Пасти для провідних, резисторних і діелектричних елементів, їх характеристики. Методи формування малюнка і матеріали для герметизації кристалів і плат

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

кафедра ЕТТ

Реферат на тему:

«Пасти для провідних, резисторних і діелектричних елементів, їх характеристики. Методи формування малюнка і матеріали для герметизації кристалів і плат »

МІНСЬК, 2008

Як матеріал для виготовлення товстоплівкових елементів приймаються резистивні, діелектричні і проводять пасти. Вони являють собою суспензію порошків наповнювача і скла в будь-якої органічної сполучною рідини або розчині. Наповнювач є основою пасти і надає плівкам необхідні резистивні, які проводять або діелектричні властивості.

Основні вимоги, що пред'являються до паст: можливість нанесення їх через трафарет і термообробка (вжигание); воспроіеводімость властивостей; хороша адгезія до підкладки; сумісність з іншими елементами; відповідні електричні властивості; здатність до пайки і термокомпрессіі.

Плата повинна бути певною величиною плинності. Занадто велика плинність призводить до розтікання пасти і спотворення малюнка, а «червона плинність - до поганого продавлювання пасти через трафарет.

Як наповнювачі провідникових паст використовуються порошки металів і сплавів з розміром часток не більше 5 мкм. Розміри і форма частинок роблять сильний вплив на фізичні і електричні властивості товстих плівок. Наповнювачі наст повинні володіти вкрай низькою хімічною активністю при високих температурах термообробки в оксидується середовищі і при зіткненні з хімічно активним склом, а також повинні бути сприйнятливі ft стійкі (нерозчинні) до впливів припою, що застосовується при монтажі пайкою. Це пояснюється застосування в якості наповнювачів благородних металів: золота, срібла, сплавів золото-паладій, золото-платина ,. срібло-паладій та ін. Порівняльна оцінка провідникових паст на основі різних наповнювачів приведена У таблиці 1.

Властивості провідникових паст Таблиця 1

Оцінка дана за 5 - бальною системою, 1 - найвищий бал.

Поряд з наведеними В таблиці 1 наповнювачами для провідникових паст застосовуються неблагородні метали: мідь, нікель, алюміній, вольфрам, молібден. Вони забезпечують не тільки меншу вартість паст, але і в ряді випадків кращі параметри і стабільність при високих температурах. Мідь, наприклад, є єдиним металом з високою електропровідністю, до якого можна підключати зовнішні висновки як зварюванням, так і пайкою. Крім того, мідь має хорошу адгезію до алюмокераміческім подложкам, високу теплопровідність, стійкість до видужування, і радіації, хороші властивості в діапазоні СВЧ.

Як наповнювачі резистивних паст застосовується срібло, золото, паладій, платина, реній, оксиди талію, рутенію, ренію, паладію, а також різні композиції: срібло-паладій-оксид паладію, срібло-оксид рутенію, вісмут-рутеній, рутеній-іридій, платина-оксид іридію і ін. Товстоплівкові резистори мають номінали опорів від 1 до 10 Ом, питомий опір від 1 до 10 ⁷ Ом / а і широкий діапазон значень ТКС.

При виготовленні діелектричних паст для конденсаторів в якості наповнювачів застосовують суміші порошків керамічних матеріалів і флюсів, а також скла і ферроелектріческіх матеріалів. Наприклад, пасти на основі композиції титанат барію - оксид титану - оксид алюмінію - легкоплавкое скло мають діелектричну проникність від 10 до 2000.

Діелектрики для межуровневом ізоляції провідників виготовляють на основі склокерамічних матеріалів. Але порівняно з діелектриками для конденсаторів вони мають меншу діелектричної проникністю.

В якості постійного сполучного до складу паст входять скла, які залишаються після формування плівки і залишаються в готовому плівковому елементі. В провідникової пасти, скло служить для утримування в контакті зерен наповнювача і для забезпечення адгезії товстої плівки до підкладки. При виборі складу скла необхідно враховувати залежність його в'язкості від температури, змочування підкладки, хімічну активність і коефіцієнт термічного розширення. Ці властивості скла впливають на режим термообробки, на освіту механічних зв'язків між зернами металевого наповнювача, на питомий опір плівки і процеси приєднання висновків до контактних площадок. Від складу скла в значній мірі залежить стабільність параметрів резисторів. У діелектрику, що застосовується для межуровневом ізоляції провідників, постійне сполучна є одночасно і основним функціональним компонентом. У діелектрики конденсаторів скло не повинно вносити дефектів, що призводять до виникнення коротких замикань між обкладинками. В якості постійного сполучного застосовуються легкоплавкі стекла: свинцево-боросилікатниє, цінкоборо-силікатні, кадмієві.

В якості органічних сполучних і розчинників паст може застосовуватися широкий набір матеріалів: етілцеллюдоза, воски, ланолін, вазелінова олія, циклогексан, рідкі смоли, органічні розчинники.

Органічні сполучні і розчинники вводяться для забезпечення рівномірного розподілу часток порошків різних компонентів в процесі приготування пасти, для отримання певної консистенції і для додання пасті необхідної в'язкості. При нанесенні пасти на підкладку органічні зв'язуючі повністю видаляються в процесі термообробки. При неповному видаленні органічних сполучних в складі діелектрика, наприклад, залишається вуглець, який різко підвищує електропровідність.

Спеціальні добавки вводять до складу паст для поліпшення адгезії, паяемости, для додання паст тиксотропності і ін.

ТіксотроПностио називається здатність паст під дією механічного тиску збільшувати текучість і потім після припинення впливу тиску знову загусати. Для додання паст тиксотропних властивостей в їх склад вводять високомолекулярні з'єднання, наприклад, фуранкарбоновую або терефталевую кислоти.

Методи формування малюнка. Трафаретний друк.

Провідники. Провідники товстоплівкових схем виконуються шляхом нанесення через трафарети провідникових паст.

Провідникові пасти повинні забезпечувати отримання наступних характеристик композиції (після вжіганін):

1. Високу питому провідність щоб уникнути помітного падіння напруги і нагрівання.

2. Високу адгезію плівки з підкладкою, оскільки безпосередньо до неї приєднуються висновки і навісні елементи.

3. Можливість приєднання до поверхонь провідників монтажних проводів і навісних елементів пайкою або зварюванням.

4. Композиція повинна бути стійка до впливів, пов'язаних з виконанням технологічних процесів, і витримувати задані умови експлуатації.

Проектування топології товстоплівкових провідників багато в чому аналогічно проектування друкованих плат. Провідники повинні виготовлятися гранично короткими, щоб зменшити опір схеми. Поверхневий опір товстоплівкових провідників повинен змінюватися в межах від 0,005 Ом / а до 0,1 Ом / а в залежності від типу застосовуваної пасти. Для нанесення провідників необхідно використовувати тільки одну сторону підкладки. Кількість перетинів має бути мінімальним, оскільки для їх створення необхідні дві додаткові операції нанесення і вжигания плівок (нанесення межслойного діелектрика і другого провідного шару). Для сучасної технології стандартною шириною провідника вважається 0,25 мм, проте, якщо це необхідно, можна виготовляти смужки шириною до 0,125 мм. Такі ж значення допускаються і для відстаней між провідниками.

Товщина шару провідника, наприклад, на основі композицій паладій-срібло становить 10-25 мкм, мінімальна ширина (довжина) провідника коливається в межах 0,15-0,20 мм при нанесенні пасти на кераміку і 0,20-0,30 мм при нанесенні на шар діелектрика. Мінімальна відстань між провідниковими елементами 0,05-0,20 мм в залежності від рецептурного складу пасти.

Резистори. Резистивні пасти виготовляються на основі більш високоомних функціональних матеріалів, зазвичай композицій: срібло-паладій-окис паладію, срібло-окис рутенію, вісмут-рутеній, рутеній-іридій, платина-окис іридію. Резистивні пасти, що виготовляються на основі композиції паладій-срібло забезпечують номінальні опору резисторів від 25 Ом до 1 МОм. Опір квадрата резистивної плівки відповідає ряду значень: 5,100,500,1000,3000,6000,20000,50000 Ом / а. Температурний коефіцієнт опору подібних паст не перевищує 800.10 ^-6 1 / град в інтервалі температур -60 ... + 125 ° С. Товщина резистивних плівок після вжигания становить приблизно 18-25 мкм.

Облік відношення довжини плівкового резистора L до її ширини В є дуже важливим при проектуванні товстоплівкових резисторів. Відношення сторін L / B або B / L ніколи не повинно перевищувати 10. Його краще вибирати рівним 3 або менше. При проектуванні схеми слід уникати зиґзаґоподібних резисторів або резисторів в формі меандру. При такій геометрії на резисторі утворюються області перегріву, а опір резистора важко підганяти до номіналу. Мінімальний розмір резистора повинен бути порядку 0,5x0,5 км, однак резистори повинні бути по можливості великими для збільшення відсотка виходу придатних і полегшення їх подальшої підгонки. Для забезпечення надійного електричного контакту резистор повинен бути вже провідника на 0,25 мм (по 0,125 мм з кожного боку), а довжина перекриття резистора провідником повинна бути не менше 0,125 мм (Малюнок 1).

Мінімальна відстань від краю контактної площадки до краю резистора повинно бути не менше 0,25 мм.

Розрахунок резисторів проводиться таким чином. Номінальне значення опору резистора визначається за формулою

R = p _a K _ф (1)

де p _a - опір квадрата резистивної плівки, Ом / а;

K = l / i, - коефіцієнт форми.

Малюнок 1. Товстоплівкові резистори; I - резистивная плівка, 2 - контактна площадка.

Ширина резистора

(2)

де Р - розрахункове значення потужності розсіювання резистора, Вт; Р _про - максимальна питома потужність розсіювання резистивной плівки, Вт / мм ^2; До _р - коефіцієнт запасу потужності, що враховує підгонку резистора, К _Р = 2п / 100 + 1; п допустимая негативне відхилення опору резистора від номінального до підгонки,%.

Максимальне значення Р приймається дорівнює 52%. Розрахункова довжина резистора визначається зі співвідношення для К _ф і по формулі (2.2). Розрахунок резисторів, що мають К _ф <1, починають з визначення довжини, замінюючи ширину В у формулі (2.2) на довжину l.

Питома потужність розсіювання резисторів на основі композиції паладій-срібло зазвичай приймається рівною 3 Вт / сиг, однак товстоплівкові резистори можуть бути навантажені і сильніше, до 6 Вт / см і більше (для паст інших складів), за умови правильної організації охолодження.

Конденсатори. Діелектричні плівки в товстоплівкових мікросхемах застосовуються в якості діелектриків конденсаторів, межслойной ізоляції, захисних шарів.

Діелектричні пасти для конденсаторів виготовляються на основі суміші керамічних матеріалів і флюсів. Товщина діелектричних товстих плівок для конденсаторів після термічної обробки складає 40-60 мкм.

Використовуючи плівки, що забезпечують питому ємність З = 3700 пФ / см ^2, виготовляють конденсатори з номінальною ємністю від 500 до 300 пФ, а плівки з З = 10000 пФ / см ² дозволяють виробляти конденсатори в діапазоні від 100 до 2500 пФ. У більшості товстоплівкових гібридних схем і микросборок використовуються багатошарові дискретні керамічні конденсатори, оскільки на площі, необхідної для нанесення конденсатора з номіналом 300 пФ, можна розташувати навісний багатошаровий конденсатор на 10000 пФ. Похибка номінальної ємності конденсаторів зазвичай становить ± 15%. Пробивна напруга не менше 150 В.

Величина діелектричної проникності для діелектричних паст конденсаторів на основі композиції титанат барію - окис титану - окис алюмінію - легкоплавкое скло становить від 10 до 2000.

Виходячи з основного співвідношення, для ємності конденсатора

(3)

де - діелектрична постійна; А - площа, мм ^2; N-число обкладок; d - товщина діелектричної плівки, мм, можна обчислити площу, необхідну для виготовлення конденсатора.

Розрахункова площа верхньої обкладки конденсатора визначається за формулою

S = C / C ₀ (4)

де С - номінальна задане значення ємності; З ₀ питома ємність.

Нижня обкладка конденсатора повинна виступати за край верхньої не менше, ніж на 0,3 мм, плівка діелектрика - за край нижньої обкладки не менше, ніж на 0,2 мм. Пасти верхніх обкладок повинні бути інертні до лужению.

Методи і матеріали для герметизації кристалів і плат

Під герметичністю розуміють здатність замкнутої конструкції не пропускати газ (рідина).

Абсолютно непроникних конструкцій не існує тому герметичність характеризується допустимою витоком (течио) газу (рідини), яка вимірюється в одиницях потоку. Потік газу або рідини через мікроотвори висловлюють одиницею обсягу при певному тиску за певний час, тобто в м ³ • Па / с (1,32 • 10 ^-4 м ³ • Па / с = 1 л • мкм рт. ст. / с).

Корпуси напівпровідникових приладів та ІМС вважаються герметичними при натекания гелію не більше 1,32-10 ^"9 м ³ -па / с, Герметизація є однією з найважливіших заключних операцій технологічного процесу виробництва напівпровідникових приладів та ІМС, так як забезпечує їх надійність і довговічність при механічних і кліматичних впливах в умовах експлуатації. Крім того, герметизація є останньою операцією складання напівпровідникових приладів та ІМС і від якості її виконання залежить вихід придатних виробів.

Підраховано, що трудомісткість складальних операцій (разом з герметизацією) деяких масових виробів мікроелектроніки (транзисторів, ІМС) перевищує трудомісткість всіх інших операцій. Забраковані негерметичні прилади є досить дорогі і майже готові вироби, що змушує з особливою ретельністю ставитися до процесів герметизації.

Постійне прагнення до підвищення компактності, мініатюризації і швидкодії електронних систем викликає збільшення щільності потужності, що розсіюється (особливо в ІМС), що ускладнює тепловідвід від активних елементів, викликаючи додаткові вимоги до конструкції корпусів і способам їх герметизації. В даний час встановлено, що конструктивне виконання корпусів і їх герметизація не менше складні, ніж створення електронно-доручених переходів. Дослідження показали, що проникнення в процесі експлуатації в корпус транзистора навіть мізерної кількості вологи може викликати нестабільність його параметрів.

Такі способи герметизації корпусів напівпровідникових приладів, як заливка пластмасою, склеювання спеціальними клеями, склоцементу, глазур'ю або лаками, заварка склом, а також різні види зварювання і пайки, мають свої переваги і недоліки.

Герметизація пластмасою, наприклад, придатна для масового виробництва виробів мікроелектроніки широкого застосування. Прилади в пластмасовій оболонці характеризуються низькою вартістю, гарним зовнішнім виглядом, груповий технологією виробництва. Але пластмасова герметизація не забезпечує необхідної герметичності при випробуваннях на кліматичні впливу і в умовах експлуатації.

Деякі корпусу герметизують, приклеюючи керамічну кришку до металокерамічних основи корпусу. Така герметизація надійна, не вимагає дорогого устаткування, але процеси нанесення і затвердіння клею досить тривалі.

Герметизацію склоцементу, глазурями, лаками і склом застосовують обмежено.

Герметизація корпусів пайкою. У виробництві виробів мікроелектроніки герметизацію корпусів пайкою використовують відносно рідко, так як крім, порівняльної простоти (не потрібні складні оснащення, інструмент, обладнання; процес виконується без докладання значних тисків) вона має ряд недоліків. Так, при герметизації пайкою необхідний нагрів напівпровідникових приладів та ІМС до 200-420 ° С, що погіршує їх параметри. Характерними видами шлюбу при герметизації пайкою є утворення щілин (непропай) в з'єднаннях, затікання припою і флюсу всередину корпусу, перекоси деталей, часткове незмочування поверхонь припоєм і ін. Крім того, деталі, призначені для пайки, повинні мати дуже малі відхилення по плоскопаралельності і зазорам .

При герметизації деталей корпусів пайкою використовують непрямий контактний і безконтактний нагрів, гарячий інертний газ або Газополум'яний джерело.

При пайку з непрямим контактним нагріванням герметизируемой корпус укладають на нагрівач, розігрівають разом з припоєм до необхідної температури і накривають кришкою, а потім притискають її і охолоджують корпус. Зазвичай таку пайку виконують у середовищі захисного газу. Недоліком її є складність рівномірного нагріву корпусу і необхідність ретельної підгонки посадкового місця нагрівача до корпусів різних розмірів для створення гарного теплового контакту.

При пайку з непрямим безконтактним нагріванням (в конвеєрних газових печах) отримують кращі результати, так як в цьому випадку підвищуються якість герметизації і продуктивність. Однак пайка в конвеєрних печах вимагає великої кількості складних касет, а сам процес недостатньо керований.

Пайка в струмені нагрітого інертного газу набула найбільшого поширення. Цим способом, наприклад, герметизують корпусу з локальним золоченням деталей тільки в місцях з'єднання, використовуючи у вигляді окремої деталі припій, що складається з 99-99,5% олова і 0,1-1,0% вісмуту (сурми або срібла). Локальне золочення хоча і ускладнює герметизацію, але обмежує розтікання припою і знижує витрату золота. Товщина золотого покриття становить не більше 1,5-2 мкм.

Пайку в струмені нагрітого інертного газу застосовують також для герметизації металокерамічних корпусів з попереднім нанесенням шару припою олово - вісмут товщиною не менше 0,15 мм по периферії кришки. У цьому випадку на корпус по периметру, відповідному формі кришки, також наносять шар золота. При нагріванні деталей, що з'єднуються струменем гарячого газу шар припою на кришці плавиться, змочує золоте покриття і герметизує корпус.

Іноді нікелеві кришки золотять в кислому електроліті, використовують припой слово-вісмут-індій і нагрів в струмені гарячого інертного газу. У процесі освіти паяного з'єднання золоте покриття повністю розчиняється в припої, який взаємодіє з чистою поверхнею нікелю, що знаходиться під золотом, утворюючи після кристалізації міцне герметичне з'єднання. Шов являє собою шар припою з дрібними включеннями частинок золота і олова.

Газопламенная пайка з використанням припою ПОС61 і ф л ю з а, при якій кришку корпусу нагрівають рухомим воднево-кисневим полум'ям, є досить продуктивним процесом герметизації (в 8-10 разів вище в порівнянні з пайкою непрямим контактним нагріванням). Тим часом при термічних випробуваннях таких корпусів на надійність вони можуть стати негерметичними, так як золоте покриття кришки в зоні шва в повному обсязі розчиняється в припої. Що залишився шар золота при термічних випробуваннях і експлуатації приладів або ІМС переходить в припій поступово і зв'язок кришки з припоєм порушується. Шар золота, який в даному випадку застосовують для поліпшення змочуваності, повинен бути не більше 2-3 мкм, що забезпечує його повне розчинення в припої.

Крім того, при герметизації напівпровідникових приладів та ІМС пайкою використовують мікроплазмове нагрів.

Герметізіція корпусів контактної контурної електрозварюванням. Широке впровадження у виробництво контактної контурної електрозварювання стало можливим у зв'язку зі створенням промислового зварювального обладнання та розробкою нових конструкцій корпусів, придатних для герметизації цим способом.

Як акумулюючої системи в установках контактного контурної електрозварювання зазвичай використовується батарея електролітичних конденсаторів. Електрична енергія, що накопичується при заряді конденсаторів від джерела постійної напруги (випрямляча), витрачається при їх розряді, перетворюючись в процесі зварювання в теплову енергію.

Перевагами цього виду зварювання є: постійний витрата електроенергії, що забезпечує високу відтворюваність результатів; короткочасність і концентроване тепловиділення в місці з'єднання, що забезпечує мінімальну зону нагріву зварюваних металів, безпосередньо навколишнє зварні шви; можливість якісного з'єднання різнорідних металів і сплавів, погано зварюються або зовсім не зварюються іншими способами.

Крім того, конденсаторна зварювання сприяє вирівнюванню фазової навантаження і повьпценію коефіцієнта потужності електромережі.

Основними елементами установки контактної контурної електрозварювання (Малюнок 2) є випрямляч В, що перетворює змінний струм в постійний, батарея конденсаторів С для накопичення (акумуляція) електроенергії і перемикач П для послідувало ного з'єднання батареї конденсаторів з джерелом живлення (випрямлячем) і зварювальним трансформатором Тр. призначеним для отримання в зварювального ланцюга великих струмів при низькій напрузі.

Рис 2. Електрична схема установки контактної контурної електрозварювання

Накопичену в батареї конденсаторів енергію (Вт-с) визначають за формулою W = CU ² ■ 10 ~ ^6/2 (де С- робоча ємність батареї конденсаторів, мФ; U- напруга заряду конденсаторів, В). З цієї формули видно, що накопичену в конденсаторах енергію можна регулювати, змінюючи їх ємність, напруга заряду або одночасно обидва параметри.

При контактної електрозварювання з'єднуються деталі нагріваються теплотою, що виділяється при проходженні через них зварювального струму. Відомо два методи нагрівання деталей при контактної електрозварювання: опором або опором і оплавленням.