Особенности технологии толстопленочных ГИС

С начала 60-х годов ХХ века в развитых промышленных странах стали
активно проводиться исследования и опытно-конструкторские работы
по созданию толстопленочных микросхем и разработке промышлен-
ного оборудования для их производства. Повышенный интерес к
толстопленочной технологии объяснялся рядом ее существенных
достоинств и прежде всего сравнительной простотой и невысокой стоимостью технологического обору-дования, гибкостью и мобиль-
ностью технологии, позволяющей сравнительно быстро наладить
промышленное производство микросхем различного функциональ-
ного назначения [15].

Приведенная на рисунке 2.37 упрощенная схема технологического
процесса изготовления гибридных толстопленочных микросхем по
казывает состав и последовательность технологических операций,
основные из которых - нанесение и вжигание паст - многократно
повторяются для различного их состава и назначения.

Характеристика паст. Состав паст определяет их физические
(электрические, тепловые) и технологические свойства. В зависи-
мости от назначения пленок пасты разделяются на проводящие, ре
зистивные и диэлектрические. Основой проводящих паст являются порошки благородных ме-
таллов: серебра, золота, платины. Эти материалы обладают хорошей
электро-проводностью и высокой химической инертностью. Однако по техническим или экономическим причинам монометаллические по
рошки не применяют в составах паст. Поэтому обычно в проводящих
пастах используют два, реже три металла. Наиболее широкое рас-
пространение нашли пасты на основе композиций: палладий --
серебро, палладий - золото. Проводящие пасты на основе палла-
дий - серебро имеют малую стоимость, и позволяют получать
пленки с высокой начальной адгезией и осуществлять их проволоч-
ный монтаж. Пасты на основе платины - золота характеризуются
минимальной растворимостью в припое, их можно восстанавливать.
Полученные пленки обладают высокой адгезией, почти не меняю-
щейся при старении. Однако из-за высокой стоимости применять та-
кие пасты целесообразно только тогда, когда в микросхемах тре-
буется обеспечить высокую надежность паяных соединений.

В качестве основы, определяющей свойства резистивных паст,
применяют системы металлов или их окислов. Наиболее распростра
нными являются резистивные пасты с использованием палладия
и серебра, металлического рутения и окиси рутения, окислов таллия,
олова и пасты на основе нитрида тантала. Резистивные пленки на
основе паст композиции палладий - серебро имеют диапазон удель-
ных сопротивлений 500...200 000 Ом·см. Если в такую пасту добавить
некоторое количество свинцовоборосиликатного стекла с флюсом
из триокиси висмута, то можно получить пленки с удельным сопро-
тивлением до нескольких мегаом на квадрат. Температурный коэф-
фициент сопротивления серебряно - палладиевых паст снижают, -
вводя в них двуокись циркония или окислы щелочно - земельных
металлов.

Основу диэлектрических паст составляют порошки титаната
бария, стекол или стеклокерамики. Сложные многослойные струк-
туры создают, используя кристаллизующиеся стекла.

Трафаретная печать. В зависимости от типа трафарета и способа
его расположения относительно поверхности подложки различают
два метода трафаретной печати: контактный и неконтактный.

При контактной печати применяют металлические маски,. кото-
рые плотно прижимают к поверхности подложки. Такую маску
после нанесения пасты отделяют от подложки одновременно по всей
ее поверхности, чем обеспечивается получение очень четких границ
и заданной формы пленочных элементов. При неконтактном методе трафарет (обычно сетчатый) распола-
гают на некотором расстоянии (0,35...0,5 мм) от поверхности под-
ложки. Под давлением ракеля на участках, где наносится паста,
ячейки трафарета пригибаются и соприкасаются с подложкой. Когда
ракель перемещается на соседний участок, зазор между трафаретом
и подложкой восстанавливается, а паста остается на подложке. Важнейшими факторами, определяющими качество трафаретной
печати при неконтактном методе, являются: параллельность под-
ложки, сетчатого трафарета и плоскости перемещения ракеля; рас-
стояние между подложкой и трафаретом, давление при печатании, угол касания и скорость движения ракеля. От изменения каждого из этиx факторов зависит толщина пленки, четкость и воспроизводи-
мость рисунка микросхемы.

Термическая обработка паст. Нанесенные на подложку пасты
следует выдерживать при комнатной температуре в течение 10...
20 мин для устранения отпечатка ячеистой структуры трафарета
и выравнивания поверхностного профиля. После выдержки пасты
подвергают термической обработке, чтобы структура пленок стала
монолитной. Термообработку проводят для сушки и вжигания паст.
Вжигают пасты в два этапа. На первом этапе при температype
300...400 °С органическое связующее разлагается, выгорает или
испаряется. На втором этапе при температуре 550...800 °С стеклян-
ная фритта расплавляется и обволакивает частицы металлического
(или диэлектрического) порошка. При этом металлическая основа
пасты спекается со стеклом.

Режим первого этапа выбирают таким, чтобы органические связующие разлагались и выгорали раньше, чем полностью расплавит-
ся стеклянная фритта. Оптимальной считается скорость возрастания
температуры 20 °С/мин. Процесс вжигания влияет на адгезию и
паяемость проводников, плотность диэлектрических пленок, удель-
ное сопротивление, коэффициент шума, стабильность параметров
и температурный коэффициент сопротивления резисторов. В связи
с этим особенно важным является спекание резисторных паст. Тем-
пература и длительность на этом этапе становятся весьма критичны-
ми, так как химические реакции,определяющие состав пленки и ее свойства, протекает со скоростью, которая почти удваивается при повышении температуры всего на 10 °С. Поэтому температуру и время вжигания следует поддерживать постоянными с хорошей точ-
ностью. Для резистивных пленок точность поддержания темпе-
ратуры составляет ±1 °С.

Многослойные коммутационные структуры. Технологическое
оборудование, методы и материалы, применяемые при изготовлении
толстопленочных схем малого уровня интеграции, оказались при-
годными и для производства многослойной коммутации ГИС.
Необходимо было дополнительно разработать лишь материалы для
изолирующих слоев.

Так как многослойная толстопленочная структура получается
последовательным нанесением и вжиганием проводящих и изоли-
рующих слоев, материал изолирующего слоя должен быть хорошо
согласован по коэффициенту линейного расширения с подложкой и
с материалами ниже- и вышележащих слоев, должен быть инертным
и сохранять стабильность физических свойств и структуры после
многократных термообработок. При спекании изолирующей пасты
должны образовываться плотные беспористые слои.

Наилучшим образом этим требованиям отвечают так называе-
мые стеклокристаллические цементы, свойства которых приведены
в таблице 2.6.

Таблица 2.6.

Основным требованием к технологии изготовления многослойной коммутационной структуры является обеспечение высокого значения выхода годных по пересечениям и межслойным переходам.
Изготовление двухслойной коммутационной структуры не встре-
чает существенных трудностей, и можно обеспечивать выход годных
80...90%. Однако при однократной печати и вжигании изолирую
щего слоя вследствие его пористости не гарантируется отсутствие
коротких замыканий по пересечениям проводников. Поэтому для по
лучения высокого значения выхода годных, а иногда с целью умень-
шения цепей паразитной связи изолирующий слой приходится полу-
чать двух- или даже трехкратным нанесением и вжиганием пасты.

Плотность проводникового рисунка в многослойной коммутационной структуре определяется не разрешающей способностью
трафаретной печати, а шагом между межслойными переходами. В
настоящее время трафаретной печатью на поверхности керамичес-
кой подложки можно легко получать параллельные проводники с ша-
гом 350 мкм. В то же время получение большого числа сквозных m-
верстий в изоляционном слое с шагом меньше 700 мкм является
сложной технологической задачей. Чтобы при нанесении и вжигании
изолирующего слоя предотвратить затекание сквозных отверстий,
следует уменьшить вязкость пасты. Чтобы избежать затекания пас-
ты в сквозные отверстия при двухкратной печати изолирующего
слоя из-за несовмещения трафаретов, размеры отверстий на них
нужно увеличивать на 0,2 мм. В результате шаг между переходами в многослойной коммутационной структуре составляет около
0,8...1 мм. Растекаемость одной и той же пасты на керамической
подложке и на изолирующем слое существенно отличается. Техно-
логический процесс и применяемые материалы оптимизируют, иc-
пользуя различные рецептуры проводниковых паст с учетом их фи-
зико-химических свойств и режимов вжигания. В таблице 2.7 приведе-
ны рекомендуемые и предельные конструктивно-технологические
параметры систем многослойной коммутационной структуры толсто
пленочных ГИС. Следует отметить, что принципиально можно изготовить ком-
мутационную структуру из 5 проводниковых слоев. Однако изготовлеиие свыше трех слоев нецелесообразно из-за значительного уменьшения значения выхода годных, усложнения технологии
и удлинения технологического цикла [15].

Таблица 2.7.

Наименование параметра	Значение параметра
рекомендуемое	предельное
Число слоев проводниковой коммутации
Расстояние между центрами (шаг) межслойных переходов, мм		0,6
Расстояние между центрами параллельных проводников, мм	0,5	0,3
Ширина проводников (минимальная), мм	0,25	0,15
Удельное сопротивление проводников внутри слоя, Ом·См	0,03	-
Удельное сопротивление проводников наружного слоя (после лужения), Ом·См	0,005	-
Диапазон удельных сопротивлений резисторов, Ом·См	300000	-