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.

Наименование параметра	Значение параметра цемента марки
СЦ - 273	СЦ - 45
Температура плавления, °С Температура кристаллизации, °C Коэффициент линейного расширения, 1/°C Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла диэлектрических потерь   Удельное объемное сопротивление потерь, Ом·см	5,2×10-6 2,5×10-3   1013	3×10-6 7…8 3×10-3 1013

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.