Параметры полимерных материалов, используемых в качестве оснований гибких плат
| N п/п | Параметры | Полиимидная пленка марки ”Kaption” | Полиимидная пленка марки “ПМ-1” | Эпоксидно-полиэфирная пленка | Найлон | Полиэфир |
| Прочность на растяжение (x107) H/м2 | 17,5 | 15,0 | 4,0 | 8,0 | 16,0 | |
| Относительное удлинение при разрыве, %: при 293 К при 473 К | ||||||
| Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), (x10-5), град-1 | 2,0 | 2,0 | 1,5 | 6,0 | 1,6 | |
| Рабочая температура, К | ||||||
| Водопоглощение за 24 ч, % | 2,9 | 3,0 | 1,5 | 5,0 | 0,7 | |
| Теплопроводность, Вт/(м∙К) | 0,148 | 0,148 | 0,248 | 0,2 | 0,2-0,4 |
Окончание табл. 2.3
| N п/п | Параметры | Полиимидная пленка марки ”Kaption” | Полиимидная пленка марки “ПМ-1” | Эпоксидно-полиэфирная пленка | Найлон | Полиэфир |
| Усадка | 0,12 (при 423 К) | 0,13 (при 423 К) | 3-5 (при 423 К) | 2-3 (при 393 К) | 2,0 (при 370 К) | |
| Диэлектрическая проницаемость на частоте 1 кГц | 3,5 | 3,5 | 3,2 | 2,0 | 3,2 | |
| Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц (х10-3) | 3,0 | 3,0 | 7,0 | 10,0 | 30,0 | |
| Электрическая прочность (х106), В/см | 2,7 | 1,5 | 0,3 | 0,12 | 0,2 | |
| Удельное электросопротив-ление при 20 ºС, (х1018), Ом·см | 1,0 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 1,0 |
Изготовление МКП с применением сочетаний различных диэлектрических материалов (гетерослойных диэлектриков) способствует повышению эксплуатационной надежности изделий, смонтированных на таких платах. В этом случае решаются задачи по обеспечению эффективного теплоотвода; компенсации внутренних остаточных, напряжений в КП, связанных с температурными или другими воздействиями; физико-химической совместимости материалов КП и элементной базы; а также по выполнению специфических требований, например, схемотехники. Эффективно с этой целью сочетание полиимидных материалов с керамикой, кварцем и другими материалами. Металлизация таких плат осуществляется на основе тонко- или толстопленочной технологий. Для сочетаний таких материалов, как кварц-стеклоэпоксид или кевлар-стеклоэпоксид, используют полуаддитивную или аддитивную технологию при создании коммутации. Целесообразно также в сочетании с гетерослойной структурой диэлектрика в ряде случаев использовать прослойки (компенсационные слои) со структурой медь - инвар - медь (инвар, плакированный медью). Иногда, например, для лучшего теплоотвода компенсационный слой делают гофрированным, а для согласования сопрягаемых материалов ФЯ (с учетом монтируемых на ней компонентов) реализуют конструкцию МКП в виде чередующихся слоев волокнистого диэлектрического материала (либо полиимидного) со слоями инвара, плакированного медью.
МКП, полученные с использованием пакета из полиимидных плат со встроенным компенсационным слоем, выдерживают более 1000 термоциклов (циклических изменений температуры) без отказов, в то время как у КП на основе стеклоэпоксида наблюдалось 30 % отказов между 200 и 300 термоциклами.
Рельефные МКП, изготавливаемые на основе термопластичных материалов горячей штамповкой или литьем под давлением, по ряду показателей, например по стоимости, по электрофизическим характеристикам и др., могут конкурировать с МКП на основе стеклотекстолита (см. табл. 2.1). В сущности, это пластмассовые рельефные (или объемные трехмерные) КП, которые наряду с элементами коммутации (выполняемой в специальных канавках, выштампованных перед металлизацией в диэлектрическом основании т.е. в заготовке), могут содержать встроенные (на этапах изготовления платы) детали и узлы ЭУ (батареи питания, индикаторы, корпуса соединителей, элементы крепления и др.). Для формирования коммутирующих проводников используют приемы аддитивной и полуаддитивной технологии, а также переносную печать (разновидности офсетной печати) с последующим сошлифовыванием излишков проводящего слоя до выявления канавок. В качестве диэлектрических слоев применяют термопластичные (в том числе термоэластопласты) полимерные материалы. В зависимости от конструкции платы межслойные соединения могут выполняться с помощью сквозных отверстий либо через "окна" в диэлектрических слоях.
МКП, выполняемые с применением полимерной технологии, отличаются от прочих конструкторско-технологических разновидностей плат тем, что основание платы, коммутирующие элементы и монтаж встроенных навесных компонентов, а также необходимых узлов и деталей ЭВС выполняются в одном технологическом цикле с применением только полимерных материалов. В частности, коммутирующие элементы формируются с помощью клеевых проводящих полимерных композиций (например, на основе эпоксидной смолы с электропроводящим наполнителем либо с применением ненаполненных полимеров) методами трафаретной печати. Для осуществления межслойной коммутации "окна" в полимерном диэлектрике получают, например, после обработки его УФ - излучением. При изготовлении коммутирующих слоев осуществляется одновременно и монтаж встроенных (в специально созданных углублениях в диэлектрических слоях) компонентов, т. е. с применением проводящих клеевых материалов осуществляется электрическое и механическое соединение навесных компонентов с КП. В сущности, такие МКП можно рассматривать как гибридные интегральные функциональные устройства.
Преимущества использования для изготовления МКП полимерной технологии очевидны, так как она лишена недостатков не только традиционной технологии изготовления печатных плат, но и широко используемых методов монтажа навесных компонентов (пайки, микросварки и др.) на КП. Существенным недостатком освоенной полимерной технологии является несколько повышенное удельное сопротивление материалов (композиций), используемых для формирования элементов коммутации.
Исходные данные и варианты задания
Задание выбирается в соответствии с вариантом, приведенным в табл. 2.4. Исходные данные содержатся в задании, в описании к практическому занятию и, частично, в рекомендуемой литературе.
При выполнении задания необходимо определить последовательность основных этапов изготовления заданной разновидности МКП, включая этап контроля готовой МКП. Разработать схему основных технологических этапов изготовления МКП. Изобразить структуру изготовленной МКП в разрезе (вид сбоку) и представить результаты выполнения задания по требуемой форме (см. пример выполнения задания по варианту 1).
Порядок выполнения задания
1. Изучить материал, изложенный в данном практическом занятии.
2. Определить последовательность выполнения основных операций для изготовления заданной МКП, отразив вопросы выбора материалов и технологических приемов (при этом рекомендуется использовать сведения, изложенные в табл. 2.1-2.3), в том числе с учетом характеристик, указанных в форме табл. 2.5.
3. Изобразить структуру заданной МКП (вид сбоку в разрезе) и кратко описать основные этапы её изготовления, оформив результат в виде, подобном табл. 2.6 (только для своего варианта).
Примечание. Другие примеры структур МКП и алгоритмов основных
этапов их изготовления представлены на рис. 2.2 – 2.4,
которые можно использовать при выполнении задания по
соответствующим вариантам.
4. Разработать схему основных этапов технологического процесса изготовления заданной МКП (подобно примеру рис. 2.1, но только для своего варианта задания).
5. Изучив теоретический материал, ответить на вопросы тестирования, представленные в электронном модуле.
6. Изучив вопросы выбора материалов и технологических приемов, с учетом характеристик, указанных в форме табл. 2.5. проверить правильность выбора материалов и технологических приемов согласно своему варианту, используя электронный модуль.
7. Используя электронный модуль ответить на вопросы, предлагаемые в качестве защиты работы. Полученную итоговую оценку показать преподавателю.
8. В виде, подобном табл. 2.7 (только для своего варианта) оформить результаты задания, указанного в форме табл. 2.5.
9. Сформулировать выводы о проделанной работе, отразив в них пути дальнейшего совершенствования технологии изготовления заданной МКП.
10. Ответить на контрольные вопросы.
Пример выполнения задания по варианту 1
практического занятия № 2
В соответствии с вариантом 1 задания и порядком выполнения задания (см. описание практического занятия № 2) получены следующие результаты:
− структура МКП представлена в табл. 2.6, здесь же приводятся сведения о ее формировании;
− основные данные по формированию наиболее важных элементов структуры, а также о перспективности данного варианта МКП и рекомендации по ее улучшению приведены в табл. 2.7;
Таблица 2.4
Варианты задания
| Вар-т | Конструкторско-технологические разновидности многоуровневой коммутационной платы |
| С применением тонкопленочной технологии и неорганического диэлектрика | |
| С применением тонкопленочной технологии и изоляции воздушным зазором | |
| С применением тонкопленочной технологии и использованием сквозного анодирования | |
| С применением попарного прессования | |
| На жестком основании с металлизацией переходных отверстий | |
| Вариант МККП-1 | |
| С применением пластмассовой подложки | |
| С применением гибких полиимидных пленок | |
| Вариант MKKП-2 | |
| С применением тонкопленочной технологии и использованием обеих сторон подложки | |
| С применением металлического основания и термопласта | |
| С применением гетерослойного диэлектрика и компенсационного слоя | |
| С применением полиимидных пленок и анодированного алюминиевого основания | |
| С выступающими выводами | |
| Рельефная плата |
Форма табл. 2.5
Результаты выполнения задания
| № п/п | Характеристики | Основные сведения |
| Материал основания платы и особенности получения подложки | ||
| Материал коммутации и способ получения топологического рисунка | ||
| Материал для межслойной изоляции, особенности формирования | ||
| Способ формирования в МКП переходных отверстий и их назначение | ||
| Способ создания межслойных соединений | ||
| Способ получения многоуровневой структуры МКП | ||
| Максимальное количество уровней коммутации | ||
| Корпуса и конструкции навесных компонентов, обеспечивающие монтаж на заданной МКП (в том числе форма выводов компонента) | ||
| Преимущества и недостатки МКП и способов ее изготовления | ||
| Возможность повышения плотности монтажа | ||
| Область применения МКП |
− структурная схема (алгоритм) технологического процесса изготов- ления МКП представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Структурная схема (алгоритм) технологического процесса (ТП)
изготовления МКП для варианта 1; ВКК – выходной контроль качества.
Таблица 2.6
Структура МКП и основные сведения о ее изготовлении (для варианта 1)
| Вид сечения МКП | Последовательность выполнения основных этапов ТП изготовления МКП |
 1 - жесткая подложка; 2 – коммутирующая дорожка; 3 – межслойная изоляция; 4 – межслойная коммутация. 5 – ФСС. | Подготовка жесткого диэлектрического основания (очистка поверхности)  напыление 1-го слоя металлизации фотолитография 1 по слою металлизации осаждение 1-го слоя диэлектрика (ионноплазменное или магнетронное напыление) изготовление окон в диэлектрике с помощью лазера контроль качества аналогично поочередное формирование 2-го и 3-го слоев коммутации и диэлектрика с контролем качества вакуумное напыление 4-го слоя металлизации фотолитография 4 по слою металлизации нанесение защитного слоя (фосфоросиликатного стекла – ФСС) через маску финишные операции выходной контроль качества (ВКК) |
Выводы:
1. В результатах выполнения задания по варианту 1 отражены сведения о структуре МКП, включая наиболее важные технологические аспекты создания её элементов, а также основные этапы технологических процессов изготовления МКП (см. табл. 2.6 и 2.7; рис. 2.1).
2. Задание выполнено в полном объёме и результаты его выполнения представлены в требуемой форме.
Таблица 2.7
Результаты выполнения задания по форме табл. 2.5.
| № | Основные сведения |
| Ситалл, максимально высокий класс обработки поверхности (14 класс). | |
| V-Al или Cr-Cu и др.; получение топологического рисунка фотолитографией. | |
| В качестве межслойной изоляции используется SiO2; формируется плазмохимическим (либо магнетронным) осаждением в вакууме. | |
| Получение окон осуществляется плазмохимическим селективным травлением диэлектрика, либо использованием лазерного локального испарения SiO2. Окна используются для межслойной коммутации; теплоотвода; для вскрытия тестовых и монтажных контактных площадок. | |
| Вместо отверстий используются окна в межслойном диэлектрике, которые металлизируются при вакуумном напылении очередного слоя металлизации. | |
| Послойное наращивание структуры проводник – диэлектрик – проводник и т.д. (подложечная технология). | |
| 4 уровня коммутации. | |
| Чип-компоненты, микрокорпуса для техники поверхностного монтажа (ТПМ), бескорпусные кристаллы (с L-, J-, I-образными, шариковыми, планарными и другими формами выводов). | |
| «+» Высокая плотность коммутации; минимальная длина проводников; максимальное быстродействие устройств на таких МКП; минимальные массогабаритные показатели; высокая нагревостойкость и др. «-» Ограниченное количество слоев из-за рельефности наносимых слоев, дорогое вакуумное технологическое оборудование, повышенная хрупкость ситалла. | |
| Переход на гибкие подложки. | |
| Большие гибридные микросборки (МСБ), многокристальные модули, микросистемы и другие специальные изделия. |
 |
|
Рис. 2.2. Пример сечения МКП для варианта 5(а) (1 – диэлектрическое основание; 2 – коммутирующая дорожка; 3 – изолирующая прокладка; 4 – межслойная коммутация); и алгоритм основных этапов изготовления МКП для варианта 5(б).
 |
|
Рис. 2.3. Пример сечения МКП для варианта 11(а) (1 – основание из анодированного алюминиевого сплава; 2 – коммутирующая дорожка; 3 – межслойный диэлектрик; 4 – межслойная коммутация; 6 – кристалл; 7 – защитное покрытие); и алгоритм основных этапов изготовления МКП
для варианта 11(б).
 |
|
Рис. 2.4. Пример сечения МКП для варианта 13(а) (1 – гибкое диэлектрическое основание заготовки; 2 - коммутирующая дорожка; 3 – межслойные изолирующие прокладки; 4 – сквозное металлизированное отверстие; 5 - припой; 6 - глухое переходное отверстие; 7 - скрытое (внутреннее) переходное отверстие; 8 - анодированный алюминиевый сплав); и алгоритм основных этапов изготовления МКП
для варианта 13(б).
Контрольные вопросы
1. Каковы основные требования к многоуровневой коммутации?
2. Назовите и охарактеризуйте современные технологии создания многоуровневой коммутации.
3. Каков смысл комплексного подхода к решению вопросов разработки и производства современных МКП?
4. В чем состоят особенности изготовления толстопленочной многослойной коммутации? Каковы преимущества и недостатки МКП с такой коммутацией?
5. Перечислите основные этапы изготовления МККП по разным технологиям.
6. Каковы особенности изготовления тонкопленочной многоуровневой коммутации на жестких основаниях? Укажите достоинства и недостатки МКП с такой коммутацией.
7. Какими параметрами тонкопленочной коммутации определяется толщина диэлектрических слоев в МКП? Каковы особенности получения этих слоев.
8. Назовите достоинства и недостатки технологии создания многоуровневой коммутации в МКП, полученной с использованием сквозного анодирования.
9. Каковы особенности изготовления многоуровневой коммутации на гибких основаниях?
10. Назовите области применения МКП в зависимости от конструкторско-технологических разновидностей их реализации.
11. Укажите достоинства и недостатки использования органических и неорганических материалов для диэлектрических оснований МКП. Приведите примеры.
12. Каким образом получают сквозные отверстия в заготовках МКП? Каково назначение этих отверстий?
13. С применением каких технологий осуществляют межслойную коммутацию? Приведите примеры МКП с межслойной коммутацией, выполненной по разным технологиям.
14. Что представляет собой МКП с применением гетерослойного диэлектрика и термокомпенсационных слоёв? Приведите пример структуры такой МКП.
15. Каковы особенности получения рельефных МКП?
16. Какие существуют технологии формирования многослойной структуры в производстве МКП?
17. Назовите факторы, ограничивающие максимальное количество уровней коммутации в МКП, изготовленных с применением разных технологий. Аргументируйте Ваш ответ.
18. Какие, по Вашему мнению, существуют критерии для оценки перспективности того или иного конструкторско-технологического варианта реализации МКП? Поясните Ваш ответ на примерах.
19. Приведите примеры перспективных для производства МКП материалов и укажите в чем состоит их перспективность.
Рекомендуемая литература
1. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. – М.: Радио и связь, 1986. – C.121-153.
2. Заводян А.В., Волков В.А. Производство перспективных ЭВС. Ч.2. – М.: МИЭТ, 1999. – С.89-113.
3. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных микромодулей. – М.:МИЭТ, 2003. – С.9-77.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3