Металлизация слоев керамики

Металлизацией слоев керамики называют этап формирования электропроводящих элементов коммутации, обеспечивающих электрическую связь между наружными контактными площадками, на которых в последствии монтируются навесные компоненты согласно электрической схеме функциональной ячейки (ФЯ) электронного устройства (ЭУ); (электрические цепи проходят по внутренним слоям КП). На верхнем слое располагаются только контактные площадки. Связь между слоями осуществляется с помощью межслойных переходов, выполненных в виде металлизированных отверстий Æ0,45-0,50 мм. На одну из сторон каждого слоя наносят топологический рисунок, включая межслойные переходы, которые в определенных местах при сборке слоев в пакеты контактируют с проводниками соседних слоев, образуя, таким образом, электрические цепи КП.

В конструкторской и технологической документации (соответственно КД и ТД) на КП (и МКП) сформулированы определенные требования к металлизирующей (проводящей) пасте. Паста должна обеспечивать:

 получение проводников с удельным сопротивлением не более 0,020 Ом/□;

 адгезионную прочность к основанию платы КП (с размерами 1 мм х 1 мм) не менее 1000 г;

 нанесение проводников методом трафаретной печати;

 технологическую совместимость процесса формирования проводников (то есть спекание и вжигание пасты) с процессом обжига керамики ВК 94-1.

Проводящая паста наносится на установке трафаретной печати с применением металлических трафаретов из бериллиевой бронзы марки БрБ-2 толщиной 0,1 мм и сетчатых трафаретов из нержавеющей стали с окном в сетке 40 мкм и диаметром нитей 25 мкм (см. рис. 1).

Технологический процесс металлизации слоев заготовок КП состоит из следующих этапов:

 нанесения проводников межслойных переходов (металлизация межслойных переходов);

 сушки;

 нанесения проводящих дорожек и прочих проводящих элементов;

 сушки;

 контроля внешнего вида;

 устранения дефектов внешнего вида.

При металлизации межслойных переходов паста наносится с обратной стороны слоя через металлический трафарет. Отверстия должны быть полностью заполнены пастой. В противном случае, после замоноличивания слоев МКП, в межслойных переходах образуются пустоты, которые после обжига приводят к микровздутиям, способствующим обрывам цепей и т.п. Допустимое смещение осей отверстий на керамической заготовке относительно осей окон в трафарете составляет не более 0,25 мм

.

 

Рис.1. Принцип и средства реализации для трафаретной печати пастообразных материалов: а – исходное состояние; б – нанесение пасты; в – конструкция ракеля для нанесения проводящей пасты (либо припойной пасты).

 

 

Сушка заготовок слоев после металлизации проводится на воздухе в течение 12 часов. Эта операция выполняется для того, чтобы исключить смазывание пасты на следующих операциях.

Проводники обычно наносят на лицевую сторону заготовок также трафаретной печатью (контактной и бесконтактной) проводящей пасты, но с применением сетчатых трафаретов. При этом в местах выхода межслойных переходов на поверхность заготовки, отверстия дополнительно заполняют проводящей пастой.

Удаление с плат загрязнений и осветление металлического покрытия для сохранения его паяемости осуществляется в специальных растворах с последующей конвекционной сушкой при 40-60^оС в течение шести часов.

Контроль внешнего вида сводится к проверке: качества рисунка, степени заполнения отверстий пастой и отсутствия загрязнений на поверхности.

 

Сборка и прессование заготовок в монолит (получение структуры МКП)

 

Изготовленный комплект заготовок слоев (в соответствии с требованиями КД и ТД) собирают в пакет на сборочном приспособлении, затем при помощи стационарной пресс-формы на прессе (например, типа ДБ-2432Б) проводят замоноличивание по следующему режиму:

 удельное давление 300-400 кг/см²;

 температура нагрева 40-60^оС;

 время выдержки под давлением 10-15 мин.

Для обеспечения качественного выполнения замоноличивания пакета необходимо соблюдение следующих условий:

 слои не должны иметь местных вмятин и утолщений;

 отклонение толщины слоя по площади должно быть не более +0,01 мм;

 непараллельность верхней поверхности относительно нижней должна быть не более 0,05 мм на длине 500 мм;

 непараллельность смыкаемых и внешних поверхностей приспособления для прессования должна быть не более 0,02 мм;

 верхняя и нижняя плиты пресса должны быть оборудованы устройством подогрева для обеспечения температуры в пакете собранных слоев 45-55^оС;

 система управления прессом должна быть снабжена реле времени;

 приспособление для прессования должно иметь четыре базовых штифта;

 на рабочем месте должны соблюдаться чистота и порядок.

В процессе последующего обжига (совместного спекания селективного проводящего покрытия и керамического материала) происходит выгорание органических связующих, входящих в состав керамической ленты и проводящей пасты. Поэтому в интервале температур от 55 до 1000^оС газовая среда (несмотря на то, что она состоит из смеси водорода и азота) должна иметь достаточное количество кислорода для обеспечения полного выгорания и удаления связки, а также для создания определенной концентрации кислорода с целью обеспечения в проводящем слое адгезии между керамикой и металлом. С момента достижения температуры 1000^оС и до конца процесса спекания, технологическая среда должна иметь достаточное количество водорода и обладать восстановительными свойствами для обеспечения необходимых электропроводящих свойств поверхности металлизации. Более полное спекание керамического материала зависит от многих факторов и, прежде всего от:

- возможно полного удаления органической связки во время обжига;

- температуры и состава газовой среды при обжиге.

Монолиты плат обжигаются в электроводородных толкательных печах типа ПВТ-6 по следующему режиму:

- температура обжига 1540±20^оС;

- время толкания лодочки 60-90 мин;

- прямоток – газовая смесь водорода с азотом;

- противоток – сухой водород.

Огнезащиту обеспечивают, используя специальные лодочки типа ЛБ-1, часть которых путем шлифовки превращают в подставки с размерами 140 мм х 20 мм и устанавливают на стандартную лодочку. Для исключения припеканий шлифованную поверхность подставки покрывают камедью следующего состава:

- наполнитель корундовый для теплоизоляционных бетонов - 62,5%;

- 6%-ный раствор метилцеллюлозы в воде - 20,8%;

- вода - 16,7%.

Обеспечение необходимых присоединительных размеров после обжига МКП достигается последующей шлифовкой на плоскошлифовальных станках (например, типа ЗГ-71) с применением шлифовальных кругов с синтетическими алмазами на металлической основе. Шлифуется обратная сторона МКП, которая в составе ФЯ крепится к металлическому основанию блока.

Восстановление металлизации в водороде применяется для снятия окисной пленки с металлизированных поверхностей МКП и выполняется непосредственно перед химическим никелированием в печи типа ПВТ-6 при максимальной температуре 1350^оС с восстановительной атмосферой.

Цикл толкания лодочки – 20 минут.

С целью обеспечения качественного облуживания контактных площадок и припайки выводов компонентов к плате производят химическое никелирование металлизации на плате. Толщина химического никеля 0,003 мм. Для активизации контактных площадок перед химическим никелированием они обрабатываются в растворе хлористого палладия. Для улучшения адгезии пленки никеля к металлизированной поверхности проводят термообработку МКП в конвейерных печах в среде водорода при температуре 800-900^оС. Лужение осуществляется путем погружения КП в расплавленный припой ПОС-61 при температуре 200-260^оС. Время лужения – 15 с. Для более точного дозирования припоя на контактных площадках знакомест МКП формируют площадки из пропоя, например, трафаретной печатью припойной пасты (см. рис. 1) с последующим ее оплавлением. Это необходимо при использовании на сборочно-монтажных операциях (в процессе изготовления ячеек на таких МКП) в качестве навесных компонентов керамических кристаллодержателей БИС с малым шагом выводов (или выводных контактных площадок).

Контроль электрических параметров платы (проверка схемы разводки проводников, сопротивления изоляции и сопротивления проводников) проводится с помощью приборов типа ПСР-4 и В7-27а.

Припайка внешних выводов (для межузловой коммутации) выполняется твердым припоем ПСр-72 в электропечах (типа СК-11/16-8) в восстановительной среде при температуре 840-860^оС, со скоростью движения конвейерной ленты 38 мм/мин.

На рис. 2 представлены наиболее важные этапы изготовления отдельных заготовок и структуры МКП, получаемые по пакетной технологии (при сборке заготовок в пакет с последующим замоноличиванием) и по подложечной технологии (при послойном наращивание проводящих и диэлектрических слоев поочередно) для конструкторско-технологических вариантов с двухсторонней металлизацией заготовок. Однако, при односторонней металлизации заготовок (для которой процесс металлизации был описан в предыдущем разделе) технология изготовления МКП значительно упрощается, но плотность коммутации в этом случае заметно уменьшается.

 

 

 

Рис.2. Наиболее важные этапы изготовления и структуры МКП на керамических основаниях: а…в – получаемые по пакетной технологии; г…ж – по подложечной технологии (по технологии послойного наращивания); а – подготовка исходных заготовок, в том числе и формирование отверстий; б – создание коммутации (в том числе межслойной); в – прессование пакета (замоноличивание); г – подготовка подложки; д – формирование коммутации; е – формирование межслойного диэлектрика; ж – формирование следующих слоев коммутации (этапы е, ж могут повторяться требуемое число раз); l – керамическая заготовка с отверстиями; 2 – сквозные отверстия, подлежащие металлизации; 3 – коммутирующие элементы; 4 – керамическая прокладка (либо диэлектрическое покрытие); 5 – межслойный диэлектрик; 6 – монолитная структура МКП.