-3 минуты при скорости 4000 об/мин. Слои по 7 мкм оплавляют и снова наносят.

Наряду с седиментацией применяют химическое высаживание стекол из раствора. Для этого применяют пленкообразующие соединения, разла-гающиеся при Τ = 250 – 700 ˚C. Это этиловый или бутиловый эфир орток-ремниевой кислоты или диметилэтоксихлорсилан, которые при гидролитиче-ской поликонденсации образуют силоксановые цепи, т.е. полимеры. После-дующая кратковременная термоокислительная деструкция при T=250-700˚С превращает пленку в стекловидную.

Для нанесения пленкообразующих растворов могут применяться мето-ды погружения, распыления и пульверизации, нанесение раствора пипеткой на подложку, которую приводят во вращение.

Качество получаемых из растворов пленок зависит от чистоты покры-ваемой поверхности, чистоты воздуха в помещении, срока хранения раство-ров, а также точности поддержания температуры деструкции.

В процессе нанесения стекло может покрываться сетью трещин, кото-рые приводят к коротким замыканиям между верхним и нижним слоями ме-таллизации. Этот процесс зависит не только от состава стекол , но более от толщины пленки, поскольку к растрескиванию приводят внутренние напря-жения в толстых пленках.

Новый тип материалов для многослойной коммутации – органические диэлектрики. Они отличаются эластичностью, минимальными внутренними напряжениями и технологичностью и имеют высокие диэлектрические пара-метры: ε = 2,5-6,0 (коэффициент диэлектрической проницаемости), ρ > 1010 Ом/см. (удельное сопротивление).

После полимеризации органические диэлектрики образуют плотную пленку без пустот и трещин.

Методы получения диэлектрических пленок включают: 1. Электронную бомбардировку органических материалов – метилметак-

рилата, стирола, эпоксидной смолы и др. смола или полимер испаря-ются в высоком вакууме при t=110˚С при одновременной электрон-ной бомбардировке подложек.

2. Фотолиз – при облучении поверхности металлизированной подложки (1-го слоя коммутации) УФ – светом в присутствии паров бутадиена , метилметакрилата, акролеина, дивинилбензола, на поверхности обра-зуется стабильная и надежная пленка полимера. Толщины полимер-ных пленок 1000-2000 А˚, сообщалось на толщине 200 А˚. Свойства

320

полученных пленок практически не отличаются от свойств исходных полимеров.

3. Самый распространенный метод нанесения пленок – нанесение в тлеющем разряде. Система включает горячий катод и анод , в качест-ве которого выступает подложка. Скорость нанесения зависит от на-пряжения между катодом и подложкой , ионного тока и степени ва-куума. Температура катода может достигать 1600˚С, при этом нагре-вается подложка, что является недостатком метода. На подложке происходит рекомбинация свободных радикалов, образующихся в га-зовой фазе. При этом получается полимер.

Диэлектрические свойства органических пленок зависит от природы мономера и способа получения пленок. Эти свойства аналогичны свойствам массивного материала и отличаются высокой электрической прочностью (>106 В/см).

При облучении пленки полимера УФ – светом в присутствии О2 про-исходит деполимеризация, следовательно, отпадает необходимость в исполь-зовании фоторезиста для получения рисунка слоя. При использовании фото-шаблона или трафарета получается хорошее разрешение.

В отечественной микроэлектронике применяются изоляционные слои на основе полимерного лака ПАК – 1 и фоторезиста ФН – 103, которые нано-сят на подложку центрифугированием с последующей полимеризацией при 200˚С. сообщалось об использовании органических пленок n – ксилилена, циклокаучука.

Часто используются сложные структуры из нескольких последователь-но – наносимых слоев разных материалов. «Сэндвиничные» диэлектрики ха-рактеризуются меньшим числом проколов и более высокой надежностью. Пары: Al2O3-SiO2, Al2O3-ПАК – 1 представляют особый интерес.

33.3. Выбор материалов проводников

При выборе материала проводников в сочетании с диэлектриком сле-дует учитывать эффекты термо- и электродиффузии, которые могут иметь место при работе схемы.

Следует принимать во внимание также технологическую совмести-мость материалов и процессов.

321

В многослойной коммутации используются проводники в виде тонких пленок Al, Au, Cu, Ta, Ag, а также комбинации Cr-Au, Cr-Al, Ta-Al. Они должны обеспечить надежный контакт в местах перехода одного слоя на дру-гой и минимальное сопротивление проводящих линий ρ не более 0,01 Ом/□.

Для получения двухслойного проводника Al-Au толщина верхнего слоя Al должна быть в 4 раза больше толщины слоя Au. Это позволяет избежать при нагреве выпадения фаз AuAl2 и AuAl, имеющих высокие удельные со-противления. При использовании Al и Ta в качестве проводящих слоев сле-дует учитывать возможность окисления проводников в процессе нанесения диэлектрика. Окисление приводит к увеличению контактного сопротивления между слоями. Термообработка при 500 ˚С приводит к тому, что Al реагиру-ет с Al2O3, образуя окислы другого состава и разрушая сплошной слой ди-электрика.

33.4. Варианты двухслойной коммутации в БГИС

1.С изоляцией в местах пересечения 2.Со сплошным слоем изоляции и окнами в местах контакта верхнего и

нижнего слоев металлизации Пересечение должно быть выполнено так, чтобы паразитная емкость

была минимальной. Потому стремятся увеличить толщину пленки диэлек-трика, что затрудняет получение однородного металлизирующего покрытия, т.к. образуются ступеньки в местах контакта. Сглаживание ступенек дости-гается химической обработкой рельефа изолирующей пленки.

Для исключения влияния ступенек применяют методы анодирования металлических пленок. пленки Al2O3 и Ta2O5 могут обеспечить бесступенча-тую двухслойную коммутацию. Например:

а) на подложку наносят 1- й слой металлизации (Ta, Al). Затем его окисляют в ванне на небольшую глубину (Al2O3,Ta2O5) точно по рисунку 1-го коммутационного слоя.

б) Затем те участки Al, которые по обычной технологии должны быть стравлены , полностью окисляют , используя фотошаблон и метод ФЛГ.

в) Верхний слой коммутации, наносимый далее, образуется уже на плоском бесступенчатом основании.

г) Изоляция Al2O3 может быть усилена нанесением на нее пленки SiO2 толщиной около 0,5 мкм.

322

Другой способ состоит в том, что после вытравливания окон в диэлек-трике производится электролитическое осаждение металла проводника в по-лученные отверстия. При этом толщины проводника и диэлектрика выравни-ваются.

В местах пересечения паразитная емкость уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и с уменьшением толщины проводников. Но при этом увеличивается сопротивление, поэтому ищут компромисс. Если необходимо получить малую емкость и большое ρ проводников, то используется SiO2-TiO2 в качестве диэлектрика. Проводники лучше делать из толстых слоев Al и Au.

33.5. Надежность многослойных соединений

Надежность многослойных соединений зависит от следующих факто-ров:

1. дефекты на фотошаблонах, используемых для ФЛГ проводящих и ди-электрических слоев;

2. дефекты из-за пыли при проведении ФЛГ; 3. замыкания из-за микроотверстий, из-за холмиков на металлическом слое

(которые не закрыл диэлектрик или фоторезист); 4. важен контроль за травлением окон в диэлектрике, т.к. контакты нижнего

слоя металлизации могут быть недотравленными (нет соединения) или перетравленными (нарушены);

5. слой диэлектрика должен быть равномерным для правильного вскрытия всех окон. Для создания структуры Al с подслоем Сr – проводящий слой, SiO2 –

изоляционный слой возможно несколько схем технологического процесса. 1. Последовательное вакуумное напыление через трафареты: нижнего

слоя Al, SiO2, верхнего слоя Al. Схема технологична, т.к. может быть осуще-ствлена в едином цикле на многооперационной вакуумной установке. Одна-ко, этот метод ограничивает разрешающую способность последующей ком-мутации. Предельные значения ширины линий 100 мкм. Кроме того, для ва-куумного напыления слоев требуется дорогой комплект прецизионных тра-фаретов. Учитывая различные температуры подложки при напылении Cr, Al и SiO2 трудно обеспечить точность совмещения лучше ±50мкм.

Вторая схема включает напыление сплошных слоев «металл-диэлектрик-металл» с последующей фотолитографией путем селективного

323

травления. Эта схема характеризуется высокой степенью совмещения (до до-лей мкм) и высокой разрешающей способностью (ширина линий - несколько мкм). Однако, существуют сложности травления диэлектрика.

В связи с этим целесообразно использование третьего варианта: напы-ление нижнего слоя металлизации с последующей ФЛГ, нанесение изоляци-онного слоя, напыление верхней металлизации через трафарет (на холодные слои).

Вопросы к лекции 33

1. В чем заключается технология многослойной коммутации? 2. Какие материалы для БГИС являются изолирующими? 3. Какие материалы в пленочной электронике являются наиболее пер-

спективными в качестве межслойной изоляции? 4. Какими свойствами обладают органические диэлектрики в качестве

межслойной изоляции? 5. Какова электрическая прочность органических пленок? 6. Каковы достоинства БГИС с применением полимерной пленки? 7. Какое число пересечений и переходов с уровня на уровень достигается

в БГИС с применением полимерной пленки? 8. Каковы способы крепления полимерной пленки с двухслойной комму-

тацией к столбикам?

324

Лекция 34

МОНТАЖ КРИСТАЛЛА К ПЛАТЕ

Модуль 4. Современные технологии микро- и наноэлектроники

Тема 14. Большие гибридные интегральные схемы

План лекции

34.1. Метод перевернутого кристалла 34.2. Электрический монтаж кристаллов ИМС 34.3. Проволочный монтаж 34.4. Ленточный монтаж 34.5. Монтаж с помощью жестких объемных выводов

34.1. Метод перевернутого кристалла

Для присоединения кристалла к плате при монтаже методом перевер-

нутого кристалла чаще всего используют УЗ-сварку, термокомпрессионную

сварку и пайку. Следует учитывать, что избыточная сила сжатия может при-

вести к разрушению кристалла. УЗ-сварка применяется для соединения Al

столбиков и контактных площядок. Соединения очень прочны. Для систем

Au-Au лучше использовать термокомпрессионную сварку.

В связи с высокой темпеоратурой (400 С) при термокомпрессии тре-

буется хорошее совпадение КТР кристаллов и подложки во избежание тер-

мохимических напряжений. Для уравнивания теплового расширения исполь-

зуется ступенчатый нагрев кристалла и подложки. Совмещение УЗ и термо-

компрессии позволяет снизить t-ру сварки и релаксировать напряжения.

Пайка целесообразна для групповых методов сборки. Она эффективна,

когда контурные выступы изготовлены с применением припоя. Пайку прово-

дят обычно в среде энертного газа, что позволит обеспечить бесфлюсовое со-

единение. При пайке требуется гораздо меньшая температура, чем при тер-

325

мокомпрессии, что снижает напряжение в слоях. Пайка обеспечивает ремон-

топригодность и легкость замены кристалла.

При монтаже кристаллов методом эспандера используется:

эфтектическая пайка;

пайка мягкими припоями;

монтаж теплопроводным клеем.

В некоторых случаях требуется надежная электрическая изоляция

между кристаллом и подложкой, а в других, наоборот, низкоомный контакт.

При автоматизированном монтаже кристаллов на плате должно быть:

1. точное совмещение контактов кристалла и подложки;

2. усстановка должа обеспечить прижим кристалла к подложке и пере-

дачу усилия для сварки ;

3. процесс подачи кристалла и установки его на плату автоматизирует-

ся.

Для точного совмещения контактов кристалла и подложки использу-

ются оптические системы с полупрозрачным зеркалом и стериомикроскопом,

чтобы иметь налагающееся друг на друга изображение кристалла и подлож-

ки. Кристаллы помещаются на зеркало, с помощью манипулятора изображе-

ния кристала и контактируемой части подложки устанавливают в определен-

ное место сетки микроскопа. Затем при помощи вакуумной присоски захва-

тывают кристалл и фиксируют его. Точность совмещения +-25 мкм. Особен-

ность установки по такой схеме состоит в том, что места контактирования

кристалла и подложки совмещают в поле некоторого оптического шаблона

микроскопа. В некоторых системах призмы, установленные между подлож-

кой и кристаллом, обеспечивают одновременный обзор контактов на кри-

сталле и подложке. Оператор через бинокулярный обьектив видит оба изо-

бражения. Свет подается на кристалл и подложку с помощью волоконных

световодов.

Помимо оптических систем рассматривается возможность использо-

вания инфракрасной техники. Поскольку большинство полупроводниковых

кристаллов прозрачны для ИК-лучей, а металлы (контакты на кристалле и

подложке) - непрозрачны, то в ИК - микроскопе наблюдается картина, обес-

печивающая надежное совмещение: металлические участки черные на зеле-

326

ном поле подложки (Л = 0,5 мкм зеленый цвет сохраняется за счет встроен-

ного преобразователя).

Сохранение ориентации кристалла и подложки обеспечивается специ-

альной системой, работающей в автоматическом режиме.

При эвтектической пайке подложку с кристаллом нагревают в атмо-

сфере инертного газа до t - ры образования эвтектики. Соединяемые поверх-

ности подвергают вибрации и сдавливанию. Частота и амплитуда, давление и

температура, а также время пайки контролируется. При недостаточной тол-

щине пленки золота между кристаллом и подложкой помещают таблетку из

эвтектических сплавов, улучшающую смачивание соединяемых поверхно-

стей.

Пайка мягкими припоями осуществляется также с помощью таблетки

с высоким соединением стекла при температуре около 300 С. Основное дос-

тоинство этого метода - универсальность по отношению к различным мате-

риалам. Для такой пайки используются подложки и кристаллы с металлизи-

рованными слоями из Ni, Au, Cu. Для керамических подложек этот метод не

может быть применен, т. к. требует более высоких t пайки (500 - 600С).

Инструмент для установки кристалла на подложку имеет центральное

отверстие вакуумного присоса и углубление в виде обратной пирамиды. Он

обеспечивает точный захват кристалла, прецизионную установку и подачу

УЗ - колебаний в зону сварки. Все рабочие элементы наконечника определя-

ются размерами присоединяемого кристалла. Такой инструмент используется

для монтажа кристаллов с шариковыми выводами.

Для монтажа кристаллов с помощью эспандера и балочных выводов

возможно использование тех же установок, что и для проволочного монтажа.

Это установки для термокомпрессии, УЗ-сварки и сварки косвенным им-

пульсным нагревом. Инструмент имеет углубление для кристалла. Качество

сварки зависит от параллельности инструмента и подложки.

Разработан метод монтажа кристаллов через легко деформируемую

прокладку. Сварочный инструмент имеет плоскую рабочую площадку, тем-

пература в зоне сварки 225 275 С. Отпадает необходимость в точном кон-

троле усилия присоединения.

Новое конструктивно-технологическое направление создания элек-

тронной аппаратуры - микроэлектронная аппаратура. Она состоит из бескор-

327

пусных БГИС, монтируемых в металлических рамках, соединенных с помо-

щью гибких шлейфов. В МЭА предусмотрена общая герметизация всех

БГИС в едином корпусе всего изделия. Основные достоинства этого направ-

ления: ремонтопригодность, повышение надежности за счет сокращения

числа контактных соединений, резкое снижение стоимости изделия за счет

отсутствия корпусов и упрощения ряда монтажных операций и герметиза-

ции. Это направление требует внедрение автоматизированных систем проек-

тирования, а также автоматизированной сборки, монтажа, контроля.

34.2. Электрический монтаж кристаллов ИМС

на коммутационных платах

Электромонтаж бескорпусных кристаллов ИМС заключается в элек-

трическом соединении контактных монтажных площадок на поверхности

кристалла с контактными монтажными площадками на поверхности комму-

тационной платы. Обычно кристалл предварительно фиксируется на плате с

помощью клея или припоя. Во втором случае групповая пластина до разде-

ления ее на отдельные кристаллы должна быть металлизирована со стороны,

противоположной структурам, металлом, который хорошо смачивается при-

поем. Облуженными должны быть также площадки на плате, на которые ус-

танавливаются кристаллы.

В производстве нашли применение три способа электромонтажа: с по-

мощью гибких проволочных перемычек круглого сечения (проволочный

монтаж), с помощью гибких ленточных перемычек прямоугольного сечения

(ленточный монтаж) и с помощью жестких объемных выводов, предвари-

тельно выращенных на кристалле.

328

34.3. Проволочный монтаж

Рис. 34.1. Проволочный монтаж кристалла на коммутационную плату.

При проволочном монтаже перемычка формируется в процессе монта-

жа (рис. 34.1): после совмещения свободного конца проволоки с площадкой

на кристалле производится сварка, далее изделие (коммутационная плата)

перемещается так, чтобы под сварочный инструмент пришла соответствую-

щая площадка коммутационной платы; после совмещения инструмента с

площадкой производится сварка и обрезка проволоки. Далее формируется

перемычка для следующей пары контактов.

При перемещении платы с приваренным концом проволоки последняя

сматывается с катушки неподвижной сварочной головки так, чтобы образо-

вался небольшой избыток по длине. В результате упругости проволоки пере-

мычка получает плавный изгиб вверх, который при температурных измене-

ниях длины перемычки предотвращает замыкание ее на кристалл.

В современных установках для микросварки рабочий цикл сварки (кон-

тролируемые давление инструмента, нагрев, время выдержки) автоматизиро-

ван. Что касается вспомогательных приемов (перемещения, совмещения), то

существуют установки с ручным перемещением изделия и визуальным со-

вмещением с помощью микроскопа, а также установки с автоматическими

программируемыми перемещениями в сочетании с системой "машинного

зрения", освобождающей оператора от зрительного напряжения.

Достоинством проволочного монтажа является возможность размеще-

ния перемычек при произвольном расположении любого количества мон-

тажных площадок на коммутационной плате, т.е. гибкость в процессе ее кон-

струирования. Недостаток заключается в высокой трудоемкости монтажа,

329

т.к. сварные соединения можно получать только последовательно, индивиду-

ально.

34.4. Ленточный монтаж

Отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам по-зволяет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом изби-рательного травления (фотолитографии) ленты, однако взаимное расположе-ние перемычек должно быть жестко предопределено расположением мон-тажных площадок на кристалле и плате.

Ленточные перемычки толщиной 70мкм остаются гибкими, поэтому для сохранения их взаимной ориентации они удерживаются в заданном по-ложении изолирующими перемычками из полиимида (рис. 34.2). Таким обра-зом, исходная лента для изготовления системы перемычек должна быть двухслойной: алюминий (70мкм) и полиимид (40мкм). Для исключения за-мыкания перемычек на кристалл их специально формуют перед монтажом.

Рис. 34.2. Ленточный монтаж кристалла на коммутационную плату. Использование ориентированных ленточных перемычек позволяет су-

щественно снизить трудоемкость монтажа. Во-первых, для совмещения всей системы перемычек с кристаллом достаточно совместить две пары "пере-мычка-площадка", расположенных по диагонали. После приварки всех пере-мычек на кристалле последний с системой перемычек переносится на плату и аналогично производится совмещение свободных концов с площадками пла-ты и их приварка. Во-вторых, появляется возможность одновременной (груп-повой) приварки всех перемычек, расположенных в одном ряду. Из рассмот-ренных ниже способов сварки для групповой сварки могут быть использова-ны термокомпрессионный и ультразвуковой способы.

330

К недостатку следует отнести ограничения, накладываемые на конст-рукцию коммутационной платы и самого кристалла по числу и характеру расположения монтажных площадок. Для смягчения этого недостатка прихо-дится разрабатывать и изготавливать стандартный ряд систем перемычек, от-личающихся числом и шагом расположения.

34.5. Монтаж с помощью жестких объемных выводов Жесткие объемные выводы формируются на кристаллах заранее и од-

новременно до разделения групповой пластины. В первом приближении они представляют собой выступы полусферической формы высотой порядка 60 мкм и покрыты припоем. Облуженными должны быть и ответные монтажные площадки на коммутационной плате.

В отличие от проволочного и ленточного монтажа объемные выводы соединяют с площадками платы пайкой, а кристалл при этом оказывается в перевернутом положении, т.е. структурами вниз (рис. 34.3).

Рис. 34.3. Монтаж кристалла на коммутационной плате с помощью объемных выводов Последовательность монтажа следующая. Кристалл, находящийся в

кассете в ориентированном положении, забирается вакуумным присосом ("пинцетом") и переносится в позицию монтажа с определенным зазором. В зазор вводится полупрозрачное зеркало, позволяющее оператору через мик-роскоп наблюдать одновременно площадки на плате и выводы на кристалле. После совмещения зеркало выводится из зазора, а присос опускает кристалл на плату и прижимает его. Далее из миниатюрного сопла подается горячий инертный газ, выполняющий одновременно функции нагревательной и за-щитной среды, затем холодный инертный газ, чем и заканчивается цикл мон-тажа.

331

К достоинствам монтажа с помощью жестких объемных выводов отно-сится: сокращение числа соединений вдвое, что повышает надежность изде-лия при эксплуатации; сокращение трудоемкости за счет одновременного присоединения всех выводов; уменьшение монтажной площади до площади, занимаемой кристаллом; отсутствие необходимости предварительного меха-нического крепления кристалла.

Ограничением для использования данного метода является необходи-мость применения коммутационных плат на основе тонких пленок с исполь-зованием фотолитографии, т.е. высокого разрешения, т.к. размеры площадок и шаг их расположения на плате и кристалле должны совпадать.

Вопросы к лекции 34

1. Какие способы создания неразъемного соединения используются для присоединения кристалла к подложке?

2. Что представляет собой способ термокомпрессии и каковы его ограни-чения?

3. Что следует понимать под безфлюсовым соединением кристалла и подложки?

4. Какие технические средства используют для точного совмещения кон-тактов кристалла и подложки?

5. При каких температурах осуществляется пайка мягкими припоями? 6. Что представляет из себя бескорпусная БГИС? 7. Каковы составляющие рабочего цикла сварки в современных установ-

ках для микросварки? 8. Каковы достоинства и недостатки проволочного монтажа? 9. Каковы достоинства и недостатки ленточного монтажа? 10. Каковы достоинства и недостатки монтажа с помощью жестких объем-

ных выводов?

332

Библиографический список

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: монография / А. М. Медведев. – М.: Техносфера, 2005. – 358 с. Количество экз. в библ. – 25.

2. Билибин, К. И. Конструкторско – технологическое проектирование электронной аппаратуры: учеб. для вузов / К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В.Журавлева и др.; ред.: В. А, Шахнов. - М.: Изд – во МГТУ им. Баумана, 2002. – 527 с. Количество экз. в библ. – 42.

3. Павловский, Г. В. Проектирование технологических процессов РЭА / Г. В. Пав-ловский. - М.: Радио. 1986. - 220 с.

4. Гуськов, Г. И. Монтаж микроэлектронной аппаратуры / Г. И. Гуськов, Г. А. Блинов - М.: Радио и связь, 1987.

5. Воженин, И. Н. Микроэлектронная аппаратура в бескорпусных интегральных схемах / И. Н. Воженин, Г. А. Блинов, Л.А. Коледов. - М.: Радио и связь, 1985.

6. Парнес, М. Г. Механизация и автоматизация изготовления элементов радиоап-паратуры / М. Г. Парнес. - М.-Л: Госэнергоиздат., 1963. - 428 с.

7. Вейцман, Э. В. Технологическая подготовка производства радио-электронной аппаратуры / Э. В. Вейцман, В.Д. Венбрин. - М.: Радио и связь, 1989. - 128 с.

8. Технология электроаппаратостроения: учеб. для вузов / ред.: Ю. А. Филиппова. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987. - 360 с.

9. Справочник по пайке / ред.: С. Н. Лоцманова, ред.: И. Е. Петрунина, ред.: В. П. Фролова. - М.: Машиностроение, 1975.

10. Егошин, А. Р. Справочник по единой системе конструкторской документа-ции / А. Р. Егошин, А. К. Моргун, В. П. Градиль; ред.: Ю. И. Степанова. - Харьков, “Пра-пор”, 1975.

11. Пресс, Ф. П. Фотолитографические методы в технологии полупроводнико-вых приборов и интегральных микросхем / Ф. П. Пресс - М.: Сов. Радио, 1978. - 96 с.

12. Смирнов, В. И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре / В. И. Смирнов, Ф. Ю. Мата. - М.: Сов. Радио, 1974. - 176 с.

13. Буслович, С. Л. Автоматизация пайки печатных плат / С. Л. Буслович, Ю. М. Гельфгат, И. А. Коциньш, Л. Е. Калкут. - М.: Энергия, 1976.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛАБ.1

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: монография / А. М. Медведев. – М.: Техносфера, 2005. – 358 с.

Количество экз. в библ. – 25. 2. Возмилова, Л. Н. Травление полупроводников / Л. Н. Возмилова,

В. М. Луфт и др. - М.: Наука, 1989. 3. Черняева, В. Н. Технология эпитаксиальных слоев арсенида

333

галлия / В. Н. Черняева, Л. В Кожитов.- М.: Энергия, 1974.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Лаб.2

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: монография / А. М. Медведев. – М.: Техносфера, 2005. – 358 с.

Количество экз. в библ. – 25. 2. Мямлин, В. А. Электрохимия полупроводников / В. А. Мямлин, Ю. В. Плесков. М.: Наука, 1965. - 334 с.

3. Стриха, В. Н. Физические основы надежности контактов металл- полупроводник в интегральной электронике / В. Н. Стриха, Е. В. Бузанева. - М.: Радио и связь, 1987. - 256 с.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Лаб.3

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: моно- графия / А. М. Медведев. – М.: Техносфера, 2005. – 358 с.

Количество экз. в библ. – 25.

2. Лататуев, В. И. Металлические покрытия химическим мето-дом /

В. И. Лататуев. - Барнаул, 1968. 3. Шалкаускас, М., Ваикясис А. Химическая металлизация пласт-

масс / М. Шалкаускас, А. Ваикясис. - Л.: Химия, 1977.

4. Вишенков, С. А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий / С. А. Вишенков. - М.:

Машиностроение, 1975.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 4

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: монография / А. М. Медведев. – М.: Техносфера, 2005. – 358 с.

Количество экз. в библ. – 25. 2. Черняева, В. Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА / В. Н. Черняева/ - M.: Высшая школа, 1987. - 312 с.

3. Кнорре, Д. Г. Физическая химия / Д. Г. Кнорре, Л. Ф. Крылова, B. C. Музыкантов. - M.: Высшая школа, 1990.

334

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 5

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: монография / А. М. Медведев. – М.: Техносфера, 2005. – 358 с.

Количество экз. в библ. – 25. 2. Черняева, В. Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА /

В. Н. Черняева. - M.: Высшая школа, 1987. - 312 с. 3. Головня, В. Г. Технология деталей радиоаппаратуры / В. Г. Головня. - М.: Радио и связь, 1983. - 296 с.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 6

1. Билибин, К. И. Конструкторско – технологичексое проектирован7гие электрон-

ной аппаратуры: учеб. для вузов / К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В.Журавлева и др.; ред.: В. А, Шахнов. - М.: Изд – во МГТУ им. Баумана, 2002. – 527 с. Ко-

личество экз. в библ. – 42. 2. Деньдобренко, Б. Н. Автоматизация конструирования РЭА / Б. Н. Деньдобренко, П.С. Малика. - М.: Высшая школа, 1980. - 350 с. 3. Селютин, В. А. Машинное конструирование электрических

устройств / В. А. Селютин. - М.: Наука, 1977.

Библиографический список 7

1. Билибин, К. И. Конструкторско – технологичексое проектирован7гие электрон-ной аппаратуры: учеб. для вузов / К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В.Журавлева и др.; ред.: В. А, Шахнов. - М.: Изд – во МГТУ им. Баумана, 2002. – 527 с. Ко-

личество экз. в библ. – 42. 2. Деньдобренко, Б. Н. Автоматизация конструирования РЭА / Б. Н. Деньдобренко, П.С. Малика. - М.: Высшая школа, 1980. - 350 с. 3. Каралетян, А. М. Автоматизация оптимального конструирования

ЭВМ / А. М. Каралетян. - М.: Сов. Радио, 1972. 4. Штейн, М. Е. Методы машинного проектирования цифровой

аппаратуры / М. Е. Штейн, Б. Е. Штейн. - М.: Сов. Радио, 1972.

Библиографический список 8 1. Билибин, К. И. Конструкторско – технологичексое проектирован7гие электрон-ной аппаратуры: учеб. для вузов / К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В.Журавлева и др.; ред.: В. А, Шахнов. - М.: Изд – во МГТУ им. Баумана, 2002. – 527 с. Количе-

ство экз. в библ. – 42. 2. Деньдобренко, Б. Н. Автоматизация конструирования РЭА / Б. Н. Деньдобренко, П.С. Малика. - М.: Высшая школа, 1980. - 350 с. 3. ГОСТ 15895-77. Качество продукции статистические методы управления качеством. Термины. - М.: Издательство стандартов,

335

1977.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 9

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: моно- графия / А. М. Медведев. - М.: Техносфера, 2005. - 358 с. Количест- во экз. в библ. – 25.

2. Билибин, К. И. Конструкторско – технологическое проектирование электронной аппаратуры: учеб. для вузов / К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В.Журавлева и др.; ред.: В. А, Шахнов. - М.: Изд – во МГТУ им. Баумана, 2002. – 527 с. Количество экз. в библ. – 42.

3. Смирнов, В. И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре / В. И. Смирнов, Ф. Ю Мата. - М.: Сов. Радио, 1974. - 176 с.

4. Буслович, С. Л. Автоматизация пайки печатных плат / С. Л. Буслович, Ю. М. Гельфгат, И. А. Коциньш, Л. Е. Калкут. - М.: Энергия, 1976.

Библиографический список

1. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат: монография / А. М. Медведев. - М.: Техносфера, 2005. - 358 с. Количество экз. в библ. – 25.

2. Билибин, К. И. Конструкторско – технологическое проектировании элек- тронной аппаратуры: учеб. для вузов / К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В.Журавлева и др.; ред.: В. А, Шахнов. - М.: Изд – во МГТУ им. Баумана, 2002. – 527 с. Количество экз. в библ. – 42.

3. Павловский, Г. В. Проектирование технологических процессов РЭА / Г. В. Павловский. - М.: Радио. 1986. - 220 с. 4. Гуськов, Г. И. Монтаж микроэлектронной аппаратуры / Г. И. Гуськов, Г. А. Блинов - М.: Радио и связь, 1987. 5. Воженин, И. Н. Микроэлектронная аппаратура в бескорпусных инте-

гральных схемах / И. Н. Воженин, Г. А. Блинов, Л.А. Коледов. - М.: Радио и связь, 1985.

6. Парнес, М. Г. Механизация и автоматизация изготовления элементов радиоаппаратуры / М. Г. Парнес. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 428 с.

7. Вейцман, Э. В. Технологическая подготовка производства радио- электронной аппаратуры / Э. В. Вейцман, В.Д. Венбрин. - М.: Радио и связь, 1989. - 128 с.

8. Технология электроаппаратостроения: учеб. для вузов / ред.: Ю. А.

336

Филиппова. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987. - 360 с. 9. Справочник по пайке / ред.: С. Н. Лоцманова, ред.: И. Е. Петрунина,

ред.: В. П. Фролова. - М.: Машиностроение, 1975. 10. Егошин, А. Р. Справочник по единой системе конструкторской докумен-

тации / А. Р. Егошин, А. К. Моргун, В. П. Градиль; ред.:Ю. И. Степа- нова. - Харьков, “Прапор”, 1975.

11. Пресс, Ф. П. Фотолитографические методы в технологии полупровод- никовых приборов и интегральных микросхем / Ф. П. Пресс - М.: Сов. Радио, 1978. - 96 с.

12. Смирнов, В. И. Теория конструкций контактов в электронной аппара- туре / В. И. Смирнов, Ф. Ю. Мата. - М.: Сов. Радио, 1974. - 176 с.

13. Буслович, С. Л. Автоматизация пайки печатных плат / С. Л. Буслович, Ю. М. Гельфгат, И. А. Коциньш, Л. Е. Калкут. - М.: Энергия, 1976. 14. Возмилова, Л. Н. Травление полупроводников / Л. Н. Возмилова, В. М. Луфт и др. - М.: Наука, 1989. 15. Черняева, В. Н. Технология эпитаксиальных слоев арсенида галлия / В. Н. Черняева, Л. В Кожитов.- М.: Энергия, 1974. 16. Мямлин, В. А. Электрохимия полупроводников / В. А. Мямлин, Ю. В. Плесков. М.: Наука, 1965. - 334 с.

17. Стриха, В. Н. Физические основы надежности контактов металл-полу- проводник в интегральной электронике / В. Н. Стриха, Е. В. Бузанева. -М.: Радио и связь, 1987. - 256 с.

18. Лататуев, В. И. Металлические покрытия химическим методом / В. И. Лататуев. - Барнаул, 1968. 19. Шалкаускас, М., Ваикясис А. Химическая металлизация пластмасс / М. Шалкаускас, А. Ваикясис. - Л.: Химия, 1977. 20. Вишенков, С. А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий / С. А. Вишенков. - М.: Машиностроение, 1975. 21. Черняева, В. Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА / В. Н. Черняева/ - M.: Высшая школа, 1987. - 312 с.

22. Кнорре, Д. Г. Физическая химия / Д. Г. Кнорре, Л. Ф. Крылова, B. C. Музыкантов. - M.: Высшая школа, 1990.

23. Головня, В. Г. Технология деталей радиоаппаратуры / В. Г. Головня. - М.: Радио и связь, 1983. - 296 с. 24. Деньдобренко, Б. Н. Автоматизация конструирования РЭА / Б. Н.

Деньдобренко, П.С. Малика. - М.: Высшая школа, 1980. - 350 с. 25. Селютин, В. А. Машинное конструирование электрических устройств /

В. А. Селютин. - М.: Наука, 1977. 26. Каралетян, А. М. Автоматизация оптимального конструирования ЭВМ / А. М. Каралетян. - М.: Сов. Радио, 1972.

337

27. Штейн, М. Е. Методы машинного проектирования цифровой аппа-ратуры / М. Е. Штейн, Б. Е. Штейн. - М.: Сов. Радио, 1972.

28. ГОСТ 15895-77. Качество продукции. Статистические методы управле- ния качеством. Термины. - М.: Издательство стандартов, 1977.

Библиографический список

1. Патрушева, Т. Н. Современные технологии микроэлектроники. Нано- и сегнето-электроника: учеб. пособие / Т. Н. Патрушева; Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красно-ярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - 171 с. Количество экз. в библ. – 72.

1. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам: сб. статей / ред.: П. П. Мальцев. - М.: Техносфера, 2005. - 589 с. Количество экз. в библ. – 30.

2. Пул, Ч. Нанотехнологии: пер. с англ.: учеб. пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - М.: Тех-носфера, 2004. - 327 с. Количество экз. в библ. – 13.

3. Гусев, А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А. И. Гусев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 411 с. Количество экз. в библ. – 16.

4. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований: пер. с англ. / Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р. Андерс; ред.: М. К. Роко, ред.: Р. С. Уильямс, ред. П Аливисатос. - М.: Мир, 2002. - 292 с. Количество экз. в библ. – 16.

5. Нанотехнологии в электронике / ред.: Ю. А. Чаплыгин. - М.: Техносфера, 2005. - 446 с. Количество экз. в библ. – 10.

6. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника: мировые достижения за 2005 год: сборник / ред.: П. П. Мальцев. - М.: Техносфера, 2006. - 149 с. Количест-во экз. в библ. – 5.

7. Шелованова, Г. Н. Современные проблемы электроники : кремниевая электрони-ка: учеб. пособие / Г. Н. Шелованова; Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - 176 с. Количество экз. в библ. – 93.