Заводян Лабораторный практикум

Таблица6

Примерытехнологическисовместимыхсвязующихвеществи пластификаторов,используемыхвсоставекерамическогошликера

Полиакрилатыиполиметакрилатыпроявляютсебяпримерноодинаково,но первые разлагаются медленнее. Полиметакрилаты, в частности поли-N- бутилметакрилат,обеспечиваетхорошую адгезию пленок,неизменяетсвоих свойств со временем,не становится хрупким при комнатной температуре. Поливиниловыйспирттребуетдлительноговременисушки.Отличительными пленкообразующими свойствами обладает поливинилбутираль. Худшие результатыбылиполученыприиспользованииацетатацеллюлозы.

Из испытанных пластификаторов изобутиральацетат сахарозы характеризуется наиболее слабыми пластифицирующими свойствами. Диизодецилфталатимеетвысокую температуруразложения и способствует образованиюлипкихповерхностей.Глицеринрастворяетсявводе.

К наиболее полно удовлетворяющим требования,предъявляемые к пластификаторам, относят такие пластификаторы как дибутилфталат и дибутилсебацинат.

Дибутилфталат – эфир фталевой кислоты и бутилового спирта, представляющий собой прозрачную,бесцветную или слегка желтоватую маслянистую жидкость, хорошо растворимую в этиловом спирте. Дибутилсебацинат – эфир себациновой кислоты и бутилового спирта, представляетсобойтакжебесцветнуюилислегкажелтоватуюжидкость,хорошо растворяющуюсявэтиловом спирте.Вотличиеотдибутилфталата,онменее летуч и обладает при длительном хранении меньшей проникающей способностью.

Растворительдолженхорошорастворятьсвязкуииметьнизкуювязкость. Растворителиимеютвысокоедавлениепара,поэтомуполностьюулетучиваются дообжигавначалеспекания.Порастворяющейспособностиразличаюттри группырастворителей,которыеприведенывтабл.7.

Таблица7

Систематизациярастворителейпогруппам

Группырастворителейпоихрастворяющейспособности (т.е.поэффективностирастворения)

Иногдавкачестверастворителейприменяютметилэтилкетон,толуоли

изопропиловый спирт,ночащеиспользуютсяразныесмеси растворителей. Растворители такжеследуетподбиратьв зависимости отсвязки.Так,для поливинилбутиралярекомендуютсяследующиесмесирастворителей:

102

циклогексанол-50%,N-пропанол-40%,метанол-10%илициклогексанол-40%, толуол-40%,N-пропанол-10%,метилизобутилкетон-10%.Ноцелесообразнее использоватьсмесьтрихлорэтиленаитетрахлорэтилена,котораядействует болееэффективноинеобразуетвзрывоопаснойсмесисвоздухом.Пригодны такжевкачестверастворителейамилацетатиэтилацетат,хотяонименее эффективны.

Поверхностно-активноевещество(ПАВ)добавляетсядляпредотвращения агломерациичастицглинозема.ПослеудалениярастворителяПАВспособствует увеличениюадгезиисвязкииминеральныхчастиц,темсамым,значительному уменьшению количествасвязкивсоставешликера,азначитипористости,и коэффициентаусадкикерамическойзаготовки.

ВкачествеПАВобычноиспользуюталкиламиды,альгинаты,рыбийжири др.,но возможно приготовление шликера и с ихзаменителями,которые приведенывтабл.8.

Таблица8

ОсновныесведенияоПАВ

Шликер с октадециламином обладает хорошими свойствами, но высушеннуюлентуневозможноотделитьотподложкибезтрещин.Вкачестве ПАВ при подготовке шликера из корундовой керамики марки ВК 94-1 рекомендуется использовать полиоксиэтиленалкиламид,выпускаемый под маркой"Синтамид–5",которыйвводятвшликерввидеспиртовогораствора, чтообеспечиваетхорошеесмачиваниечастицминеральнойчасти.

Материалыдляметаллизациикерамики

Вопросметаллизациипосыройкерамикеслабоосвещенвлитературе. Практическоеприменениеэтойтехнологииследуетотнестикконцу70-хгодов, когдапроцессобжигаоптимизировалсяпохарактеристикамкерамики,анепо свойствампроводящейпасты (т.е.режимыобжигазаготовокспроводящими элементами выбирались по аналогии с металлизацией по обожженной керамике),поэтомукачество изготовленияКП было невысоким.Основные критерии, которыми необходимо руководствоваться при нанесении металлизации,следующие:

напряжениянаграницеметалласкерамикойдолжныбытьсведеныдо

минимумазасчетправильногоподборакоэффициентовусадкикерамики иметалла; усадкаметаллизациизависитотразмерачастицметалла;

разницатемпературногокоэффициенталинейногорасширения(ТКЛР) композиции“металл-керамика”должнабытьсведенадоминимума; впроцессеспеканиямногослойнойструктурычастицыметаллаиокисла уплотняются,происходитусадкасобразованием монолитаметаллаи

103

окисла. Несогласованнаяусадкакерамикииметаллизирующегослояприводитк

появлениютрещин,прогибуспеченногоматериала,кобразованиюостаточных напряженийикнарушению сцепленияметалласкерамикой.Впроизводстве керамическихКПдлямикроэлектронныхустройствсамойсерьезнойпроблемой являетсяпоявлениевпроцессеобжига(послеметаллизации)трещинвокруг сквозныхотверстий.Трещинычащевсегоявляютсярезультатомнеправильного подбора температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материаловпроводникаикерамики,новбольшейстепениэтоотноситсяк подборуТКЛРметаллов,которыйменяетсялишьприизмененииматериала токопроводящейсистемы.

Основныепараметрыметаллов,применяемыхвсоставепроводящихпаст дляМКП,приведенывтабл.9.ЗначенияТКЛРкорундовыхкерамикданывтабл. 2.

ЕслиприобжигеТКЛРметалланемного>ТКЛРкерамики,товкерамикене появляются радиальные трещины усквозныхотверстий.При охлаждении спеченнойструктуры металлсжимаетсябольше,чемкерамика.Прислишком большом рассогласовании ТКЛР происходит образование трещин между металломикерамикойвдольбоковыхстеноксквозныхпереходов.

Случай,когдаТКЛРметалла<ТКЛРкерамики,характерендлятугоплавких молибденаивольфрама,используемыхсбольшинствомкерамик.

Таблица9 Основныепараметрыметаллов,используемыхвсоставепроводящих

пастдляМКП.

Предсказать согласованную усадку металла и керамики в металлокерамическойсистеметруднонетолькоиз-заотличающихсясвойств материаловвсопряженнойсистеме,ноивследствиесущественноговлиянияна нихтехнологическихфакторов.ПосколькумолибденивольфрамимеютТКЛР меньший,чем у большинства видов керамики,то необходимо учитывать проблемунапряженияметаллов,темболее,чтопрочностькерамикиприсжатии в10-20развышепрочностиприизгибеилирастяжении.Согласованностьусадки достигалась изменением распределения частиц металла и керамики по размерам приминимизацииостаточныхнапряжений (особеннонапряжения растяжения)вметаллокерамическойсистеме.

Нарис.3.представленадиаграмма,покоторойможновыбратьдопустимое рассогласованиеТКЛРметаллаикерамики.

Таким образом,выбор либо приготовление проводящей пасты для металлизациикерамикинепростаязадача,таккакприэтомрешаютсявопросы нетолькосогласованияТКЛР сопрягаемыхматериалов,ноиобеспечения: высокой адгезии между ними; минимально возможного удельного

104

поверхностногосопротивлениякоммутации;требуемогодиапазонатемператур для реализации технологических режимов процессов совместного отжига проводящейпастыикерамики;возможностисозданиямежслойнойкоммутации; требуемогокачестварисункакоммутации;высокойтехнологичностипроцесса трафаретнойпечатиидр.

105

EМ 6,9·10-3,Па

Рис.3.Важнейшиепараметрическиесоотношениядляизбежаниясквозных трещинвмногослойнойкерамике; –модульупругостиметалла;

;σmax –максимальноедопустимоенапряжение

растяжениякерамики. Дляприготовленияпроводящейпасты,кромемелкодисперсногопорошка

металла (или металлов) используются органические составляющие: этилцеллюлоза,терпинеолилидр.вкачествесвязки;дибутилфталатвкачестве пластификатора;толуол,ацетон,или N-бутилацетатвкачестверастворителя.

Прочностьсцепленияпроводящегослояскерамикойзависитотразличных факторов:отвидаисоставакерамическоймассы,технологииееполучения,от величинычастицпорошкаметалла,атакжеактивностиихспекания.

Привыборепорошковметалловдляпастрекомендуется:

использовать металлические порошки с минимально возможными размерамизерен,чтобыобеспечитьмаксимальновозможнуюповерхность их соприкосновения с поверхностью керамики (экспериментально установлено,чторазмерчастицпорядка1мкм,способствуетобразованию прочногосцепления); использоватьпорошоксразличным гранулометрическим составом (так

какпорошок,состоящийизодинаковыхпоразмерузерен,спекаетсяс меньшей скоростью,чем порошок из разных размеров зерен),что способствует более прочному сцеплению проводящего слоя с керамическойповерхностью; металлическиезернадолжныиметьмаксимальнонарушеннуюрешетку; поверхностьзерендолжнабытьочищенаотвеществ,которыеобладают повышеннойдиффузионнойспособностью.

Анализсвойствметаллов(см.табл.9)икерамикиВК94-1(см.табл.2) показывает,чтонаиболееполноудовлетворяюттребованиям кпроводящим пастам такие металлы как вольфрам и молибден (например,температуры плавленияWиMoпревышаюттемпературуплавленияAl2O3,составляющую2050

106

оС;ТКЛРэтихметалловменьше,чемудругих(см.табл.9)иотличаютсяотТКЛР керамики (см.табл.2)).УчитываяменьшееразличиеТКЛР Mo и Al2O3 (по сравнениюсWиAl2O3),молибдениспользовалсявсоставепроводящихпастдля получениявнутреннихслоевкоммутациивМКПнаотожженныхкерамических заготовках,авольфрам –длянаружных.Приэтом всоставпаствводились небольшиедобавкипорошкаВК94-1сцельюминимизацииусадок,чтоприводило квозрастанию удельногоповерхностногосопротивленияпроводников(до0,05 Ом/□). Потребовалась разработка проводящих паст, не содержащих диэлектрическиеминеральныедобавки.Вчастности,засчетиспользованияв составепроводящихпастсмесипорошковW иMo.Этоособенноэффективным оказалось для необожженных заготовок керамических пленок (т.е. для пластифицированнойкерамики).

Экспериментальным путем с применением проводящей пасты при металлизации керамической пленки (заготовки) толщиной 0,2 мм было определено,чтооптимальноесоотношениеWиMoвпастесоставляетпримерно 3:1соответственно.Притакомсоотношениикерамическаяметаллизированная заготовканеискривлялась.Втожевремяиспользованиепасты,содержащей 100% W,приводилокискривлению металлизированныхкерамическихпленок после совместного обжига,в сторону керамики,а металлизация пастой, содержащей100%Mo,приводилокискривлению,послеобжигаваналогичных условиях,всторонуметаллизированногослоя.

С учетом требований,предъявляемых к проводящим пастам и их ингредиентам,лучшимисвойствамиприметаллизациитрафаретнойпечатью пластифицированных керамических пленок (на основе керамики ВК94-1) обладают пасты вольфрамо-молибденовые (ПВМ)состава 1 и состава 2 (соответственно ПВМ-1 и ПВМ-2),представленные в табл. 10. Причем, проводящая паста ПВМ-1 рекомендуется для металлизации переходных отверстий,а ПВМ-2 для нанесения проводников на плоскостях заготовок. Дисперсность металлического порошка, определяемая размерами зерен металлов,должнабытьвпределах0,5–1,7мкм:дляуменьшенияудельного поверхностного сопротивления элементов коммутации;для качественного спеканиясистемыметалл-керамикасобразованиемструктурыбезсквозныхпор исвысокойадгезионнойпрочностьюсопрягаемыхматериалов;дляобеспечения необходимых реологических свойств (т.е.свойств,определяющих характер течениявязкойжидкости,втомчислепривоздействиивнешнихсил,например, ее вязкости, поверхностного натяжения, смачивающей способности, тиксотропности и др.),от которых во многом зависят технологичность трафаретнойпечатиикачествополучаемогорисункакоммутации(отпечатка).

Таблица10

СоставпастПВМ

107

СприменениемпроводящихпастПВМ-1иПВМ-2полученыМКПнасырой керамикеВК94-1,укоторыхудельноеповерхностноесопротивлениеэлементов коммутации толщиной не менее 25 мкм составляло 0,015 – 0,020 Ом/□. СравнительныехарактеристикиМКП,полученныхсиспользованием разных технологий,приведены в табл.11(сучетом отечественныхи зарубежных разработок).

Таблица11 Сравнительныехарактеристикимногослойныхкерамическихплат(МКП),

полученныхсиспользованиемразныхтехнологий

108

е,Ом/□

Важноотметить,чтокачественноеполучениеэлементовкоммутациив значительной степени зависитотправильного согласованияреологических характеристикпроводящейпасты иусловийпроведениятрафаретнойпечати пасты.Приэтомтехнологическоеоборудованиедлятрафаретнойпечатидолжно удовлетворятьследующимосновнымтребованиям:

обеспечиватьмикрорегулировкуиточноезакреплениетрафарета; содержатьсредствадляизмененияиконтроляскоростиперемещения ракелявпределахот5до25см/с; обеспечиватьравномерноеперемещениеракеля; содержатьсредстворегулировкидавленияракелянаэкрантрафарета; обеспечиватьподъемиопусканиеракеля; обеспечиватьрегулировкузазорамеждуэкраномтрафаретаиподложкой впределах0,25–1,5мм; содержатьсредствадлябыстройсменытрафарета; обеспечиватькреплениезаготовок,например,спомощью вакуумного присоса.

СборкаимонтажнавесныхкомпонентовнаМКП

Сборкаимонтажнавесныхкомпонентовнаготовую МКПотличаютсяот традиционныхметодов сборки и монтажа (под традиционными методами понимаетсяиспользованиеобычныхплатнастеклотекстолитовомоснованиисо сборкойимонтажомкомпонентоввотверстиятакихплат)тем,что:

сборкаимонтажосуществляютсянаповерхностьМКПиреализуютсяпо групповой технологии,причем перед сборкой необходимо дозированное нанесениеприпоя;

материалыкорпусовнавесныхкомпонентовподбираютсямаксимально совместимымипоТКЛРсматериаламиМКП;

способомпайкидляповерхностно-монтируемыхкомпонентоввданном случае может служить пайка оплавлением дозированного припоя (ОДП), например,сприменениемИК-нагрева,нагретогоинертногогаза,нагретойплиты (кондукционныйнагрев),либосиспользованием комбинацийперечисленных способов;

фиксациякомпонентовнаМКПможетосуществлятьсяспомощьюклеев (адгезивов), либо с применением специальной сборочно-монтажной технологическойоснастки.

Втабл.12приводятсясравнительныехарактеристикикорпусов(втомчисле керамических) традиционно-монтируемых и поверхностно-монтируемых компонентов(соответственноТМКиПМК),включаявозможностиреализацииих сборкиимонтажанаплатах.ПосколькуМКПнесодержатмонтажныхотверстий и технология изготовления коммутации обеспечивает ее высокоплотное размещение,тонатакихплатахможноосуществитьтолькоповерхностные сборку и монтаж ПМК,что обеспечивает:высокоплотный монтаж ФЯ, уменьшениеплощадиМКП,улучшениефункциональныххарактеристикячееки снижениестоимостиихизготовления.

Какотмечалосьранее,длякерамическихКП важносогласованиеТКЛР сопрягаемых материалов,поэтому лучшая технологическая совместимость достигаетсяприиспользованииПМКвметаллокерамическихкорпусахс2-хили

109

4-хстороннейразводкойвыводов(иливыводныхконтактныхплощадок).Такие многовыводныекорпуса(сколичеством выводовболее18)используютпри корпусированииБИС (СБИС)иобычноназываюткристаллодержателями;их относятквакуумплотным высоконадежным корпусам,чащеприменяемым в специальнойаппаратуре.КромеБИС(СБИС)всоставеФЯобычноиспользуюти дискретныекомпоненты(чащевсегочип-конструкцииирежевмикрокорпусах (типаSO)),которыетакжедолжныбытьсовместимымипоТКЛРсматериалами МКП.

ТехнологическийпроцесссборкиимонтажаПМКнаКП впростейшем случае(еслисборкаимонтажПМКосуществляютсясоднойстороныМКП,и сборкавыполняетсявручную)включаетосновныеэтапы:

формированиеприпойныхплощадокназнакоместахсконтролем толщиныприпойногопокрытия; нанесениефлюса; позиционированиеПМКнаМКП; микроконтактированиепайкой; очисткасмонтированнойячейки;

выходнойконтролькачествасборкиимонтажаи,принеобходимости, устранениедефектов.

110