1.4 Перспективные типы конструктивных реализаций ЧФ СВЧ и перспективные технологии их изготовления

Широкое распространение получила гибридная технология на основе керамики с низкой температурой обжига (КНТО, англ. Low Temperature Cofired Ceramics - LTCC).[25]

В технологии многослойных интегральных схем на основе керамики с низкой температурой обжига можно выделить два самостоятельных процесса: изготовление керамических листов и изготовление многослойных структур на их основе.

Изготовление керамических листов представляет собой процесс, в котором композитный раствор в виде суспензии, состоящей из частиц керамики, боросиликатного стекла и различных модификаторов, наносится на плоскую поверхность, называемую основой.

Разделяют два метода нанесения раствора: метод раскатывания и метод покрытия. При использовании метода раскатывания (Рисунок 1.12 а) основа перемещается относительно резервуара с раствором. Суспензия выдавливается через щель, ширина которой и определяет толщину раскатываемых листов. При использовании метода покрытия (Рисунок 1.12 б) гибкая основа протягивается через резервуар с раствором. В результате основа оказывается покрытой тонким слоем суспензии. В этом случае параметрами, определяющими толщину керамического листа, являются вязкость состава, скорость движения основы и угол, под которым основа выходит из раствора. Данный метод применяют при промышленном производстве конструкций на основе КНТО.

Рисунок 1.12 - Изготовление керамических листов методом раскатывания (а) и методом покрытия (б)

После обрезки и температурной обработки получается, так называемые, «сырые» (необожженные) керамические листы толщиной 20-200 мкм. Свойства керамических листов определяются их химическим составом, в частности, используемыми модификаторами.

К основным электрическим характеристикам керамики относятся относительная диэлектрическая проницаемость материала и тангенс угла диэлектрических потерь tg; температурным - линейный коэффициент теплового расширения (ЛКТР) и теплопроводность; механическим - модуль Юнга и прочность на изгибе. В таблице 1.1 представлены характеристики керамики с низкой температурой обжига от ведущих мировых производителей в сравнении с наиболее популярными материалами подложек традиционных гибридных интегральных схем СВЧ.

Таблица 1.1

Технологический процесс изготовления многослойных структур на основе готовых листов КНТО состоит из нескольких этапов (Рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Технологический процесс изготовления интегральных схем на керамике с низкой температурой обжига

Вначале листы нарезают в размер при помощи резака или лазерного луча умеренной мощности, чтобы предотвратить преждевременный обжиг КНТО. Некоторые материалы (например, DuPont Green Tape) перед проведением последующих технологических операций требуют предварительной просушки.

Затем механическим способом или лазером в листах пробиваются отверстия для межслойных соединений. Минимально возможный диаметр отверстий зависит от способа пробивки и вязкости проводящей пасты, которая должна полностью заполнить отверстие для обеспечения надежного межслойного соединения. При механической пробивке минимальный диаметр отверстий составляет около 100 мкм, при пробивке лазером - до 25 мкм, в любом случае он должен превышать толщину керамических листов. После пробивки производится заполнение отверстий проводящей пастой через трафареты из нержавеющей стали толщиной 150-200 мкм. Для нанесения пасты применяется ракель или специальный экструзионный пресс с давлением в 4-4,5 бар.

На следующем этапе на керамические листы методом трафаретной печати наносится рисунок топологии проводящих слоев интегральной семы. Минимально реализуемые значения ширины проводников и расстояний между ними ограничены разрешающей способностью трафаретной печати и составляет около 100 мкм и 100 мкм соответственно. Реализация более узких проводников требует применения специальных методов, усложняющих технологический процесс. В настоящее время эти методы используются для создания экспериментальных устройств и пока не получили распространение в промышленном масштабе.

К таким перспективным методам формирования рисунка топологии относится метод, который сочетает толстопленочную технологию с процессом фотолитографии. При этом на керамических листах равномерно наносят фоточувствительную проводящую пасту (например, DuPont Ag 6453), по которой затем выполняют фотолитографию с использованием фотошаблона (Рисунок 1.14). Разрешающая способность данного метода составляет 30 мкм/30 мкм.

Рисунок 1.14 - Использование фотолитографии для изготовления узких проводников

После заполнения отверстий для межслойных соединений и нанесения проводящих слоев производится сушка в течении 5-30 мин при температуре 80-120° С в зависимости от типа материала.

Керамические листы с нанесенными топологическими рисунками собираются в «стек» и затем под давлением сводятся вместе - ламинируются. Существует два способа ламинирования. Первый способ - так называемое, одноосное ламинирование - заключается в том, что стопка листов помещается на 10 минут под механический пресс с давлением 200 бар, разогретой до 70°С. Данный способ не подходит для многослойных структур, в которых предполагается наличие полостей, вскрытых окон и т. д. Основной проблемой одноосного ламинирования является «растекание» керамики на краях. Это приводит к изменению толщины отдельных участков каждого листа, что в ряде случаев оказывается критическим, особенно для СВЧ-применений.

Второй способ - изостатическое ламинирование. Стопка листов в вакууме упаковывается в фольгу и подвергается давлению в 350 бар в камере с горячей водой. Температура и время выдержки примерно такие же, как и в случае одноосного ламинирования. При этом способе удается добиться меньших деформаций керамических листов по сравнению с одноосным ламинированием.

На заключительном этапе ламинированный стек из керамических листов помещается в печь, где листы спекаются между собой в процессе обжига. Скорости нагрева и охлаждения, а так же максимальные температуры и время выдержки на каждом этапе могут варьироваться для разных типов керамики. Это связано с отличием в химическом составе КНТО различных производителей. Максимальная температура, при которой производится обжиг (800-900°С), не превышает температуры плавления большинства металлов.

Сравнительно низкая температура обжига позволяет использовать проводящие пасты на основе металлов с высокой удельной электропроводимостью (Ag, Au) и обеспечить тем самым малые потери в СВЧ-диапазоне. Типовые параметры проводящих паст, совместимых с основными системами КНТО, приведены на рисунке 1.15

В процессе обжига в керамических листах выгорают связующие компоненты, вследствие чего многослойная структура дает усадку в среднем на 15-20%, в общем случае неодинаковую по разным направлениям.

Из-за усадки изменяются геометрические размеры элементов интегральной схемы, толщина диэлектрических слоев и т.д. Проектирование многослойных ИС СВЧ должно вестись с учетом коэффициентов усадки, которые приводятся производителем КНТО в техническом паспорте материала. В последнее время появились диэлектрические материалы с нулевой усадкой в плоскости листа, что позволяет реализовать компоненты с большей точностью. Тем не менее, усадка керамики в вертикальном направлении остается пока неразрешимой проблемой.

После процесса обжига получается многослойная ИС, представляющая собой совокупность требуемого числа диэлектрических слоев и размещенных между ними плоских токонесущих проводников заданной топологии. На завершающем этапе на полученную интегральную схему могут монтироваться навесные элементы: активные СВЧ-компоненты, антенны, микроконтроллеры и др.

Таблица 1.2

Основные преимущества технологии:

более экономичное производство по сравнению с толстопленочной технологией;

проектирование и производство 3D-контуров;

возможность вырезания подложек любой формы;

количество рабочих слоев не ограниченно;

возможность размещения пассивных компонентов внутри подложки, что уменьшает размер контуров более чем на 50% по сравнению с печатными платами;

хорошая теплопроводность по сравнению с печатными платами;

рабочая частота свыше 30 ГГц;

рабочая температура до 350єС;

температура обжига порядка 850є С позволяет применять материалы с малыми удельным сопротивлением, такие как золото и серебро, вместо молибдена и вольфрама, которые используются в высокотемпературной технологии;

каждый слой инспектируется до сборки модуля и, при необходимости, может быть заменен, что повышает процент выхода годных изделий;

отличная герметизация слоев;

технологический цикл многослойных керамических модулей экологически чист и компактен;

отсутствие химических процессов;

многие процессы могут быть автоматизированы при серийном производстве;

сокращение производственных циклов по сравнению с обычными толстопленочными технологиями[23].

Еще одним видом многослойных технологий является технология на основе керамики с высокой температурой обжига (High Temperature Cofired Ceramics - HTCC).

Основное отличие технологии на основе высокотемпературной керамики от низкотемпературной в том, что спекание слоев происходит при температуре выше 1000єС. Такая технология нашла свое применение в микроэлектронике для корпусирования сенсоров, SMD, оптических и силовых элементов, в качестве нагревателей и теплоотводов, а так же при производстве интегральных схем и компактных модулей.