12.2. Технология изготовления микромодулей

При создании микромодульных конструкций в качестве основания используют плоские тонкие пластины из диэлектриков (микроплаты). На рис. 12.2 показана конструкция такой микроплаты. Она имеет прямоугольный вырез (ключ) около одного из углов для ориентации микроэлемента при сборке в микромодуль. От длинной стороны выреза задается отсчет условной нумерации пазов, к которым присоединяют выводы элемента схемы. Двенадцать пазов на краях платы являются выводами модульного элемента и служат для соединения микромодулей друг с другом с помощью вертикальных стержней. Эти пазы металлизируют и покрывают припоем. При сборке в микромодуль микроэлемент можно установить в восьми различных положениях, которые однозначно определяются положением ключа.

Стандартный размер для плат микромодулей 7,6 х 7,6 х 0,25 мм принят на основе изучения методов и возможностей производства элементов, а также максимальных значений мощности, частоты и напряжения, установленных для микромодулей: рассеяния мощности 1—2 вт на один модуль, рабочая частота — до 100 Мгц, максимальное напряжение 75 в. Квадрат со стороной 7,6 мм — это наименьшая геометрическая форма, с которой можно связывать многие элементы цепей, включая электролитические конденсаторы большой емкости, кварцевые кристаллы, рассчитанные на частоту от 7 до 70 Мгц, катушки индуктивности до10 мгн, транзисторы, диоды, керамические резонаторы, стеклянные конденсаторы, металлические пленочные резисторы и даже некоторые электромеханические устройства (например, потенциометры и подстроечные конденсаторы). На одну квадратную пластинку можно наносить до четырех резисторов с сопротивлением до 1 Мом, что достаточно при использовании почти всех транзисторных схем.

Рис. 12.2. Конструкция микроплаты (указаны зона и площадь рабочей части элемента)

Указанные размеры также позволяют применять любую керамическую основу толщиной 0,25 мм. Для квадратной платы со стороной 12,7 мм толщина берется примерно в 2 раза больше. Такие размеры обусловлены требованиями плоскостности при надлежащей прочности, необходимой при механической обработке.

Наиболее подходящим материалом для изготовления микроплат и других оснований микроэлементов считают керамику: конденсаторную, ультрафарфор, стеатит. Им легко придавать необходимую форму пластическим прессованием или горячим литьем, тонкие пластинки из керамики обладают достаточной механической прочностью, теплостойкостью и влагостойкостью, а также имеют высокие изоляционные и необходимые диэлектрические свойства.

В США наиболее распространенным материалом для изготовления микроплат является эпоксидный стеклопластик; разработаны и испытаны также опытные образцы плат из окиси алюминия и керамики.

Микроплату можно использовать в качестве не только основания, но и как составную часть конструкции микроэлемента, например как твердый диэлектрик конденсатора малой емкости, обкладки которого наносят на обе стороны платы. В некоторых случаях, например для монтажа миниатюрных полупроводниковых приборов, применяют более толстые платы с фасонными отверстиями, выемками и т. п.

Методом вжигания или вакуумного напыления серебра, золота, платины, палладия на керамических платах создают проводящие участки нужной формы. Так же металлизируют пазы, контактные дорожки для пленочных резисторов, обкладки конденсаторов, проводники, соединяющие выводы элементов с пазами. При изготовлении проводящих покрытий методом вжигания металла все покрытия выполняют до установки элементов на микроплату. Чтобы обеспечить контакт между выводами элемента и проводящими покрытиями на микроплате, применяют затвердевающие проводящие суспензии металлов или пайку специальными припоями, которые приготовляют на эпоксидных смолах и органических клеях.

При микромодульном конструировании радиоэлектронной аппаратуры широко применяют пленочную технику. В виде пленок можно получать все пассивные элементы. Их наносят либо группами на одну большую плату, либо один - два элемента на маленькие платы, которые затем собирают в пакет. В технике микромодульного конструирования предпочтительнее применять второй способ, так как при изготовлении элементов большими партиями не исключена возможность большого процента брака. Если на каждую плату наносят один элемент, то удобнее производить все операции по его изготовлению, испытанию, контролю и т. д., как это делается при изготовлении обычных элементов в производственных условиях.

Рассмотрим способы изготовления некоторых микроэлементов.

Резисторы. Микромодульные резисторы выполняют на стандартной микроплате путем нанесения тонкой проводящей пленки. Обычно применяются следующие пленки: стабильные углеродистые, металлические, получаемые путем спекания золото - платиновых, золото - палладиевых и других сплавов, пленки из окисей металлов (оловянно-сурьмяные и др.), хромоникелевые и другие пленки, наносимые на поверхность платы путем испарения. Резисторы из углеродистых смесей из-за их низкой стабильности применять не рекомендуется.

Стабильные углеродистые пленки получают путем конденсации на керамической плате водно-угольных паров при температуре 900—1 000° С. Величина сопротивления полученного слоя зависит от давления паров, температуры нагрева и времени испарения. Окончательную величину сопротивления регулируют, обрабатывая пленку алмазным шлифовальным кругом.

Пленки из золото - платиновых сплавов наносят на стеклянные или глазурованные керамические платы, получая очень стабильные резисторы. Их сопротивление и температурный коэффициент зависят от пропорций, в которых смешивают металлы. Изготовляют такие резисторы следующим образам. На тщательно очищенную стеклянную пластинку наносят раствор, содержащий золото и платину, смешанные в масле. Затем платину обжигают в печи при температуре 400° С. В результате получается слой металла, которому гравированием или фотомеханическим способом можно придавать различные конфигурацию и размеры.

Затем сплав подвергают вторичному обжигу при температуре 600 или 700° С (в зависимости от вида изоляционной основы), после чего получается прочно связанная с основой металлическая пленка. Изменение величины сопротивления после вторичного обжига ничтожно мало, и его можно заранее подсчитать.

Пленки из золото - палладиевых сплавов можно наносить на керамические пластины также путем термического восстановления. Сплав палладия или платины диспергируют в жидкости с высокой температурой кипения и распыляют на чистую сухую керамическую пластину. После сушки на воздухе пластину обжигают при температуре 300° С для, восстановления палладия, а затем снова обжигают при температуре 400—750° С для окисления остаточного углерода и обеспечения адгезии сплава к основе.

Пленки из окисей металлов наносят распылением. Чаще других употребляются смеси из олова и сурьмы. Хлориды этих металлов распыляют на поверхность стекла, разогретого до красного свечения. В результате реакции получается стекловидный слой окиси. Толщина его может изменяться от нескольких сотен до многих тысяч ангстрем. Сопротивление пленки зависит от состава раствора. Для стабильных резисторов наиболее подходящей является смесь, содержащая 7% сурьмы и 93% олова. Этот состав имеет наименьший температурный коэффициент. После нескольких тысяч часов работы стабильность таких пленок составляет 0,1—0,2%.

Хромоникелевые и другие металлические пленки наносят на пластины путем испарения материала с поверхности вольфрамовой проволоки или спирали, нагреваемой электрическим током в вакууме 10^-5 мм рт. ст. Золото и серебро лучше испарять с небольшой вольфрамовой ложечки или из конического ковша.

Температуры кипения никеля и хрома мало отличаются друг от друга, поэтому после охлаждения они образуют однородную композицию. Благородные металлы при испарении не окисляются, и свойства их мало изменяются с течением времени, но они обладают низким удельным сопротивлением, и поэтому для получения заданных величин сопротивления резисторов необходимо изготовлять либо очень тонкие пленки, либо пленки с большими линейными размерами. При нанесении высокоомных сплавов трудно контролировать толщину образующейся окисной пленки, но, с другой стороны, можно получать резисторы малых линейных размеров.

Хромоникелевые пленки для резисторов с линейной шириной более 0,4 мм и для резисторов с меньшей линейной шириной выполняют по-разному. «Широкие» резисторы изготовляют осаждением паров хрома и никеля на разогретую плату; окончательная толщина пленки при этом получается приблизительно 6 10^-6 мм. Простые по конфигурации резисторы делают с помощью механических масок; их обжигают в течение примерно получаса при температуре 350° С. Резисторы с линейной шириной менее 0,1 мм изготовляют путем отложения временного слоя меди, который обрабатывают фотомеханическим способом (рис. 12.3). Осаждение хромоникелевого сплава на разогретую основу ведут обычным способом, после чего медь вытравляют вместе с излишними участками резистивного сплава. В результате получают резистор нужной конфигурации.

Рис. 12.3. Этапы производства пленочных резисторов:

1 — подготовленная пластина (основание); 2 — нанесение контактных площадок выводов (золото, хром); 3 — нанесение слоя меди; 4 — нанесение светочувствительной эмульсии; засветка через маску и снятие незасвеченных участков эмульсии; 5 — травление меди на участках, не защищенных эмульсией, и снятие эмульсионного слоя; 6 — нанесение хромо-никелевой пленки и обжиг; 7 — селективное вытравливание медного слоя вместе с хромоникелевой пленкой

На одну сторону пластины можно наносить до четырех резисторов. Выводные контакты можно получать осаждением паров на проводящий слой резистора, который предварительно обжигают на основе, затем к ним припаивают проволочные или ленточные выводы.

Осаждением паров получают пленочные резисторы с сопротивлением 22—100 000 ом и мощностью 0,5 вт, температурный коэффициент их составляет менее 0,02%/°С; пленочные резисторы из окисей металлов могут иметь сопротивление от 22 до 180 000 ом при таком же температурном коэффициенте.

Общие характеристики микромодульных резисторов приведены в табл. 12.1

Конденсаторы. Микромодульные конденсаторы изготовляют путем нанесения на плату диэлектрических пленок следующих разновидностей: 1) тонкие пластиковые пленки; 2) анодные пленки; 3) керамические пленки с большой диэлектрической проницаемостью; 4) пленки, получаемые испарением; 5) пленки из окиси тантала и других металлов.

Таблица 12.1

Общие характеристики микромодульных постоянных пленочных резисторов из металлических сплавов

Величина сопротивления 1	Допуск на сопротивление, %	Максимальная мощность рассеяния2, вт, при 70° С	Максимальное напряжение, в	Максимальный температурный коэффициент сопротивления, %/°С
От 10 ом До 1 Мом	± 1; ± 5 ± 10,	1/2 -	100 постоянного тока Переменный ток сети	0,02

¹ Планируется выпуск резисторов термисторного типа величиной 10—10 000 ом, специального назначения величиной 50—100 000 ом и прецизионных.

² Имеется в виду мощность рассеяния на одну плату; для больших значений мощности платы можно объединять.

Тонкие пластиковые пленки толщиной 2,5 мм изготовляют из высокомолекулярного полистирола, который наносят в растворе на полиэфирную пленку, используемую в качестве подложки. После того как пленка застывает, ее снимают с подложки. Из таких пленок можно изготовить конденсаторы объемом в 5 раз меньше бумажных. Диэлектрические свойства этих пленок такие же, как у обычного полистирола.

Высокомолекулярный сополимер стирола с α-метилстиролом применяется для изготовления пленок способом выдавливания толщиной 12 мк. Конденсаторы, изготовляемые из этих пленок, можно применять при температуре 125° С и более в зависимости от пропорций компонентов сополимера.

В настоящее время исследуют так называемую лаковую технику, которая позволит изготовлять из высокомолекулярного полистирола или сополимера стирола пленки толщиной 0,5 мк. Из таких пленок и алюминиевых обкладок, получаемых испарением, можно изготовить конденсаторы очень большой емкости при малом объеме.

Анодные пленки получают анодированием высокочистой алюминиевой фольги в боратовой ванне. После анодирования фольгу высушивают и заливают эпоксидной смолой трещины, появившиеся на анодной пленке. Образовавшаяся пленка содержит 80% окиси алюминия и 20% эпоксидной смолы. Максимальная рабочая температура таких пленок составляет 150° С. Потери, диэлектрическая проницаемость и другие характеристики конденсаторов — на основе анодных пленок с характеристиками слюдяного конденсатора.

Керамические пленки с большой диэлектрической постоянной толщиной 0,05 мм получают разными способами. Один из них заключается в том, что на движущуюся конвейерную ленту наливают слой жидкой керамики, толщину которого регулируют с помощью брусочка. Лента проходит через сушильную печь и печь для обжига. При другом методе жидкую массу пропускают через узкую щель в дне коробки, которая движется вдоль стеклянной пластинки. Толщина получающейся пленки зависит от ширины щели и скорости движения коробки.

Пленки, получаемые испарением, привлекают особое внимание. В течение ряда лет таким способом изготовляли пленки из одноокиси кремния, которые применяют в качестве оптических защитных покрытий. Эти пленки используют и для производства конденсаторов с алюминиевыми электродами (на стеклянной основе), емкостью 2 500 пф/см², работающих при температурах 200—250° С. Если вместо одноокиси кремния применить двуокись, то характеристики конденсаторов улучшаются, например повышается пробивное напряжение, снижаются потери и т. д. Получены пленки из сульфида цинка толщиной 1 мкм. Они имеют пробивное напряжение 100 в при емкости 10 000 пф/см², но неустойчивы к воздействию атмосферной влаги.

Способом испарения получают пленки из фтористого магния, фтористого кальция, силиката кальция, сульфида цинка, сульфида свинца, сульфида кадмия, двуокиси кремния, алюмината магния и других материалов.

Хорошие результаты дает использование смесей из кремния и двуокиси кремния, особенно при низкой скорости испарения (от 10 до 15 10^-7 мм/сек), в вакууме 1—3 10^-5 мм рт. ст. (подробнее о технологии нанесения пленок методом испарения см. ниже).

В будущем предполагают получать методом испарения пленки из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (например, из окиси титана и титаната бария).

В качестве материала для обкладок пленочных конденсаторов чаще всего используют алюминий, иногда также — хром, золото, медь и серебро.

Общие характеристики микромодульных конденсаторов приведены в табл. 12.2.

Индуктивности. Элементы индуктивности обычно изготовляют в виде смонтированных на микроплатах катушек, намотанных на миниатюрные тороидальные сердечники. Тороидальная форма обеспечивает минимальное поле рассеяния и тем самым позволяет избежать нежелательных связей между платами микромодуля. Так как параметры катушек индуктивности (L, Q и т. д.) определяются характеристиками ферритовых сердечников, то основное внимание уделяют улучшению свойств их материала. Создан, например, феррит, температурный коэффициент магнитной проницаемости которого можно регулировать в пределах от 200 х 10^-6 до 500 10^-6 на градус. Индуктивность катушек может быть от нескольких микрогенри до 10 мгн при рабочей частоте от 100 кгц до 100 Мгц.

Плоские катушки индуктивности изготовляют теми же способами, что и резисторы, т. е. в основном методом напыления в вакууме. Для изготовления плоских магнитных цепей применяют магнитные пленки. Их получают испарением, электролитическим осаждением из порошков магнитных сплавов, а также путем накатки и травления.

Таблица 12.2

Общие характеристики микромодульных конденсаторов

Тип конденсатора	Материал	Емкость	Напряжение, в
Общего назначения	Керамические тонкие пленки	0,01—0,3 мкф	50+100%
То же	Керамическая пленка толщиной 0,25 мм	0,0001—0,1 мкф	100+100%
Прецизионные для температурной компенсации	Керамические тонкие пленки	50—2 000 пф	50 мкв
То же	Керамическая пленка толщиной 0,25 мм	0—1000 пф	100 мкв

Рис. 12.4. Этапы производства пленочных конденсаторов:

1 — нанесение выводов (золото, хром); 2 -— нанесение обкладок (золото); 3 — нанесение диэлектрика (фтористый магний) и отжиг (в течение 30 мин при 300° С); 4 — наложение общей обкладки; 5 — припайка выводов, готовый блок конденсаторов

Методы испарения магнитных пленок схожи с методами, применяемыми для нанесения резистивных материалов, с той разницей, что испарение производят в сильном магнитном поле для ориентации диполей. Обычно используют сплавы, как никель — железо, в соотношении 7 : 3. Температуры испарения никеля и железа достаточно близки, чтобы избежать разделения компонентов сплава. Этим способом получены пленки толщиной до 2 мк.

Полупроводниковые приборы. Создание микроминиатюрных полупроводниковых приборов и повышение их надежности является одной из самых трудных и важных задач микроминиатюризации. Относительно большие размеры полупроводниковых приборов определяются главным образом размерами корпусов, так как сами полупроводниковые переходы занимают очень малую часть общего объема. Для сокращения размеров применяют некапсюлированные полупроводниковые элементы, которые можно крепить непосредственно на микроплате. Один из способов состоит в заделке транзисторного элемента в углублении между двумя пластинами или же транзистор помещают в углубление пластины и накрывают металлической крышкой (рис. 12.5). Полупроводниковый элемент соединяет с пазами для выводов посредством печатных проводников, нанесенных на поверхность пластины.

Рис. 12.5. Конструкция микромодульного транзистора:

1 — металлическая крышка; 2 —транзистор; 3 — уплотнительное кольцо; 4 — металлизированные выводы транзистора

Рис. 12.6. Диффузионный транзистор на монтажной плате:

1 — эмиттер; 2 — база; 3 — травленая канавка; 4 — связь с помощью эпоксидной смолы; 5 — монтажная плата

В микромодулях применяют высокочастотные германиевые транзисторы диффузионного и сплавного типа. Германиевые диффузионные транзисторы изготовляют фотолитографическими методами. Их удобно соединять с печатными проводниками, наносимыми на пластину испарением в вакууме. На рис. 16-6 показан диффузионный транзистор, установленный на монтажной плате. Круглую германиевую матрицу (диаметр около 1 мм, толщина 0,1 мм) припаивают или приклеивают к монтажной плате, которая служит в качестве коллекторного контакта.

Площади базового и эмиттерного контакта каждая в отдельности составляют примерно 0,1 х 0,3 мм; для этих контактов протравливают канавку глубиной 0,01 мм и площадью 0,4 х 0,4 мм. Верхнюю часть матрицы покрывают фотоэмульсией, освещают через маску с требуемым рисунком, проявляют и незасвеченные участки эмульсии вымывают. Оставшаяся часть эмульсии служит защитным покрытием. На поверхности эмиттера и базы образуются незащищенные участки (рис. 12.7). Транзистор вставляют в паз керамической платы (модуля), а специально предусмотренный зазор заливают эпоксидной смолой, которая обеспечивает механическое крепление. Проводники, соединяющие электроды транзистора с серебряными проводниками на плате, наносят методом испарения алюминия в вакууме через точную маску.

Рис. 12.7. Поперечный разрез диффузионного транзистора:

1 — база; 2 — эмиттер; 3 — фотоэмульсия; 4 — германиевая

Рис. 12.8. Поперечное сечение сплавного транзистора, вставленного в отверстие на керамической плате (соединительные провода эмиттерного и базового электродов не показаны):

1 — индий; 2 — эмиттер; 3 — эпоксидная смола; 4 — держатель базы; 5 — германии; 6 — керамика; 7 — коллектор; 8 — проводящий клей

Транзистор сплавленного типа (рис. 12.8) имеет эмиттерный и базовый электроды с одной стороны матрицы, а коллекторный — с противоположной. Метод крепления такого транзистора на плате подобен методу крепления некапсюлированных транзисторов, только в этом случае транзистор вставляют в паз на плате эмиттерной и базовой стороной. Кроме того, керамику около эмиттерного паза металлизируют.

Рис. 12.9. Поперечное сечение сплавного транзистора, герметически закупоренного в корпус:

1 – металлическая пластинка; 2 – индий; 3 – эпоксидная смола; 4 – транзистор; 5 – индий; 6 – керамика; 7 – проводящий адгезив.

Диоды изготовлять легче, так как они имеют всего один переход. Этот переход получают диффузией в твердом состоянии на материале типа р, в результате чего образуется поверхность типа п и, следовательно, переход р-п. Систему покрывают фотоэмульсией через трафарет, а на поверхность наносят электролитическим путем золото для получения электрического контакта. Крепление диода на плате осуществляется таким же образом, как это делается и у транзисторов. Допустимая рабочая температура окружающей среды повышается для кремниевых диодов до +125°С, а допустимые температуры перехода — от —90° до+200° С.

Обратный ток типичного микродиода при напряжении 3 в составляет 2 мка и при напряжении 10 в — 2,2 мка. Прямой ток при напряжении 1 в составлял 150 ма.

Рис. 12.10. Конструкция микродиода:

1 — галета; 2 — заливочная смола; 3 — проводящая эпоксидная смола; 4 — алюминий; 5— паяное соединение; 6 — кремниевый диод

В микромодульной системе, помимо полупроводниковых элементов, могут быть использованы и микроминиатюрные термоэлектронные лампы. Безнакальные миниатюрные лампы используют вместо транзисторов. В таком случае не требуется вспомогательных систем охлаждения, а значит, повышаются общая эффективность и надежность оборудования, увеличивается срок его службы.