книги / Микроэлектроника толстых пленок

				ТЕХНОЛОГИЯ				61
							Таблица S.t
		Свойства				96%	99.5%	99.5%
						А!гО,	АЬ03	ВеО
							1	----*
Шероховатость поверхности					(сред­
неквадратичное			отклонение), мм			0,63	0,200	0,45
Поглощение влаги, % ..........................						0	0	0
Удельный	вес,	г/см3 ...............................				3,70	3,89	2,88
Твердость	по	Роквеллу		45# . . . .		78	80	65
Коэффициент		линейного расшире­
ния 10~6/град
25—300 ° С		............................................				6,4	6,0	6,0
2 5 -7 0 0 ° С		............................................				7,5	7,5	7,8
2 5 -9 0 0 ° С		............................................				7,9	8,3	8,5
Теплопроводность, Вт/м • К» при 25 °С						35	36,7	230
300 ........................................................						17	17,5	117
500 ........................................................						10,8	11	71
800 .........................................................						8,4	8,5	33
Прочность на изгиб, 103 кгс/см2 . .						3,1	3,75	1,75
Диэлектрическая прочность, 105 В/см,						2,76
при толщине 0,25 м м				......................			2,76	2,0
0 ,6 3 ........................................................						2,16	2,16
0 ,7 6 ........................................................						2,00	2,00
Диэлектрическая			постоянная		при			6,4
25 °С, 1	М Г ц .......................................					9,1	9,6
Коэффициент		потерь		при	25 °С,			0,0016
1 М Г ц	....................................................					0,0027	0,0019
Объемное сопротивление, 10'° Ом • см,						104		104
при 25 ° С - ...............................................							104
1 0 0 ........................................................						2 - 103	104	Ю4
300 ........................................................						М	104	104

ный стандарт на эти неоднородности равен 0,1 мм/25мм. Подложки из окиси алюминия изготовляются либо из лент, либо методом прессования, при котором порошки окиси алюминия, окиси магния и кремний смешиваются с каким-либо связующим веществом, а затем обжигают­ ся при высоких температурах. Поскольку в необожженном

62	ГЛАВА 3
состоянии	подложка очень хрупка,	необходимую	фор­
му ей придают путем формовки.		При проектирова­
нии керамических элементов схемы		необходимо	иметь

в виду, что после обжига усадка подложки достигает 10% и более. Но поскольку подложки обычно покупают­ ся уже в готовом виде, то вопросы, связанные с ее усад­ кой, не рассматриваются проектировщиком толстопле­ ночных интегральных схем. Подложки могут быть лю­ бой формы. Наименее дорогими с точки зрения затрат на необходимое оборудование оказываются квадратные или прямоугольные подложки. Минимальные размеры подложек равны 6 мм2, максимальные— 500 мм2, мини­ мальная толщина составляет 0,25 мм. Если подложки изготовляются методом, аналогичным методу приготов­ ления лент, то их толщина может быть любой. Если же их изготовляют путем горячей прессовки, то максималь­ ная толщина не превышает 0,85 мм. Допуск на отклонение толщины обычно равен. ±10% , но абсо­ лютная величина отклонения не должна превышать 0,025 мм.

Ранее отмечалось, что высота шероховатостей обож­ женной поверхности 96%-ной окиси алюминия может достигать 6 • 10-4 мм, а кривизна пластины — 0,004 мм/мм. Обычно на поверхности подложки имеются беспорядоч­ но распределенные пустоты круглой формы с диаметром ~ 0,025 мм. Кривизна подложки, обычно появляющая­ ся в процессе ее изготовления, усложняет операцию ее крепления для нанесения паст. Часто для понижения стоимости толстопленочных изделий используют под­ ложки со специально выдавленными на них бороздка­ ми. После всех операций нанесения паст и вжигания эти подложки разламываются вдоль бороздок, в результате чего за один технологический цикл можно получить большое количество идентичных схем. Однако вследст­ вие того, что не решены проблемы кривизны и правиль­ ного разделения подложек на части, в настоящее время этот метод используется редко. Применение лазеров для этих целей дает, как показали эксперименты, очень хо­ рошие результаты, в связи с чем можно ожидать, что они будут использоваться достаточно широко.

ТЕХНОЛОГИЯ

63

3.2. Пасты и методы трафаретной печати

Исходные материалы для изготовления толстопле­ ночных элементов микросхем принято называть пастами. Эти пасты представляют собой обычные суспензии по­ рошков благородных металлов или порошков, переме­ шанных с размолотым стеклом в какой-либо органиче-. ской жидкости или в каком-либо растворителе. На фиг. 3.1 приведен состав проводящей пасты на основе

56,4

14,1

3,0

1.5

3.6

1.6

17,3

2,5

	ПаллашТевая^ернь I	“		75% твердой
				фазы
	В1а03	!	(Ьлюс
				1
	Боросиликатное стекло	J	v
	Этилцеллюлоза — смолообразное			веществе
	Фуранкарбоновая-2	кислота — компонент
	изменяющий текучесть			25% связу­
	Бутилацетат — растворитель			ющей фазы

Игепол СО430 — поверхностноактивное ве щество

Фиг. 3.1. Состав проводящей пасты (в %).

серебряно-палладиевой смеси [11]. Металлические ком­ поненты паст определяют их электропроводность, воз­ можность припайки к ним других элементов, а также стоимость. Связующие стеклянные компоненты пасты определяют сцепляемость диэлектрической пленки с под­ ложкой. Связующие компоненты представляют собой легкоплавкие сильно реагирующие стекла с большим содержанием таких металлических примесей, как сви­ нец, висмут, кадмий и олово. Процесс приготовления паст состоит в следующем. На шаровой мельнице или каким-либо другим способом выбранные типы стекол размельчаются до размеров, удобных для их нанесения методом трафаретной печати, обычно от 1 до 3 мкм. Затем химическими методами изготовляют мелкодис­ персный металлический порошок. В дальнейшем эти порошки перемешиваются с жидкими органическими веществами в лопастном миксере и трехступенчатой мельнице.

Некоторые из этих паст называются тиксотропными смесями, так как их вязкость уменьшается при увели­ чении давления. Именно по этой причине паста «остает-

64

ГЛ А ВА 3

ся» на трафарете, просачивается через его ячейки при приложении вдавливающих усилий и после снятия этих усилий не растекается по подложке. Эти специальные пасты особенно полезны при изготовлении прецизионных схем.

При добавлении связующих веществ для изменения вязкости паст, реологические свойства которых очень сложны, следует соблюдать осторожность. Часто бывает

Ф иг. 3.2. Типичные кривые	текучести для толстопленочных
материалов.
1— дикатантная; 2 —ньютоновская;	3 —псевдопластичная; 4 —пластичная;

5 —тиксотропная.

щ

так, что, добившись нужной вязкости паст, резко из­ меняют их свойства. На фиг. 3.2 показана зависимость скорости течения различных паст от сдвигающих напря­ жений [22]. Вязкость паст равна примерно 1000 П и может изменяться путем добавлений различных коли­ честв связующего. Паста должна обладать определен­ ной величиной текучести, так чтобы под действием дав­ лений, возникающих при трафаретной печати, паста просачивалась через ячейки, а затем твердела и не ра­ стекалась. Слишком большая текучесть приводит к ра­ стеканию и искажению рисунка; слишком малая теку­ честь приводит к плохому пропечатыванию рисунка. На фиг. 3.3 приведены некоторые из возможных дефектов, возникающих при трафаретной печати [22]. Следует вся­ чески избегать различных загрязнений. Паста, остав­

Т Е Х Н О Л О Г И Я

65

шаяся на трафарете, может быть собрана и использо^ вана вновь; однако снимать эту пасту с трафарета нужно очень осторожно, чтобы не повредить трафарет и не загрязнить снимаемую с него пасту примесями эмульсионного слоя. Чтобы избежать возможного за­ грязнения паст после каждой операции, маски, а также ракель, вдавливающий пасту, должны осторжнои тща­ тельно очищаться.

Б

В

Г

Д

£

Ф и г.

А

Б

В

Г

Д

Е

3.3. Дефекты, встречающиеся при изготовлении элементов методом трафаретной печати.

Вид дефекта

Нет дефекта

Уширение

Видимые зубцы на границах

Видимая сетчатая структура

Растекание на краях

Размазывание

Причина

Слишком низкая точка текучести, недостаточная вязкость

Слишком большая вязкость, слишком сильное давление ракеля

Слишком высокий предел текучести

Плохая промывка пигмента, пигмент недостаточно дисперсный

Слишком много поверхностноактивиого вещества, которое действует как смачивающий агент

Наиболее подходящим раствором для чистки масок и ракеля является трихлорэтилен; после очистки маски должны сушиться, а в ячейках сетки не должно быть никаких остатков пасты. Однако следует отметить, что применение того или иного растворителя зависит от материала эмульсии, нанесенной на маску, поскольку различные поставщики масок используют различные эмульсии. Сам же растворитель не должен действовать на эмульсию. Тип растворителя обычно рекомендует поставщик масок-трафаретов.

зЗак. 367

66	Г Л А В А 3

3.3. Пасты для изготовления проводников

Пасты для изготовления проводников состоят из ме­ таллов или металлических порошков (обычно в виде крупинок), связующего вещества (в виде стеклообраз­ ного компонента, скрепляющего металлические крупин­ ки), растворителя и различных добавок, изменяющих текучесть пасты. Эти материалы обеспечивают когезию пасты к подложке до вжигания, а также обеспечивают необходимые для трафаретной печати свойства пасты, постоянство геометрических размеров и однородность толщины наносимого слоя.

Основными требованиями к материалам проводящих паст являются: способность к пайке, сопротивляемость к выщелачиванию, способность спаиваться термоком­ прессионным и ультразвуковым методами, сопротив­ ляемость старению, сохранение формы и поперечных се­ чений, высокая электропроводность, хорошая адгезия, сопротивляемость миграции под действием полей и окружающей среды, совместимость с резисторами, допу­ стимость повторного обжига, возможность проведения обжига при 1000° С или ниже и, наконец, низкая сто­ имость. Обычно ни один проводник не может удовлет­ ворить всем этим требованиям. В настоящее время широко используются пасты на основе золота, сплавов платина — золото, золото — палладий, серебро — палла­ дий и серебра. Свойства этих материалов приведены в табл. 3.2 [12]. Как видно из таблицы, наиболее дешевыми оказываются пасты на основе серебра, но без гермети­ зации они подвержены миграции и коррозии. Для уменьшения этих нежелательных явлений и снижения стоимости вместо серебра используют палладиевосере­ бряные сплавы.

При концентрации палладия ~20% свойства пасты весьма удовлетворительны. Этот состав широко исполь­ зуется в качестве материала паст проводников в раз­ личных бытовых и промышленных изделиях. Но в из­ делиях военной техники применяют пасты на основе золота и его сплавов. Чистое золото обладает превос­ ходной проводимостью, не подвержено миграции, но не может использоваться в качестве контактных площадок

Т Е Х Н О Л О Г И Я

67

Таблица 3.2

Свойства проводящих паст

		Прово­	Адге­	Устойчивость	Контакт
Состав	Цена			к расплав­		Миграция
		димость	зия	ленному	с резис­
				припою	торами
Аи	4	3	4	5	5	2
P t - A u	5	5	3	1	1	1
A u -P d	3	4	3	2	3	2
A g - P d	2	2	2	3	2	3
Ag	1	1	1	5	4	5

Оценка проведена по пятибалльной системе, наивысший балл—1.

для припайки к ним внешних выводов, поскольку очень быстро растворяется в припое. Присоединение выводов к золоту удобно осуществлять термокомпрессионным, ультразвуковым и эвтектическим методами. Поскольку принято использовать двухслойные металлизации, один слой должен быть из золота для присоединения внеш­ них проволочных выводов и крепления чипа; этот слой также должен обладать высокой электропроводностью. Второй слой должен быть из совместимого с резистив­ ными элементами сплава золота, допускающего при­ пайку. Каждый раз в зависимости от требуемых усло­ вий и возможностей следует делать оптимальный выбор между сплавами платина — золото и палладий — золото. Припайка к сплаву платины с золотом проводится без затруднений. Этот сплав пригоден и для создания вы­ водов резисторов, но он очень дорог. Палладиевозоло­ той сплав дешевле, образует хорошие выводы резисто­ ров, но окончательное изготовление проводящих элемен­ тов требует большего времени и более высоких темпера­ тур. Для уменьшения окисления, которое ухудшает каче­ ство пайки, при использовании палладиевых сплавов не­ обходимо поддерживать температуру в интервале между 500 и 800° С.

Все рассмотренные материалы для создания провод­ ников содержат стекла, которые обеспечивают когезию

68 ГЛ А ВА 3

и адгезию пасты к подложке. Для этих целей можно использовать почти любое стекло, не содержащее щело­ чей с низкой температурой плавления, кроме стекол с высоким содержанием свинца. По физико-химическим свойствам стекло должно быть совместимо с используе­ мыми в схемах резисторами и изолирующими материа­ лами пересечений. Исходя из соображений совмести­ мости, лучше всего приобретать пасты у одного и того же завода-поставщика.

Если необходима припайка оловом к проводнику, то стекла, входящие в его состав, должны хорошо реаги­ ровать с паяльным флюсом. Свинцовые стекла слабо реагируют с флюсом, поэтому их нельзя использовать для выводных проводников. В этих случаях применяются различные комбинации окиси висмута и боросиликатного стекла. Окись висмута обладает тем недостатком, что может химически взаимодействовать со связующим ве­ ществом паст резисторов и изолирующих материалов пересечений. Однако эта опасность возникает в случае многократного выжигания при создании сложных схем. Органическую часть системы составляют: связующее (обычно этилцеллюлоза), смесь различных растворите­ лей и компоненты, изменяющие текучесть паст. Чтобы свойства пасты быстро не изменялись в процессе трафа­ ретной печати, растворитель не должен быть летучим и гигроскопичным. Выпаривание растворителей произво­ дится при температуре примерно 100° С, которая должна быть верхним пределом температуры кипения возмож­ ных применяемых растворителей. Наряду с этим для изменения вязкости обычно применяются более летучие растворители, небольшие добавки и испарения кото­ рых не изменяют существенно основных характеристик паст.

3.4. Резистивные пасты

Наибольшая функциональная нагрузка в толстопле­ ночной гибридной микроэлектронике после проводящих паст накладывается на резистивные пасты. Вообще го­ воря, из любой смеси тщательно размельченного металла и стекла после обжига можно изготовить резистор. Как

Т Е Х Н О Л О Г И Я

69

видно из фиг. 3.4, небольшие изменения в содержании металла приводят к большим изменениям удельного со­ противления [22]. Это очень затрудняет изготовление резисторов с нужными свойствами.

В настоящее время для изготовления толстопленоч­ ных резисторов используются следующие материалы: на основе палладия с температурой вжигания, приблизи­ тельно равной 960°С, окиси рутения (~760°С ), окиси таллия (~580° С) и, наконец, системы на основе сплавов

Содержание м еталла, %

Ф иг. 3.4. Изменение сопротивления от содержания металла.

1 —палладий; 2 —серебро; 3 — серебро + палладий; 4—золото.

палладий — серебро (~ 760°С ). Наиболее старыми и широко используемыми системами являются материалы на основе палладия. Окончательные свойства резистора определяются окисью палладия, образующегося вовремя вжигания. Для оптимизации температурного коэффи­ циента сопротивления (ТКС), дрейфа сопротивления и шумовых характеристик к палладию добавляют серебро, которое при вжигаиии образует сплав палладий — се­ ребро.

Стекло играет роль связующего. Оно также влияет на температурный коэффициент сопротивления. Оптц-

70 Г Л А В А 3

мальные характеристики можно получить путем смеши­ вания основных составов.

При разработке резистивных паст должны выпол­ няться следующие требования к процессу нанесения: а) возможность нанесения пасты через трафарет; б) удо­ влетворение требований к процессу пассивации; в) воз­ можность вжигания; г) воспроизводимость свойств. Кро­ ме того, следует учитывать электрические свойства: а) удельное сопротивление; б) шумовые характеристики; в) стабильность; г) температурный коэффициент сопро­ тивления; д) допустимая мощность рассеяния; е) коэф­ фициент перенапряжения. Ниже приводится стоимость унции !) различных резистивных материалов (в дол­ ларах):

платина	100
рутений	40
палладий	20
окись таллия	12

Сопротивление различных резистивных материалов ле­ жит в диапазоне от 10 Ом/П до 1 МОм/□ . Для получе­ ния нужных номиналов сопротивления можно смеши­ вать пасты одного и того лее класса материалов. На фиг. 3.5 приведена зависимость сопротивления системы от состава на основе палладия [2]. Система на основе окиси рутения обычно бывает в коллоидном состоянии. Для уменьшения вязкости и получения отчетливых кон­ туров резисторов следует применять очень измельчен­ ный порошок окиси рутения. В табл. 3.3 приведены зна­ чения температурного коэффициента сопротивления и уровень шумов для различных резистивных систем [12]. На фиг. 3.6 и 3.7 рассмотрены данные по дрейфу сопро­ тивлений вышеприведенных резистивных глазурованных и неглазурованных систем. Температурный коэффициент сопротивления резисторов можно уменьшить, если в их состав ввести окиси полупроводников. Каждый постав­ щик паст обычно сам изменяет свойства паст в соответ­ ствии с требованиями заказчика. Однако заказчик дол­ жен делать оптимальный выбор между, например, уров-)*

*) 1 унция = 28,3 г. — Прим, ред.