книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Термические напряжения, возникающие в толстопленоч­ ных элементах, можно разделить на две группы: напряжения, вызванные несоответствием ТКЛР проводящей среды а пр и стекла а ст (<ттерМ1), и напряжения, обусловленные несоответ­ ствием ТКЛР пленки а пл и подложки а п (<7теРмг)*

ТКЛР проводящей среды и стекла могут различаться значительно (например, w 11,6 • 10- 6 о С - 1 , а а ст « sa а д 12о3 « 6,6 • 10-* ОС-1) в температурном диапазоне от 20 до 300°С. Эти напряжения могут привести к появлению ми­ кротрещин в структуре пленки, что изменит “механизм” про­ водимости пленок и их эксплуатационные свойства, особенно после лазерной доводки.

Собственные напряжения, возникающие в пленке в про­ цессе осаждения, являются отражением несовершенства ее структуры и зависят от значений параметров осаждения: тол­ щины, скорости конденсации, температуры подложки.

Типичная зависимость напряжения от толщины пленки приведена на рис. 9.10. Первоначально (область 1) пленка со­ стоит из разобщенных частиц - характер напряжений пред­ положительно считают отрицательным. По мере слияния ча­ стиц (точка А) характер напряжений меняется, а величина напряжений резко возрастает (область 5), затем рост напря­ жений замедляется (область 3). Область 2 для металлических пленок лежит в диапазоне 100 ... 200 нм. С ростом температу­ ры подложки при осаждении металлических пленок величина растягивающих напряжений снижается. Особенно это замет­ но для окисляемых металлов, каким является медь.

Рис. 9.10. Зависимость величины механичес­ ких напряжений <г от толщины пленки t

Рис. 9.11. Зависимость значении внутрен­ них напряжений о в пленке Си от темпе­

ратуры ПОДЛОЖКИ <о«д«

На рис. 9.11 приведена зависимость величины напряже­ ний в пленках меди от температуры подложки. Уменьшение напряжений и переход их в сжимающие при увеличении тем­ пературы подложки может быть связано с окислением частиц меди при конденсации.

Напряжения в сверхтонких металлических пленках (от 0,5 до 20 нм) в процессе формирования сплошной структу­ ры являются неустойчивыми и изменяются от сжимающих в растягивающие. Эти переходы могут повторяться. При даль­ нейшем росте толщины (свыше 0,1 мкм) напряжения стано­ вятся устойчиво положительными. На характер и величину напряжений в пленках, осажденных магнетронным распыле­ нием, влияет давление остаточного газа.

Во всех случаях можно отметить следующее: сжимаю­ щий характер напряжений при низких давлениях аргона и пе­ реход их в растягивающие по мере роста давления.

Скорость конденсации и температура подложки по-разно­ му влияют на характер напряжений в пленках. При низких температурах подложки с ростом скорости осаждения напря­ жения увеличиваются - это проявляется в большей нестабиль­ ности электросопротивления резистивных пленок. При высо­

ких температурах подложки увеличивается подвижность кон­ денсированных атомов, что способствует совершенствованию кристаллической структуры, уменьшению напряжений и, как следствие, пленки получаются более стабильными.

Зависимость стабильности резистивных пленок от време­ ни термообработки и величины внутренних напряжений при­ ведена на рис. 9.12.

Рис. 9.12. Зависимость относительного изменения электросопротивления A R /R

резисторов из Cr-Si от времени термо­ обработки г для различных значений внутренних напряжений:

0,1 - 0,16 (1), 0,16 - 2,0 (2), 0,2 - 0,27 (Я) и

0,27 - 0,33 (4) ГПа (подложка - ситалл СТ50-1; температура подложки во время оса­ ждения 200®С; температура обработки 125° С)

Для уменьшения внутренних напряжений в осажденных пленках может быть применена термическая обработка. Вли­ яние термической обработки зависит от соотношений темпе­ ратур: подложки термической обработки и критической температуры термообработки <то кр. Термическая обработка при tTо < <ТОкр и tn < tyo приводит к снижению напряжений, а при t„ > <токр и <то > <юкр - к возрастанию напряжений. В результате термической обработки внутренние напряжения

ки), приводят к нарушению работоспособности конденсатора, т.е. отказу.

Известные низкотемпературные методы получения пле­ нок SiÛ2 и SÎ3N4 не обеспечивают возможности создания тол­ стых (до 2 мкм) слоев, лишенных внутренних напряжений, что приводит к растрескиванию и отслаиванию пленок. Меха­ низм возникновения напряжений, их значения и знак зависят от материала пленки и условий ее получения.

Для уменьшения значения внутренних напряжений воз­ можно последовательное нанесение слоев из материалов, име­ ющих механические напряжения различных знаков.

возрастания вклада термических напряжений. Одновременно виден эффект применения многослойных структур (кривые 3

И 4) ‘

9.3. Влияние состава воздушной среды на электрические и эксплуатационные свойства элементов

Наличие в атмосферном воздухе кислорода, хлора, водо­ рода и паров воды может привести к попаданию их на поверх­ ность плат с пленочными элементами или внутрь корпуса, что приводит к ухудшению технологических свойств: способности

кпайке или сварке, а также к последующему изменению элек­ трических свойств пленочных элементов.

Одной из причин ухудшения качества приварки провод­ ников к серебряно-палладиевым контактным площадкам явля­ ется наличие в воздухе таких газов, как сероводород, диоксид азота, хлор, кислород. Вступая в реакцию с веществом па­ сты или адсорбируясь на ее поверхности, эти газы приводят

кзагрязнению поверхности, что в свою очередь приводит к ухудшению процесса пайки и сварки (рис. 9.15). Оценка за­ грязнения поверхности проводилась по измерению угла сма­ чивания.

Из рис. 9.15 видна различная степень влияния газов на со­ стояние поверхности толстопленочных элементов из серебря­ но-палладиевой пасты, при этом наибольший эффект получен при их обработке в смеси газов (кривая 1). Такие газы, как озон, хлор, диоксид серы и азота, находящиеся в атмосферном воздухе в отдельности, слабо влияют на свойства серебряно­ палладиевых поверхностей (кривая 5).

Сероводород оказывает влияние на состояние поверхно­

сти серебряно-палладиевых элементов только в первые 5 . . . 7 часов. Затем его коррозионное действие незначительно (кри­ вая 4)• Допустимое содержание сероводорода в воздухе не должно превыш ать 0,04 млн- 1 .

При изготовлении толстопленочных плат с использовани­ ем серебряно-палладиевых паст следует:

Рис. 9.15. Изменение угла смачивания В серебряно-пал­

ладиевой пасты в зависимости от продолжительности ее нахождения г в различных газовых средах:

1 - смесь, состоящая из сероводорода, хлора, озона и диокси­ дов азота и серы; 2 - смесь, состоящая из сероводорода, хлора, озона и диоксида азота; 3 - смесь, состоящая из сероводорода, хлора и озона; 4 ~ смесь, состоящая из сероводорода и хлора или

одного сероводорода; 5 - отдельное использование хлора, озона, диоксидов азота и серы (условия эксперимента: температура 25°С; относительная влажность 75 %; газообмен 3 - 5 крат/ч)

-исключить попадание сероводорода в производственное помещение, постоянно следя за уровнем его концентрации;

-платы в промежутках между технологическими опера­ циями хранить в атмосфере сухого очищенного азота;

-сократить время между последней операцией вжигания паст и монтажом ЭРК.

Следует отметить, что после нахождения плат в атмо­ сфере воздуха, в которой имеется сероводород, рекомендует­ ся провести операцию высокотемпературного отжига. По­ сле этой операции свариваемость вновь улучшается. Повидимому, поверхностный коррозионный слой разлагается при высоких температурах.

Поэтому технологический процесс изготовления элемен­ тов МЭИ СВЧ должен осуществляться при таких параметрах воздушной среды, которые бы гарантировали определенную влажность воздуха, минимальное наличие пыли и “активных” газов.

Одновременно с обеспечением “стерильных” условий из­ готовления элементов МЭИ СВЧ и проведения сборочно-мон­ тажных работ, необходимо исключить попадание нежелатель­ ных веществ внутрь корпуса и выделение их из материалов, присутствующих внутри корпуса МЭИ СВЧ. Наиболее рас­ пространенным среди прочих “опасных” факторов является влага.

Наличие в атмосферном воздухе “загрязнений” влияет на свариваемость золотой проволоки к золотому покрытию про­ водников микрополосковых плат. К числу газов, способных ухудшить процесс сварки этих элементов, относятся углерод, водород и кислород.

На рис. 9.16 приведена зависимость усилия разрушения термокомпрессионного соединения золотой проволоки от зо­ лотого покрытия проводника при различной температуре его поверхности.

Присутствие влаги или влаги вместе с другими газами или ионами веществ в герметичных МЭИ СВЧ приводит к постепенной деградации их свойств. Наличие этих веществ в корпусе ускоряет процессы коррозии металлизационных си­ стем, миграции материалов, индуцирует появление электри­ ческих “закороток” , создает большие токи утечки. Крити­ ческий уровень влаги в корпусе определяется требованиями, предъявляемыми к используемым навесным ЭРК, например керамическим конденсаторам или бескорпусным полупровод­ никовым приборам.

Присутствие нежелательных газов и паров воды в герме­ тичном корпусе определяется технологией их удаления перед герметизацией и качеством герметизации. Если корпус имеет недостаточную герметичность внутрь проникает и влага. Ко­ личество влаги, прошедшей внутрь корпуса, тем больше, чем выше показатель натекания (рис. 9.17).