АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНЫХ МИКРОСБОРОК
В настоящее время в ряде отраслей (авиакосмическом приборостроении, в телекоммуникационнойотрасли, в робототехнике) все шире используются сверхбыстродействующиемногоканальные бескорпусные микросхемы с шагом контактных площадок 50 мкми менее, что открывает возможность создания устройств с повышеннойфункциональной емкостью. Как правило, к таким устройствам предъявляются оченьжесткие требования по массогабаритным характеристикам, объему и возможностикомпоновки изделия в трех плоскостях в виде многослойных блоков и пакетов.Проблема соответствия таким высоким требованиям была решена за счет новыхконструктивно-технологических решений на основе технологии “кристалл на гибкойплате” или “chip on flex” (COF).
Попытка совместитьпреимущества гибридных технологий с дешевизной традиционного поверхностногомонтажа (Surface Mount Tehnology – SMT) привела к созданию в середине1980-х годов технологии “кристалл на плате” или “chip on boаrd”(СОВ-технология). Процесс сборки изделий по СОВ-технологии подобен процессусборки гибридных микросхем. В СОВ-технологии в качестве основы используетсяпечатная плата, а бескорпусные полупроводниковые кристаллы герметизируютсязаливкой (glob-top), в результате исключается корпусирование.
В настоящее время внекоторых областях приборостроения СОВ-технология уже фактически вытеснилаповерхностный монтаж. Быстрое развитие СОВ-технологии обусловлено минимизациеймассогабаритных характеристик конечного изделия и максимизацией плотностиразмещения компонентов. Занимаемая кристаллом площадь уменьшается в десятки разтолько из-за отсутствия корпуса. Дополнительным преимуществом СОВ-технологииявляется тот факт, что сварные соединения, являющиеся основой сборочнойтехнологии “кристалл на плате” более надежны при воздействии вибрационных итермоциклических нагрузок, чем паяные соединения, применяемые в технологии поверхностногомонтажа.
В середине 1990-хгодов была разработана еще одна технология монтажа, которая являетсякомбинацией традиционной технологии поверхностного монтажа (SМТ) иСОВ-технологии. Указанная технология получила название ТАВ-технологии (Tape Automated Bonding) и предназначалась дляавтоматизированного монтажа с помощью ленточных носителей микросхем с большимколичеством выводов. В этом случае выводы микросхем привариваются к меднымконтактным площадкам рамок с выводами, предварительно изготовленных на меднойленте с изолирующим покрытием. Эти выводы затем припаиваются к металлическимпроводникам на печатной плате. На ТАВ-носителях широко применяется монтажспециализированных ИС и многокристальных модулей. Сложность ТАВ-технологиизаключается в необходимости применения специализированного автоматизированногооборудования и в проблемах пайки выводов, расположенных с малым шагом.
В современномприборостроении широко используются сверхбыстродействующие многоканальныебескорпусные микросхемы с шагом контактных площадок менее 50 мкм, что позволяетсоздавать устройства с повышенной функциональной емкостью. К таким устройствампредъявляются очень жесткие требования по массогабаритным характеристикам,объему и возможности компоновки изделия в трех плоскостях в виде многослойныхблоков и пакетов. Ни СОВ-технология, ни ТАВ-технология уже не удовлетворяюттаким высоким требованиям. Проблема была решена за счет новыхконструктивно-технологических решений на основе технологии “кристалл на гибкойплате” или “chip on flex” (COF).
На начальном этапеСОF-технология представляла собой ту же самую СОВ-технологию за исключениемтого, что коммутирующие элементы изготавливались из гибких материалов. Сборкаэлектронных устройств на гибких коммутирующих элементах осуществлялась на техже автоматических линиях, которые используются в СОВ-технологии и с помощью техже самых методов монтажа кристаллов, пассивных компонентов и формированияэлектрических соединений.
Гибкие кабели и платыизготавливались на основе различных фольгированных диэлектрических материалов,таких как майлар, лавсан, полиэтилен, полипропилен, полиэстер, полиимид и др.,в зависимости от предъявляемых к аппаратуре требований. Гибкие коммутирующиеэлементы из фольгированных диэлектриков на основе лавсана, полиэтилена и т. д.менее дорогостоящие, но возможности монтажа компонентов на них ограничены. Вэтом случае монтаж компонентов осуществляется с помощью низкотемпературнойпайки или с применением электропроводящих адгезивов. К сожалению, при обработкетаких диэлектрических материалов не удалось в полной мере применить методымикроэлектронной технологии, основанной на принципе интегральной обработкиматериалов, и полностью исключить из технологического процесса изготовлениягибких плат и кабелей механические операции формирования сквозных отверстий.Кроме того, хотя материалы типа полиэтилена и полипропилена характеризуютсядостаточно низкими диэлектрическими постоянными и, соответственно, обеспечиваютхорошие емкостные характеристики коммутирующих элементов на их основе, они неявляются радиационностойкими и не могут обеспечить высокую надежность и срокэксплуатации электронных изделий с жесткими требованиями к радиационнойстойкости.
Только фольгированныеполиимиды оказались практически незаменимыми для создания функционально сложныхэлектронных изделий с высокими требованиями к радиационной стойкости,термостойкости, быстродействию и долговременной надежности. Стабильностьэлектрических и размерных характеристик полиимидной основы обусловливаетвысокую технологичность данного материала. Температурная стабильность и высокаятермостойкость полиимидных гибких плат позволяет применять высокотемпературные(вплоть до 300°С) методы монтажа компонентов.
Важным фактором,способствующим развитию СОF-технологии, послужило появление на мировом рынкесерии фольгированных медью полиимидов “Pyralux” наоснове полиимидных пленок типа Kapton, разработанных компанией DuPontElectronic Technologies, которая являетсяведущим поставщиком электронных материалов в мире. В фольгированныхдиэлектриках “Pyralux LF” и “Pyralux FR” полиимидные пленки соединяются с отожженной меднойфольгой с помощью акриловых адгезивов, что позволяет изготовить целый ряд одно–и двусторонних фольгированных диэлектриков с широким диапазоном толщин медных,адгезивных и полиимидных слоев. Благодаря применению таких материалов визделиях электронной техники появилась возможность создания трехмерныхконструкций в виде двухслойных или многослойных структур малой толщины иплощади, существенно снизить их вес и объем, а также повысить их функциональнуюемкость, быстродействие и надежность.
Однако применениеадгезивсодержащих фольгированных медью полиимидных пленок не позволило в полноймере реализовать преимущества COF-технологиипри сборке микромодулей.
К недостаткамадгезивсодержащих фольгированных полиимидов можно отнести достаточно малыйдиапазон рабочих температур (–60°С ÷ +125)°С. Применениеадгезивов в фольгированных полиимидах существенно усложняет процессформирования сквозных отверстий в системе “металл-адгезив-полиимид” длямежслойных соединений из-за необходимости использования сложных итрудноуправляемых процессов вскрытия “окон” в адгезивных слоях.
Эти недостатки были взначительной степени устранены после появления гибких одно и двустороннихбезадгезивных фольгированных диэлектриков DuPont Pyralux с медной основой. Технологическоепреимущество таких материалов состоит в том, что они не содержат адгезивныхпрослоек между медью и полиимидом, но обладают высокой силой сцепления междуслоем меди и поверхностью полиимида.
Материалы с безадгезивнойи высокопрочной структурой DuPont Pyralux AP и DuPont Pyralux AC являются высокотехнологичными при фотолитографическойобработке, групповом избирательном травлении сквозных отверстий в переходах иформировании элементов топологии очень малых размеров. Наиболее важнымихарактеристиками этих материалов является высокая избирательность прихимобработке полиимида и меди; эластичность и механическая прочность полиимида;высокая термостойкость (+350°С) и холодостойкость (–196°С).
Ввиду хорошейадаптивности к фотохимическому избирательному травлению полиимида безадгезивнаяструктура материала позволяет полностью исключить из техпроцессов изготовлениягибких коммутирующих элементов применение механических операций сверления ифрезерования, заменяя их групповыми процессами, и, таким образом, сократитьтехнологический цикл, снизить трудоемкость и, в конечном счете, уменьшитьстоимость изготовления изделий.
Кроме того, для микросхемс высокой плотностью и прецизионностью элементов топологии при использованииуказанных материалов, оказалосьцелесообразным применение методов микроэлектронной технологии, которая включаетиспользование жидких фоторезистов, обладающих высокой чувствительностью иразрешающей способностью; использование практически всех способов нанесенияжидких фоторезистов (центрифугирование, погружение, пульверизация); сочетаниепозитивных и негативных фоторезистов; применение стеклянных и гибких пленочныхфотошаблонов; применение установок с односторонним и двустороннимэкспонированием; применение плазмохимической и ионноплазменной избирательнойобработки материалов.
Описанные вышедостоинства безадгезивных медь-полиимидных пленочных материалов былииспользованы при создании коммутирующих элементов для детекторныхмикростриповых модулей в международном эксперименте STAR в BNL(США). Возможность формирования сквозных отверстий в слоях полиимида позволилаотказаться от применения алюминиевой проволоки для соединения контактныхплощадок микросхем и сенсоров с выводами коммутирующих медь-полиимидных плат икабелей и осуществлять присоединение выводов непосредственно к контактнымплощадкам микросхем и сенсоров с помощью ультразвуковой сварки через “окна” вполиимиде (рис. 1).а)
/> б)
/>
Рис. 1. Микросборка на медь-полиимидномносителе:
а) – фотография (вид со сторонымикросхемы); б) – схематическоеизображение зон сварки носителя с микросхемой (вид со стороны носителя)
Вышеописанные способыформирования межсоединений обеспечили уменьшение количества сварных соединенийв детекторных модулях практически в два раза и позволили значительно упроститьсам процесс сборки. При этом в процессе сборки полностью исключена возможностькоротких замыканий в областях сварки контактных площадок сенсоров и микросхем спроводниками гибких кабелей и плат. Применение гибких плат специально длямикросхем позволяет не только автоматизировать процесс сборки, но и обеспечитьполный функциональный контроль микросхем, в том числе подинамическим параметрам и, таким образом, исключитьвозможность появления брака из-за микросхем при дальнейшей сборке микромодулей.
Тем не менее, и в этомслучае остались нерешенными некоторые проблемы, присущие традиционной COF-технологии на основе медь-полиимидныхфольгированных диэлектриков. По-прежнему для обеспечения надежногобезкоррозионного соединения с алюминиевыми контактными площадками микросхем исенсоров на медные проводники гибких плат и кабелей необходимо нанесениедополнительных слоев никеля и золота, что усложняет процесс формирования гибкихкоммутирующих элементов. С этой точки зрения наиболее оптимальным вариантомдальнейшего совершенствования COF-технологииявляется применение безадгезивных алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков.
Безадгезивные алюминий — полиимидные диэлектрики, используюмые в качестве гибких коммутирующих элементовв COF-технологии, обладают всеми темидостоинствами, которыми обладают и безадгезивные медь-полиимидные материалы.Однако ряд их преимуществ по сравнению с медь-полиимидными диэлектрикамипозволил существенно расширить возможности COF-технологии на современном этапе развитияприборостроения.
Прежде всего, алюминийобладает высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, алюминий имеетрадиационную длину почти в 6 разпревышающую радиационную длину меди. Несмотря на то, что алюминий по сравнениюс медью обладает меньшей механической прочностью; меньшей теплопроводностью,удельным электрическим сопротивлением примерно в 1,6 раза большимудельного электрического сопротивления меди, важное значение имеет тот факт,что алюминий почти в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотностиалюминия обеспечивается большая электрическая проводимость на единицу массы.Таким образом, коммутирующие элементы на основе алюминий-полиимидныхлакофольговых диэлектриков позволяют максимально минимизировать массу веществав рабочем объеме, что особенно перспективно для сенсорных систем с высокойплотностью каналов информации.
Алюминиевая COF-технология хорошо адаптируется к современномуавтоматизированному оборудованию ультразвуковой сварки типа Delvotec. При этом обеспечивается высокоекачество и надежность сварных соединений не только из-за того, что свариваютсяоднородные материалы (алюминиевые контактные площадки электронных компонентов иалюминиевые проводники коммутирующих элементов), но также и из-за того, чтосварочные электроды, применяемые в сварочных установках, позволяют обеспечитьоптимальные режимы процессов сварки. Кроме того, коммутирующие элементы наоснове безадгезивных алюминий-полиимидных диэлектриков позволяют значительноулучшить емкостные характеристики электронных устройств.
Специалистами Государственногопредприятия Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (ГП НИТИП, г.Харьков) разработана и освоена инновационная технология изготовления гибкихкоммутирующих элементов на основе безадгезивных алюминий-полиимидныхлакофольговых диэлектриков и технология сборки гибридных микромодулей иэлектронных узлов высокой степени интеграции.
Практическое применениепредложенная технология нашла при построении современных систем автоматическогоуправления летательными аппаратами различного предназначения. Гибкие кабели иплаты на основе лакофольговых диэлектриков ФДИ-А-50 и ФДИ-А-24 (полиимид толщиной10÷20 мкм и алюминий толщиной 14÷30 мкм) характеризуются пластичностью,гибкостью и стабильностью электрических характеристик и успешно заменяютпроволочный монтаж при сборке микромодулей.
Описанную компоновку невозможно реализовать при проволочном монтаже, таккак в этом случае объекты сварки должны иметь одностороннее расположение ипрактически невозможно изменить конфигурацию проводников после сварки.
Алюминиевая COF-технология также позволяет безограничений располагать на одних и тех же гибких платах вместе с кристалламимикросхем различные навесные компоненты. В этом случае, в отличие отСОВ-технологии, SMD-компонентыустанавливаются на платы с помощью гибких алюминий-полиимидных носителей (рис. 2, а). Сначала на гибкие носители с помощью пайки устанавливаютсяSMD-компоненты (рис. 2, б), а затем гибкие носители с навесными SMD-компонентами монтируются на гибкиеплаты с помощью ультразвуковой сварки. Контакты для пайки на носителяхформируются путем химического и электрохимического осаждения слоев никелятолщиной 2 ÷ 3 мкми олово-висмута толщиной 7 ÷ 10 мкм. Применение такихгибких носителей с SMD-компонентамипозволяет заменять навесные компоненты в процессе проверки функционированиямикросборок.
/>
/> а) б)
Рис. 2. Монтаж SMD-компонентов по COF-технологии с помощью гибких алюминий-полиимидныхносителей:
а) – гибкиеалюминий-полиимидные носители; б) – гибкие носители с SMD-компонентами,установленными пайкой
При этом в процессеизготовления микросборок полностью исключается опасность загрязнения основныхплат остатками флюсов, а так же повышается технологичность слоев гибких плат исборочных единиц благодаря тому, что нанесение припойных покрытий (Ni-SnBi) и сборка SMD-компонентов на гибких носителях выполняются в ходе отдельныхтехнологических процессов.
Разработанная в ГП НИТИП инновационнаятехнология ультразвуковой сварки алюминий-полиимидных плат и кабелей с микросхемамии приемниками радиационного излучения адаптирована для примененияавтоматизированных сварочных установок типа FK Delvotec-6400, ЭМ-4370 и др., позволяющихобеспечить точность позиционирования при сварке ± 3 ÷ 5 мкм.
В качестве основныхматериалов в разработках использованы безадгезивные алюминий-полиимидныелакофольговые диэлектрики типа ФДИ-А (ЫУО.037.042 ТУ) производстваООО “Тэтраэдр” (г. Москва, Россия).
Лакофольговыеалюминий-полиимидные диэлектрики типа ФДИ-А представляют собой алюминиевую рулоннуюфольгу с односторонне нанесенным полипирометиллитимидным лаковым покрытием споследующей термической (при температуре 300°С в течение 30 мин)имидизацией до состояния собственно полиимида. Пленочные безадгезивныекомпозиции были разработаны и широко применялись в СССР еще в серединевосьмидесятых годов. Они нашли широкое применение в производстве лент-носителейИС и БГИС с числом выводов до 500,гибких шлейфов, многослойных плат с числом слоев до 20 и других изделий, придавая им легкость, компактность,возможность соединения подвижных частей и формирования трехмерных схем. Однакона тот период времени алюминий-полиимидные диэлектрики использовались толькодля коммутации микросхем с шагом проводников 200 мкм и более. При участииспециалистов ГП НИТИП в разработках гибких кабелей и плат для микромодулеймеждународных проектов СВМ, ALICE,удалось значительно усовершенствовать сборочную технологию “сhip on flex” и адаптировать ее к самым высокимсовременным требованиям и задачам.
Список использованных источников
1. Фарассат Ф., Валев С. “Кристалл на плате”(СОВ): новая эра сборочной технологии // Технологии в электроннойпромышленности. – 2005. – № 6. – C. 71 – 76.
2. Still А. CDF Run II silicontracking projects // Nucl. Instr. and Meth. – 2008.- A 447.-Р. 1 – 8.
3. Merkel P. et al. CDF Run IIb Silicon Detector: Тhe Innermost Layer //IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2004. — Vol. 51, No 5. –Р. 2215-2219.
4. Tricomi A. The CMS Inner Tracker Silicon Microstrip Modules:Production and test // Nucl. Instr. аnd Meth.- 2007. — A 570. – Р. 248 – 252.