Технологические особенности изготовления многослойных

Керамических подложек

Процесс изготовления многослойной керамики состоит из сле-
дующих основных этапов:

- подготовки исходных материалов;

- приготовления сырых керамических лент;

- штамповки листов и пробивки отверстий;

- металлизации;

- формирования многослойной заготовки;

- спекания монолитной структуры.

Керамические ленты чаще всего получают методом холодного литья. В качестве материала основания, на котором формируется керамическая лента, можно рекомендовать: стекло, майлар, тефлон, сталь. Непосредственно после сушки трудно обеспечить заданную толщину и плотность ленты. Поэтому после литья ленты прокаты-
вают на валках. Для получения эластичных керамических лент применяют также
различные вспомогательные материалы: связующие, пластификато-
ры и дефлокулянты (поверхностно-активные вещества). Эластичная
керамическая лента представляет собой наполненную керамичес-
ким порошком структуру. Роль связующего полимера заключается
в том, чтобы придать порошку удобное для обработки состояние,
а также служить материалом для склеивания раздельно изготовленных листов в многослойную структуру и удерживать керами
ческий порошок в заданной форме до начала спекания. В качестве
связующего находят применение различные каучуки и полимеры,
которые при нагревании или под давлением способны полимери-
зоватъся, т. е. «склеиваться» на операции получения монолитной
пластины. Связующее растворяют в растворителе, затем добавляют
порошок. Суспензию тщательно перемешивают. При разливе сус-
пензии растворитель испаряется. Растворителем служат различные
легколетучие органические жидкости. Применение воды ограничено
из-за высокой температуры ее испарения, хотя вода является наи-
более дешевым растворителем, она не вызывает воспламенения и не
действует на здоровье работников.

Для улучшения технологических характеристик суспензия может
содержать кроме порошков, связующего и растворителя различные
пластификаторы и дефлокулянты. Они улучшают эластичность
ленты, препятствуют агрегации порошка и способствуют созданию
устойчивых коллоидных суспензий, улучшают смачиваемость
частиц порошка.

Керамические ленты напоминают по эластичности обработан-
ную кожу, клеенку. Они легко режутся, сверлятся и штампуются.
В зависимости от выбранного варианта технологии одновременно
штампуется одна или две группы отверстий для межслойных пере-
ходов и для совмещения необожженных листов при последующих
операциях. Необожженные листы метал- лизируют обычно методом трафаретной печати. К пастам для металлизации сырой керамики
предъявляются дополнительные требования: совместимость орга-
нических связок в пасте и в керамической ленте, одинаковая и син-
хронная усадка металла и керамики, чтобы свести к минимуму
внутренние напряжения в спеченном изделии. Формирование меж-
слойных переходов является узловой операцией в технологическом
процессе изготовления многослойных керамических подложек.

Сборка сырой многослойной заготовки состоит в том, что листы
со сформированными межслойными переходами и рисунком провод-
никовой коммутации укладывают согласно топологии в пакет и
спрессовывают. Под действием температуры и давления листы об-
paзуют монолитную сырую заготовку. Температуру и давление под-
бирают экспериментально для каждой выбранной связки.

Спекание структуры керамика - металл - органическое свя-
зующее требует применения управляемой газовой среды по темпе-
ратурным интервалам. Сначала в слабо окисленной среде (Н₂
+ Н₂О) вжигают связующее. Затем структуру спекают либо
в вакууме, либо в восстановительной среде. Материал подложки должен иметь максимальное удельное со
противление и минимальную величину диэлектрической -
проницаемости. При выборе материала для подложки обычно принимают во
внимание его теплопроводность и величину коэффициента линей-
ного расширения. Поскольку коэффициенты линейного расширения
кремния и большинства материалов многослойных керамических подложек не согласованы, хотя и близки, то приходится предусматривать специальные меры по снижению тепловых напряжений в конструкции полупроводник - подложка.

При проектировании гибридных БИС наблюдается тенденция использовать диэлектри-ческую подложку как элемент корпуса. Это связано со стремлением уменьшить массу, размеры и тепловое сопротивление конструкции. Поэтому при выборе материала учитывают не только его тепловые, но и механические свойства. Для изготовления многослойных подложек чаще всего применяют чистую окись алюминия или окись бериллия. Хотя окись бе
риллия имеет лучшую теплопроводность и хорошие механические
свойства, ее применение лимитируется токсичностью, высокой пористостью, а также высокой стоимостью (таблица 2.8) [15].

При выборе материала проводника учитывают его совместимость
с керамикой и электрическую проводимость. Совместимость пред
полагает выполнение следующих условий:

- температура плавления металла должна быть выше темпера
туры спекания керамики;

- коэффициенты линейного расширения и усадки должны быть
согласованы;

- прочность сцепления металла с керамикой должна быть
удовлетворительной.

Прочность сцепления металла с керамикой можно не принимать
во внимание, когда проводник расположен в теле керамики. Если
металлизирована наружная поверхность, и она служит для крепле
ния наружных выводов, которые несут значительные нагрузки, то этот вопрос становится принципиальным. Для улучшения прочности сцепления к металлу добавляют различные присадки, роль которых сводится к химическому взаимодействию с керамикой и металлом. Присадки, рекомендованные для металлизации спеченной керамики, не всегда можно использовать для совместного обжига металла и керамики тех же составов.

Таблица 2.8

Наименование параметра	Значения параметра
А12О3.	Be2O3
Плотность монокристалла г/см3	3.99	3,02
Температура плавления °С
Теплопроводность для монокристалла, Вт/(м∙К)	21,318	219.46
Коэффициент линейного расширения в интервале 25…200 °C, 1/°C	5,7×10-6	5,5×10-6
Предел прочности при изгибе, кг/см	2600- 4600	1600- 2600
Удельное объемное сопротивление, Ом×см	1016	1014
Диэлектрическая проницаемость	9,6…11,6	7,33
Тангенс угла потерь	2×10-4	-
Пористость

В процессе термообработки керамика и металл не должны химически взаимодействовать ни между собой, ни с окружающей средой, чтобы исключить потери материалов за счет испарения летучих соединений, а также избежать ухудшения конструктивных и электрофизических характеристик изделия. Для сохранения металлических свойств нанесенного слоя необходима восстановительная или нейтральная среда. Состав среды оценивают термодинамическим расчетом равновесия всех возможных химических реакций в системе керамика - металл - среда. После того как керамический материал выбран с учетом указанных условий, подбирают полупроводниковый материал. При этом следует иметь в виду, что объемное сопротивление спеченного металла может оказаться больше минимально достижимого (указанного в паспорте на пасту). Это объясняется тем, что завершенность процесса спекания определяется по состоянию керамики, в то время как металл еще имеет значительную пористость.

Учет перечисленных требований налагает жесткие ограничения на выбор системы керамика - металл и сужает номенклатуру применяемых материалов. Совместно с керамикой на основе окиси алюминия чаще всего применяют молибден или вольфрам. В настоящее время технология многослойной керамики широко внедрена в производстве керамических корпусов ИС и многослойных керамических подложек гибридных БИС. Высокая теплопроводность, механическая прочность и химическая стойкость спеченной окиси алюминия в широком диапазоне температур определяет высокую надежность конструкции. Относительно толстые изолирующие слои (100 мкм и более) обеспечивают незначительную паразитную связь и высокую электрическую прочность. Удельное поверхностное сопротивление проводников из тугоплавких металлов при толщине 10...15 мкм не превышает 0,03 Ом·см.

В зависимости от выбранного керамического материала наружный проводящий слой может быть сформирован как методами трафаретной печати, так и методами тонкопленочной технологии. В последнем случае на подложке можно получать в едином технологическом цикле резисторы и конденсаторы, т.е. всю пассивную часть ГИС. При проектировании многослойных керамических подложек следует учитывать ограничения, обусловленные современным уровнем технологии, приведенные в таблице 2.9.

Таблица 2.9

Наименование параметра	Значение параметра
возможное	Рекомендуемое
Ширина проводников минимальная, мм   Расстояние между проводниками минимальное, мм Диаметр межслойных отверстий,мм   Шаг между отверстиями минимальный, мм Толщина изолирующего слоя, мм Сопротивление проводников внутри слоя, Ом/ Размер подложки максимальный, мм % Допуск на толщину подложки, % Искривление на длине 50 мм, мм	0,15   0,10   0,25   0,10 0,10   0,01   150´150 0,5% 0,05	0,15 0,05   0,10   0,25 0,05   0,80 0,35   0,03   50´50 1% 0,1