| N п/п | Параметры | Технология изготовления | |||||||||||||
| Субтрактив-ная (фольга 5 - 10 мкм) | Полуадди-тивная | Аддитивная | Толстопле-ночная | Тонкопленочная | |||||||||||
| на жестких подложках | на гибких подложках | ||||||||||||||
| Минимальная ширина линий, мм | 0,25-0,50 | 0,125-0,250 | 0,100-0,200 | 0,15-0,30 | 0,03-0,10 | 0,03--0,10 | |||||||||
| Минимальный диаметр переходных отверстий, мм | 0,5-1,0 | 0,3-0,5 | 0,2-0,5 | 0,13-0,3 | 0,03-0,1 | 0,02--0,05 | |||||||||
| Максимальные размеры платы, мм х мм | 250x250 можно более | 220x250 можно более | 200x200 | 100x120 | 120x180 (48х60 для ГИС) | 100x120 | |||||||||
| Разрешающая способность, линий/мм. | 2,5-4,0 | 4,0-5,0 | 4,0-6,0 | 2,5-4,0 | 5,0-10,0 | 5,0--10,0 | |||||||||
| Максимальное число слоев коммутации | 8-12 и более | 8-20 | 8-20 и более | 10-20 и более | 2-6 | Более 10 | |||||||||
| Удельное погонное сопротивление проводников, Ом/см | 0,001-0,01 | 0,005 и менее | 0,005 и менее | 0,1-2,0 | 0,01 |
| |||||||||
| Удельная погонная паразитная емкость, пФ/см | 0,5-0,8 | 0,5-0,7 | 0,5-0,7 | 0,8-1,5 | 1-2 | 0,2-0,3 | |||||||||
| Интенсивность отказов из-за дефектов в переходных отверстиях, 1/ч | 10-10 | 10-9 | 10-9 | 10-10 | 10-10 | 10-10 | |||||||||
(межслойной коммутации) и размерами контактных площадок знакомест. Необходимо отметить, что минимальный диаметр переходных отверстий как для субтрактивной, так и для аддитивной технологии практически одинаков.
С использованием тонко- и толстопленочной технологий в настоящее время реализовано множество конструкторско-технологических вариантов МКП, которые условно можно свести к двум разновидностям: МКП, созданная из набора подложек с пленочной коммутацией (так называемая пакетная технология) и МКП, сформированная методом последовательного наращивания слоев (подложечная технология). В первом случае единичные подложки с коммутацией изготавливаются аналогично ГИС до операций сборки, правда, резисторы и конденсаторы в пленочном исполнении чаще всего отсутствуют. Во втором случае многослойная структура формируется в непрерывном процессе из чередующихся изоляционных и проводящих слоев с требуемой топологией. Межслойная коммутация в первом случае осуществляется через переходные отверстия (металлизированные), а во втором - через "окна" в диэлектрике, находящемся между двумя слоями металлизации.
К основным недостаткам технологии последовательного наращивания слоев (или послойного наращивания) следует отнести ограниченное число слоев коммутации из-за рельефности поверхности, на которой слои формируются, так как это создает трудности точного выполнения топологического рисунка коммутации с возрастанием количества наносимых слоев.
Для изготовления коммутации с использованием полупроводниковой технологии основанием платы является полупроводник (например, кремний). В объеме полупроводника проводящие дорожки формируются при чередовании процессов диффузии и эпитаксии, а на поверхности платы - с применением тонкопленочной технологии. Межслойные соединения выполняются локальной диффузией.
Совершенствование средств для создания межслойной коммутации позволяет минимизировать длину межсоединений, увеличивать плотность компоновки коммутации (с повышенной разрешающей способностью межсоединений) и число коммутационных слоев, в также осуществлять более полное температурное согласование элементной базы с КП и другими конструктивами ЭВС.
Особенности реализации некоторых конструкторско-технологических разновидностей МКП
МКП с открытыми контактными площадками. Коммутация на диэлектрическом основании (обычно стеклотекстолите) выполняется с применением традиционной субтрактивной технологии изготовления односторонних печатных плат без металлизации отверстий. Для создания межслойных соединений во всех слоях, лежащих выше мест контактирования, выполняют отверстия (перфорации), благодаря чему проводники различных слоев становятся доступными для соединения. Переходные отверстия при этом выглядят подобно разновысотным "колодцам". Диаметр отверстий во внутренних слоях выполняют меньше, чем во внешних. Заготовки со слоями коммутации соединяют в пакет и прессуют, при этом совмещенные отверстия слоев образуют уступы, на поверхности которых расположены контактные участки проводников. Соединение проводников между слоями выполняют в процессе монтажа выводов навесных компонентов путем заполнения отверстий припоем.
Преимущества: раздельное изготовление слоев; короткий технологический цикл; ремонтопригодность межслойного соединения проводников. Недостатки: ограниченное число слоев (не более шести); увеличение диаметра отверстий на внешних слоях, что сокращает площадь платы для монтажа навесных компонентов; трудность в обеспечении достаточной чистоты контактных площадок, расположенных во внутренних слоях; разновысотность выводов навесных компонентов, что осложняет их формовку и автоматизацию процесса изготовления МКП в целом.
МКП с выступающими выводами. Коммутация формируется с применением традиционной субтрактивной технологии, Многослойная (до десяти слоев) структура КП, состоящая из слоев диэлектрика с коммутацией, соединенных склеивающими диэлектрическими прокладками, содержит сквозные перфорированные окна.
Межслойные соединения образуются за счет выводов, выполненных в виде полосок медной фольги, выступающих с каждого печатного слоя и проходящих через перфорированные отверстия в плате и диэлектрических межслойных прокладках. Выводы отгибаются на наружную сторону готовой МКП.
Преимущества: высокая механическая прочность и надежность межслойного соединения. Недостатки: использование только фольгированных материалов, сложность автоматизации.
МКП с применением попарного прессования. Попарное прессование используется как в традиционной технологии изготовления многослойных печатных плат на фольгированном стеклотекстолите, так и при изготовлении МКП на керамике с применением толстопленочной технологии. В первом случае коммутационные слои формируют в заготовках, представляющих собой двухсторонние фольгированные диэлектрики. В каждой такой заготовке межслойные соединения выполняются с помощью металлизированных отверстий. Полученные заготовки, соединенные прослойкой стеклоткани, пропитанной лаком, спрессовываются, после чего формируют сквозные отверстия с металлизацией для создания недостающих электрических соединений между слоями.
Недостатком в этом случае является ограниченное число слоев коммутации (около четырех), низкая плотность печатного монтажа. Некоторые технологические приемы данной технологии (например, формирование заготовок, прессование и др.) используются при изготовлении структуры МКП по пакетной технологии, в том числе керамических МКП.
МКП со сквозными металлизированными отверстиями. Производственный опыт изготовления МКП показывает, что данный вариант конструкторско-технологической реализации МКП является наиболее технологичным, позволяет получать 20 слоев коммутации, характеризуется высокой плотностью её размещения, хорошим качеством межслойных соединений (выполняемых через сквозные металлизируемые отверстия в структуре МКП), относительной простотой и экономичностью разработки и производства, поэтому получил наибольшее распространение среди производителей МКП. При изготовлении МКП со сквозными металлизированными отверстиями обычно используются: для наружных слоёв односторонний фольгированный диэлектрик, для внутренних – одно- или двусторонний фольгированный диэлектрик (чаще всего стеклотекстолит), а в качестве межслойной изоляции стеклоткань прокладочная (например, типа СПТ-3). На заготовках создают с применением фотопечати рисунок коммутации (при необходимости с химико-гальванической металлизацией переходных отверстий), после чего, при совмещении по базовым отверстиям и чередуя заготовки слоев с диэлектрическими прокладками, получают монолитную структуру спрессовыванием пакета заготовок (т.е. по пакетной технологии). Затем изготавливают сквозные отверстия с последующей их химико-гальванической металлизацией. Отличительной особенностью изготовления таких МКП является комплексная несколько усложненная подготовка сквозных отверстий в пакете перед их металлизацией, включающая гидроабразивную очистку, подтравливание диэлектрика и ультразвуковую промывку, в целях улучшения адгезии химико-гальванической металлизации с контактируемыми материалами в структуре пакета.
Многослойные керамические КП. Современная технология изготовления многослойных керамических КП (МККП) позволяет реализовать четыре конструкторско-технологические разновидности МККП: 1) платы, изготавливаемые методами послойного наращивания коммутирующей структуры (подложечные МККП-1); 2) платы, изготавливаемые в виде набора листов керамики, содержащих элементы коммутации (пакетные MKKП-2); 3) МККП, изготавливаемые с применением подложечно – пакетной технологии (т.е. технологий, используемых при получении МККП-1 и МККП-2); 4) платы, в структуру которых, кроме проводников, включены R-, L-, C -элементы (платы со встроенными элементами, еще их называют схемными платами МККП-4).
Прообразом МККП-1 и МККП-4 были толстопленочные ГИС, а прообразом МККП-2 и МККП-3 - керамические корпуса ИС, которые изготавливались путем спекания нескольких листовых керамических заготовок с металлизацией, выполненной предварительно методами толстопленочной технологии. Все МККП можно охарактеризовать общими чертами, например, основной материал − керамика; методы формирования проводников − трафаретная печать; среди технологических приемов в изготовлении МККП преобладает термообработка материалов на различных стадиях изготовления КП (вжигание, обжиг, спекание); механические и электрофизические свойства плат близки; конструкции и типоразмеры готовых плат допускают при конструировании и реализации готовых изделий идентичные решения.
Изготовление МККП-1. Основанием (подложкой) для МККП-1 служат заготовки, получаемые обычно литьем тестообразной многокомпонентной массы на основе Al2O3 хотя возможно и экструзией, либо прессованием из порошков с последующей прокаткой на валках исходного материала, а затем высокотемпературным обжигом (1000 – 2000 ºС). В качестве исходных материалов нашли применение керамики не только на основе оксида алюминия и бериллия, но и нитрида алюминия, карбида кремния и других перспективных материалов (см. табл. 2.1). Рекомендуется в материал подложки добавлять (например, в виде оксидов) компоненты, аналогичные используемым в составе электропроводящих паст для толстопленочных покрытий (например, стекла на основе Рb, Si, Mg, B, Cr и др.). Это предотвращает отслаивание коммутирующих топологических элементов от подложки при дальнейших (циклически повторяющихся) термообработках.
Основными недостатками керамических подложек являются высокая диэлектрическая проницаемость 6,5 - 10,5 и ограниченность размеров плат (не более 150 х 150 мм2); хотя известны случаи изготовления алюмокерамики для КП размерами 152 х 152 и 120 х 180 мм2. Последний недостаток обусловлен в основном хрупкостью керамических материалов, а также повышенными усадками после высокотемпературного обжига заготовок (с отклонением от требуемой толщины подложки не более 25 мкм и плоскопараллельностью не более 10%при высоте микронеровностей не более 0,1 - 1,0 мкм по поверхности). Высокие требования к подложкам зачастую приводят к необходимости использовать дополнительную механическую обработку после обжига заготовок. При этом велика вероятность внедрения (например, при шлифовке и полировке) в глубь поверхности подложки посторонних примесей. Поэтому в технологический процесс (ТП) изготовления плат включают операции по отмывке и удалению посторонних материалов с поверхности подложки, а также контроль качества подложки после ее очистки.
Формирование проводников в МККП осуществляется методами трафаретной печати с применением проводящих паст. В составе паст используют порошки (с мелкодисперсной структурой и сферической формой частиц) устойчивых к окислению металлов (например Pd/Ag; W; Mo; Ni; Pt; Au/Pt; Ni/Au; W/Mo; и др.), что обеспечивает высокую электропроводность и химическую инертность паст. Серебряно-палладиевые пасты имеют температуру вжигания 850 − 950 ºС, а пасты на основе платины - золота обладают наилучшей адгезией к керамике и минимальной растворимостью в припое, что позволяет создать высоконадежные паянные соединения при высокоплотном (поверхностном) монтаже устройств. Однако, такие пасты требуют применения драгметаллов, поэтому используются при формировании наружных слоев коммутации в МКП либо в изделиях специального назначения. Внутренние слои коммутации обычно получают с применением паст, содержащих Mo или W, либо их смеси, которые лучше других материалов совместимы по ТКЛР с керамикой.
Перспективно использование в качестве проводящих и диэлектрических паст композиций, включающих оксиды металлов (например, меди) и необходимое количество восстановителя (при отжиге пасты) оксида до металла (например, борогидрида), В качестве связующего используют фенольную, эпоксидную, полиэфирную либо полиимидную смолу, при этом, контролируя воздействие восстановительного агента и атмосферы при вжигании, добиваются различной электропроводности толстых пленок.
Существует множество способов повышения прецизионности трафаретной печати проводящих паст на керамических подложках, например, с помощью фоторезиста, защищающего основную площадь толстопленочных элементов (предварительно термообработанных при температуре ниже температуры вжигания пасты) в процессе подтравливания кромок проводников до точных размеров и профиля, после чего следует окончательный отжиг элементов коммутации с подложкой. Точность изготовления рисунка коммутации можно повысить с применением также масочных способов: "добавления" (нерастекающуюся пасту продавливают через отверстия жесткой маски на основание платы); "вычитания" (на сплошной слой пасты плотно накладывают трафарет с отверстиями в местах, где необходимо удалить пасту, затем с мест, не закрытых маской, пасту удаляют); "щелевой" (на маску, расположенную на подложке, наносят (например, окунанием, пульверизацией, распылением и другими методами) пасту с низкой вязкостью, после чего маску удаляют. Толщина проводящих толстопленочных элементов обычно составляет 10-50 мкм.
Диэлектрические пасты изготавливают на основе кристаллизующихся стекол, стеклокристаллических цементов, стеклокерамики и они должны быть, как и проводящие пасты, хорошо согласованы по температурным коэффициентам линейного и объемного расширения, а также по другим характеристикам с контактируемыми (в составе КП и смонтированного изделия) материалами. Толщина изолирующих слоев после вжигания находится в пределах 25-85 мкм, относительная диэлектрическая постоянная 
обычно 5-10, тангенс угла диэлектрических потерь 
составляет 10-3-10-4, удельное сопротивление изолирующих слоев находится в пределах = 1010- 1017 Ом·м в диапазоне температур 20-400оС.
Межслойное переходное соединение имеет вид металлизированного "столбика", внедренного в изолятор и электрически соединяющего проводники, лежащие в двух смежных коммутационных плоскостях. Существенной особенностью МККП-1 является совмещение процессов формирования переходных соединений и нанесения топологического рисунка. Сетчатые трафареты для печати изолирующих слоев содержат закрытые (эмульсией либо фольгой) от попадания пасты участки, которые определяют положение окон для будущих переходных соединений. Изолирующая паста не попадает в эти участки, а при трафаретной печати следующего (за диэлектрическим) слоя проводников осуществляется металлизация этих окон. Промежуточные операции сушки и отжига проводящей пасты фиксируют полученную конструкцию переходов. При вжигании затекшая в отверстия перехода проводящая паста спекается с проводниками ранее нанесенного коммутационного слоя, образуя межслойный электрический контакт. Вследствие применения паст, содержащих значительную долю стеклофазы и связки (для обеспечения растекаемости при отжиге), а также из-за неточности совмещения трафаретов при многократной печати, размеры переходных соединений и минимальные расстояния между их центрами почти на порядок (в 5-8 раз) превышают минимально достижимые ширину линии и шаг трассировки коммутации, что существенно снижает общую разрешающую способность рисунка коммутации. Типичные значения линейных размеров сечений переходных окон в этом случае составляют не менее 350 мкм (для крупносерийного производства − 600 мкм), минимальное расстояние между переходами 0,7 - 1,2 -мм. Для повышения разрешающей способности рисунка коммутации исследуется возможность применения лазерного "сверления" переходных отверстий и окон в изолирующем слое (получены окна с диаметром 100 мкм), а также метода, основанного на использовании эффекта теплового импульсного удара сфокусированного лазерного луча непосредственно по наружному пленочному проводнику. В последнем случае лазерный луч расплавляет участок наружного проводника, разрушает слой изоляции и способствует соединению материалов проводящих слоев.
Структура МККП-1 может иметь 8 - 10 плоскостей коммутации, хотя чаще всего используют 2 - 6 коммутационных слоев. Для защиты коммутационных слоев на поверхности платы, за исключением контактных площадок, часто применяют защитные покрытия (органические компаунды, легкоплавкие стекла и другие материалы, отверждающиеся при температурах не выше 500 ºС), которые тоже наносят с применением трафаретов. Консервирующую защиту платы (обычно с применением лаков) осуществляют на время хранения платы от момента изготовления до монтажа на нее навесных компонентов.
Изготовление МККП-2 и МККП-3. Существует много способов реализации МККП-2 и МККП-3, но чаще применяют два из них. Первый, наиболее распространенный, заключается в пакетной сборке отдельных листов керамической ленты одинаковой толщины с полностью сформированной на них коммутации и последующем спрессовывании (замоноличивании) пакета. Второй -предполагает послойное наращивание коммутационной структуры на основание из сырой, необожженной керамики с применением трафаретной печати проводников и изолирующих слоев с промежуточными операциями по их подсушиванию, а замоноличивание осуществляется последовательным напрессовыванием каждой заготовки. Окончательный обжиг проводится для всего пакета.
Достоинствами второго способа являются возможность визуально-оптического контроля качества совмещения топологических рисунков проводящих слоев и отсутствие необходимости пробивки отверстий.
Для формирования проводников в обоих способах используют проводящие пасты, включающие порошки тугоплавких металлов (молибден, вольфрам и др.) и сплавов (никелевых, молибдено-марганцевых и др.). При чередовании проводящих и диэлектрических слоев увеличивается рельеф КП, что ограничивает число слоев коммутации во втором способе получения МККП, в то время как при первом способе изготовления рельефность значительно меньше.
В качестве межслойной изоляции в МККП, изготавливаемых первым способом, используются ленты из сырой керамики на основе оксида алюминия (известны также применения BeO, AlN, SiC) и стеклянной фритты с добавкой органической связки и растворителя. Керамические ленты изготавливают чаще всего литьем керамической массы с последующей прокаткой на валках. Изоляция между слоями коммутации у КП, изготавливаемых вторым способом, осуществляется с применением диэлектрических паст, включающих один из материалов:Al2O3, Be,AlN либо SiC. В качестве основания для наращивания структуры МККП применяется кадр-заготовка, вырубленная из сырой керамической ленты (толщиной порядка 0,5 - 2 мм) или спрессованная из нескольких листов меньшей толщины.
Формирование межслойных переходов при первом способе осуществляется пробивкой сквозных отверстий с последующим заполнением их проводящей пастой (перед созданием проводящих дорожек). Чаще всего отверстия выполняются штамповкой (не исключается также применение электронного либо лазерного луча) с помощью высокоскоростных дыропробивных автоматических станков с программным управлением. Диаметры отверстий, получаемых механическим путем, составляют 0,2 - 0,5 мм (с помощью электронного или лазерного луча получают диаметр отверстия до 50 мкм). Минимальный шаг расположения отверстий определяется толщиной керамического основания платы (т.е. шаг должен быть не менее чем в 1,5 раза больше толщины платы). Заполнение отверстий проводящей пастой осуществляется дважды при повышенном давлении ракеля, а часто и с помощью вакуумной протяжки пасты в отверстия (операции нанесения проводящей пасты и протяжки ее в отверстия обычно разнесены). При втором способе изготовления КП отверстиями служат "окна" в межслойной изоляции, формируемые методами трафаретной печати аналогично МККП-1.
Изготовление пакета МККП-2 включает следующие основные операции: а) совмещение отдельных керамических лент со сформированной коммутацией; б) термоуплотнение пакета (выдержка при температуре 75 - 150 ºС и давлении 50 – 150 МПа); в) обрезку или обрубку технологических полей; г) спекание пакета керамических лент (при температуре 1500-1700 ºС) в смешанной газовой среде (часто в среде азота и влажного водорода при пониженном давлении в течение 18 ч и более).
Ограничение числа одновременно спекаемых слоев возникает лишь в связи с необходимостью точного совмещения слоев с повышенной плотностью коммутации, что снижает выход годных плат и существенно повышает их стоимость. С целью уменьшения температурных градиентов при обжиге пакета из керамических лент пакет помещают в печь на толстую плиту из тугоплавкого металла (Mo, W либо Та) или сплава (например, Мо-Та либо Mo-W), имеющую тонкое (например из Аl2О3) покрытие, которое предварительно нанесено на ее поверхность. Известно промышленное производство таких плат с числом слоев коммутации до 33. После высокотемпературного спекания образуется вакуум-плотная монолитная структура, которая выдерживает нагрев вплоть до температуры 1200 ºС.
Для МККП-3, структура которых формируется последовательной трафаретной печатью, характерно выполнение только двух последних операций (см. пп. в) и г)), термоуплотнение перед обжигом заменяется обычной сушкой. Вследствие одностороннего наращивания структуры плат данного типа при спекании возможны коробления (керамика при спекании уплотняется, усадка составляет 8 - 20 %, отклонения размеров плат могут достигать 1-2 %. Поэтому процесс спекания должен тщательно контролироваться и быть управляемым.
После спекания наружные проводники оказываются покрытыми налетом или пленкой, поэтому для обеспечения возможности их контроля, присоединения выводов навесных компонентов и создания хорошей проводимости наружные проводники покрывают, например, никелем с последующим облуживанием припоем (иногда используют и другие материалы, например, Sn, Ag, Au). Минимальная ширина проводников и расстояний между ними составляет 0,1 мм.
Существуют различные направления совершенствования технологий формирования МККП-2 и МККП-3, например метод попарного прессования керамических КП, когда вместо одиночной керамической ленты с нанесенной металлизацией применяется составная заготовка, полученная горячим прессованием двух одиночных заготовок, отличающихся по толщине и составу керамики. Набор пакета заготовок осуществляется таким образом, чтобы две смежные заготовки были обращены друг к другу однородными материалами. Образующаяся при спекании четного количества заготовок плата не подвержена короблению при термообработке и устойчива к циклическим воздействиям температуры.
Другое перспективное направление связано с "послеотжиговой" технологией, когда на открытую поверхность готовой МККП после ее обжига, наносят проводники и необходимые элементы с применением медьсодержащей или других паст, вжигаемых (в атмосфере азота и водорода) при более низких температурах, чем пасты, содержащие тугоплавкий металл. Эта технология позволяет уменьшить погрешность топологических элементов до 0,2 %.
Развитие технологии изготовления МККП во многом связано также с освоением новых перспективных керамических материалов (таких, как сенсорная керамика, керметы, стеклокристаллические корунды, ферриты, нитрид кремния и др.), а также материалов паст для получения высокостабильных толстопленочных элементов.
МКП с применением тонкопленочной технологии и жестких оснований. Технологии создания тонкопленочной коммутации (обычно основанные на способах вакуумного осаждения материалов) в отличие от рассмотренных позволяют достигнуть более высокой разрешающей способности рисунка коммутации в одном слое, а также адгезионной прочности сопрягаемых слоев и подложки (основания платы).
Вакуумные способы нанесения металлических и диэлектрических слоев в настоящее время достаточно отработаны (ионно-плазменный, магнетронный и др.). Однако получение многослойных коммутационных структур с использованием тонкопленочной технологии несколько ограничено тем, что при малых толщинах диэлектрических слоев весьма велико влияние их сквозной пористости, приводящей к возникновению коротких замыканий между уровнями металлизации. При увеличении толщины диэлектрика в структурах возрастают внутренние напряжения, приводящие к отслаиваниям коммутации. Вместе с тем, с уменьшением толщины диэлектрика возрастает величина межслойной паразитной емкости, а с увеличением − возникает, проблема надежной металлизации "ступенек", например, в местах переходов с одного уровня металлизации на другой (проблема сглаживания рельефа). В связи с этим, тонкопленочная коммутация обычно выполняется не более чем в четыре слоя при последовательном их формировании (например, магнетронным напылением).
На практике применяются основные конструкторско-технологические разновидности МКП с использованием: неорганических и органических диэлектрических слоев, воздушного зазора, обеих сторон подложки, сквозного анодирования, термопластов, гибких полимерных материалов и др.
Использование для межуровневой изоляции неорганических диэлектрических слоев. Такая технология во многом тождественна технологии изготовления тонкопленочных конденсаторов. В качестве диэлектрика используется диоксид кремния, диоксид алюминия, различные стекла, а в качестве основного материала коммутации − преимущественно алюминий. Предельная толщина упомянутых диэлектрических слоев, получаемых методами вакуумного осаждения, не превышает 3 - 4 мкм. В этом случае паразитная межслойная емкость достаточно значительна - до 1 - 2пФ в месте пересечения двух проводников шириной 0,1 мм. Применяя плазмотронное напыление диэлектриков, в настоящее время можно создавать изолирующие слои толщиной до 10 мкм даже на подложках из органических материалов.
Использование для межуровневой изоляции органических диэлектрических слоев. Органические диэлектрики (например, негативный фоторезист ФН-11, полиимид и др.) находят широкое применение в технологии изготовления тонкопленочных МКП в связи с высокими диэлектрическими свойствами ряда полимерных материалов, простотой их нанесения (центрифугирование, вытягивание из растворов и др.), возможностью создания рисунка с высокой разрешающей способностью и другими особенностями, раскрывающими перспективность их использования. В сравнении с неорганическими, органические диэлектрики менее устойчивы к температурным воздействиям, особенно при температурах выше 200 ºС, и более пористы, поэтому необходимо использовать слои из органических материалов толщиной более 3 - 4 мкм. Однако получение равномерных по толщине слоев полимеров (при толщинах более 4 мкм), традиционными методами затруднено. В настоящее время техника нанесения таких слоев совершенствуется, в частности в направлении освоения способов вакуумного осаждения полимеров.
МКП с воздушными зазорами. В этом случае для формирования коммутации осаждаются слои легкоокисляющегося металла (например, циркония) и меди. Затем формируют следующий уровень коммутации, причем контакт с нижним уровнем осуществляется через окна, вытравленные в слое меди. В дальнейшем медь полностью стравливается, а слой циркония окисляется. Короткое замыкание не возникает даже при прогибе верхнего проводника. Однако такие структуры весьма чувствительны к неконтролируемым механическим усилиям, возникающим в процессе изготовления схемы, особенно при монтаже навесных компонентов.
МКП с использованием обеих сторон жесткой подложки. В таких МКП исключены межслойные короткие замыкания и качество выполнения КП определяется операцией создания переходных отверстий и их металлизацией. Систему отверстий в жесткой подложке формируют чаще всего сверлением (либо с использованием лазерного луча), при этом для обеспечения надежной вакуумной металлизации специальными операциями зенковки достигается конусообразная форма отверстий. Требуемое качество металлизации отверстий обеспечивается при толщине ее слоя не менее 20 мкм, поэтому, кроме методов вакуумного нанесения, в этом случае применяют гальваническое осаждение.
Несмотря на высокую разрешающую способность рисунка коммутации на каждой стороне подложки, в целом плотность коммутации очень мало отличается от аналогичной характеристики для МКП, выполненных, например, с применением толстопленочной технологии, из-за того, что она практически определяется технологией создания переходных отверстий, которая в обоих случаях одинакова. Более плотная система отверстий в жесткой подложке может быть создана приемами локального травления в фотоситаллах, но их механическая прочность для многоуровневых плат недопустимо низка.
МКП с использованием сквозного анодирования. Технология изготовления МКП с использованием анодного окисления осажденных слоев, например, алюминия, отличается от других способов получения тонкопленочных МКП отсутствием, рельефа при послойном формировании структуры МКП и позволяет практически исключить трудности металлизации "ступенек" диэлектрика в межслойных переходах (в окнах для межслойной коммутации). После нанесения слоя алюминия толщиной 5 - 10 мкм, формирование рисунка коммутации проводится не приемами избирательного травления, а избирательным, сквозным анодированием. Существенным ограничением этой технологии является необходимость прецизионного контроля качества выполнения сквозного анодирования, а также повышенное значение паразитной емкости между слоями.
МКП с использованием термопластов. Для многокристальных модулей с повышенной мощностью рассеяния разработан метод изготовления МКП на металлической подложке с использованием термопластов. На подложке методами тонкопленочной технологии создается первый слой коммутации и избирательным травлением формируются углубления для посадки кристаллов. С помощью термопластичного полимера осуществляется фиксация кристалла и межслойная диэлектрическая изоляция. Формирование второго слоя коммутации осуществляется одновременно с монтажом кристалла. Далее, после нанесения слоя термопласта, формируют следующий слой коммутации. Межслойная коммутация осуществляется через избирательно выращенные на нижних слоях коммутации металлические "столбики" либо другими способами.
К достоинствам метода следует отнести совмещение процессов монтажа кристаллов с процессами создания рисунка схемы, высокую плотность рисунка коммутации, эффективный теплоотвод от кристаллов, хорошее согласование по ТКЛР материалов в сопряженной системе МКМ и возможность ремонта. К недостаткам метода относятся: значительное ограничение типов кристаллов, устанавливаемых на подложке; проблемы автоматизации.
МКП с использованием гибких полимерных материалов. Многоуровневая разводка на гибких полимерных платах − одно из перспективнейших конструкторско-технологических направлений в развитии МКП для современных ЭВС. Способность принимать форму корпуса сложной конфигурации, малая масса и малые габариты, ударопрочность - далеко не полный перечень преимуществ гибких плат. В настоящее время в технологии изготовления гибких МКП широкое применение находит полиимидная пленка в качестве гибкого основания (табл. 2.3). При разработках МКП на полиимидных пленках наметились тенденции к использованию методов избирательного травления для создания переходных отверстий в гибкой подложке; применению вакуумных методов (магнетронное напыление) в сочетании с гальваническим наращиванием сплавов Sn-Bi, Sn-Ni либо Sn-Pbдля формирования коммутации на полимерных платах и металлизации переходных отверстий; применению групповой вакуумной пайки для получения межслойных соединений при сборке структуры МКП, к применению гибких МКП в сочетании с жесткими платами.
Гибкие МКП на полиимидной пленке изготавливаются на базе двухсторонних гибких КП толщиной 25 - 50 мкм, из которых в дальнейшем формируются многослойные пакеты. С помощью избирательного, двухстороннего травления гибких оснований (заготовок из полиимидной пленки) формируют отверстия диаметром 20 - 30 мкм (для пленки толщиной 25 мкм) и 50−70 мкм (для пленки толщиной 50 мкм), При двухстороннем травлении полиимида достигается требуемая для металлизации конусообразная форма отверстий. Изготовление коммутации выполняется приемами тонкопленочной технологии (магнетронное напыление и фотолитография), при этом получают структуру металлизации со слоями Cr-Cu, после чего следует избирательное гальваническое осаждение меди ("усиление" металлизации) и защитного покрытия из сплавов (например, Sn-Bi). Для получения двухслойной КП гибкую полиимидную плату с двухсторонней коммутацией чаще всего приклеивают на жесткое основание. Получение МКП с более чем двумя уровнями коммутации достигается установкой набора двухслойных плат (до 10 и более плат, в зависимости от конструкции МКП) на жесткое основание с контактными площадками для соединения с полиимидной КП через фигурные изоляционные прокладки (из полиимида). Причем соединение КП с контактными площадками жесткого основания (обычно это металлическая пластина с диэлектрической изоляцией) производится вакуумной пайкой через переходные металлизированные отверстия в двухслойных КП в местах, где они не изолированы полиимидными прокладками. Пайка в вакууме обеспечивает наиболее воспроизводимые условия протекания группового процесса пропаивания и способствует улучшению условий смачивания отверстий платы припоем.
Гибкие МКП в сочетании с жесткой платой служат для соединения навесных компонентов как на уровне микросборок, так и на уровне ячеек и блоков ЭВС. Монтаж гибких МКП на металлические платы, обеспечивает наиболее эффективный теплоотвод от устанавливаемых компонентов и необходимую жесткость конструкции.
К недостаткам гибких МКП следует отнести несколько повышенное у полиимидных пленок водопоглощение и термические усадки, которые следует учитывать при отработке технологического процесса изготовления таких плат.
Перспективные конструкторско-технологические разработки МКП
МКП с применением металлических подложек особенно перспективны для мощных ЭВС. Спецификой их изготовления является использование высокотемпературного (500 - 1000 ºС) вжигания в подложку паст на основе стекол, эмалей и других материалов. Особенностями МКП на эмалированных металлических подложках являются их относительная простота и дешевизна, повышенная теплопроводность, механическая прочность и ограничения по быстродействию из-за повышенной паразитной связи проводников с металлическим основанием.
Пластмассовые подложки, применяемые для изготовления МКП, недостаточно термостойки, поэтому нанесенные на них толстопленочные элементы избирательно фиксируются (отверждаются или преобразуются) с помощью фотохимической, тонкопленочной или другой технологии при температурах не выше 600 ºС. Все чаще для формирования коммутации на таких подложках используются методы избирательного (например, сеткографического) нанесения паст, пленок, красок, покрытий, припоя и т. п. При формировании коммутации в сплошных слоях толстопленочных композиций перспективны методы отверждения топологических элементов потоками быстрых электронов, а также методы электронно-лучевой либо
лазерной литографии. Достоинством пластмассовых подложек является меньшее, чем у керамических, значение диэлектрической проницаемости ( =2,5 - 5,6). Перспективно для многослойных КП на пластмассовых подложках также применение трафаретной печати с использованием электропроводящих чернил, изготовленных на эпоксидной, полиэфирной или акриловой основе с серебряным наполнителем. Такие чернила имеют отличную адгезию к большинству материалов и отверждаются при нормальной (комнатной) температуре.
Таблица 2.3
