автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Разработка и исследование перспективных СВЧ-микросборок с заглубленными компонентами

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ИСТОК"

На правах рукописи

Экз. № £

Иовдальский Виктор Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СВЧ МИКРОСБОРОК С

ЗАГЛУБЛЕННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Специальность 05.27.05. Интегральные радиоэлектронные устройства Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук /

ФХ

Научный консультант к.т.н. Ю.И.Молдованов

г. Фрязино 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение.................................................................................................5

1.1. Современное состояние и перспективы развития СВЧ ГИС и МСБ.....................10

1.1. Принципы построения РЭА и используемые материалы конструктивов.................. 10

1.2. Анализ существующих конструкторско-технологических решений СВЧ ГИС и МСБ. 19

1.3. Анализ влияния конструктивного исполнения на параметры СВЧ устройств........... 35

1.4.Влияние производственных процессов на параметры изготавливаемых СВЧ устройств.....................................................................................................46

1.5.Вывод ы............................................................................. .....................50

2.Моделирование и исследование характеристик конструкций СВЧ ГИС и МСБ.........52

2.1.Исследование влияния паразитных параметров на электрические характеристики СВЧ ГНС и МСБ.......................................................................................52

2.2.Исследование возможности улучшения тепловых характеристик СВЧ ГИС и МСБ за счет заглубления компонентов в Mi ll 1............................................................72

2.3. Выводы...................................................................................................96

3.Разработка перспективных конструкций элементов и узлов СВЧ устройств.............98

3.1. Конструкции СВЧ ГИС и МСБ с конденсаторами........................................ .....98

3 .2.Конструкции СВЧ ГИС и МСБ с кристаллами IUI.............................................103

3.3. Мощные СВЧ устройства............................................................................ 109

3 .4.Возможности увеличения плотности монтажа СВЧ устройств.............................. 126

3.5. Модернизация конструкции ГУН.................................................................. 134

3.6.Конструкция СВЧ МСБ с элементами из ВТСП.................................................136

3.7.Конструкции вакуумных ГИС и МСБ............................................................. 138

3 .8. Конструкции СВЧ устройств на многослойных МПП с заглубленными компонентами......................................................................................................... 140

3.9. Выводы................................................................................................... 150

4.Разработка и исследование процессов изготовления СВЧ устройств новых конструкций........................................................................................................ 151

4.1.Модернизация фотошаблонов и подложек для изготовления МПП........................ 151

4.2.Исследование точности формирования топологического рисунка МПП.................. 153

4.3.Исследование процесса химической очистки поликоровых подложек в производстве МПП...................................................................................................... 158

4.4. Исследование и разработка процессов формирования отверстий и углублений в

МПП...................................................................................................... 161

4.5.Технология сборки и монтажа кристаллов в углублениях платы............................200

4.6.Вывод ы...................................................................................................203

5. Исследование и анализ эффективности совершенствования СВЧ ГИС и МСБ.......... 204

5.¡.Улучшение электрических характеристик ГИС и МСБ новых разработок................204

5.2. Улучшение тепловых характеристик новых разработок.......................................213

5.3 .Улучшение массогабаритных показателей СВЧ устройств новой разработки............229

5.4. Выводы...................................................................................................231

Заключение..............................................................................................232

Литература..............................................................................................235

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

АФАР - активная фазированная решетка.

ГМИП - гибридно-монолитный интегральный прибор.

ГИС, БГИС - гибридные интегральные схемы, большие ГИС.

ГУН - генератор, управляемый напряжением.

КВЧ - крайне высокие частоты.

КПД - коэффициент полезного действия.

КСВН - коэффициент стоячей волны.

КУС - краевой угол смачивания.

МГВУ - микрополосковое гибридное вакуумное устройство.

МКП - многослойные коммутационные платы.

МПЛ - микрополосковая линия.

МФНУ - микрофотонаборная установка.

МПП - микрополосковые платы.

МСБ - микросборка.

НЧ - низкая частота.

ОИС - объемные интегральные схемы.

ОГИС и ОМСБ - объемные ГИС и объемные МСБ.

ПП - полупроводниковые приборы.

ПМУ - промежуточный монтажный уровень.

ПТШ - полевой транзистор Шотки.

ПЧ - промежуточная частота.

РЭА - радиоэлектронная аппаратура.

ССОИ - система сверхбыстрой обработки информации.

TBK - тепловыделяющий компонент.

ТВЭ - тепловыделяющий элемент.

TOB - тепловыделяющий выступ.

УВН - установка вакуумного напыления.

УМ - усилитель мощности.

ВВЕДЕНИЕ.

Современный период развития общества ознаменован нарастающими темпами научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности и в особенности в таких наукоемких, как радиоэлектроника. Во многом успехи развития радиоэлектроники базируются на тех достижениях которые получены в области микроэлектроники, создающей фундамент для разработки более сложных, принципиально новых устройств и получения уникальных свойств радиоэлектронной аппаратуры. Вместе с тем развитие радиоэлектроники и микроэлектроники сопровождается повышением требований к надежности работы, уменьшению массы и объема, а также снижению энергопотребления и трудоемкости изготовления электронных изделий.

Проблемы разработки изделий электронной техники нового поколения, отличающейся большей степенью интеграции, сложностью и универсальностью породили новую тенденцию развития микроэлектроники - комплексную микроминиатюризацию (КММ). [1]

КММ направлена на постоянное увеличение отношения функционального содержания устройства, сложности, степени интеграции к его материальному содержанию (массе, объему, стоимости). Поэтому естественно, что КММ использует новейшие достижения науки и техники в области физики, химии, математики, биологии и т.д. При этом требуется разработка новых методов формообразования конструкций и по-новому ставятся задачи обеспечения эксплуатационной надежности устройства. Повышение степени интеграции компонентов выражающееся обычно в количестве элементов на кристалл или на единицу площади кристалла, привело к появлению подобной оценки плотности компоновки, как плотности размещения элементов и (или) компонентов на единице площади монтажной плоскости. [1] и сопровождается развитием техники размещения компонентов в функционально-законченных блоках и устройствах. Появление же объемных или трехмерных гибридных и монолитных интегральных модулей (устройств) привело к появлению нового показателя - количество элементов и (или) компонентов на единицу объема.

Развивая идею объемной компоновки, с появлением объемных гибридных интегральных схем, а затем объемных интегральных модулей и даже блоков, появился подобный показатель и для них.

Актуальность работы. Успехи развития микроэлектронных устройств во многом связаны с достижениями техники гибридных интегральных схем (ГИС), больших ГИС (БГИС), микросборок (МСБ). Именно гибридная технология позволяет решать задачи существенного повышения технических характеристик проектируемых устройств СВЧ диапазона.

Существующие конструкторские решения и технологические методы изготовления СВЧ ГИС не позволяют в полной мере удовлетворить задачам проектирования и реализации новых оригинальных конструкций СВЧ ГИС и МСБ с улучшенными электрическими, массо-габаритными и тепловыми характеристиками, а также повышенной надежностью. Создание нового поколения СВЧ ГИС с улучшенными характеристиками наталкивается на отсутствие эффективных конструкторских решений либо рекомендаций и адекватных физико-математических моделей, технологических методов формообразования сложнопрофильных подложек для микрополосковых плат (МПП), методик расчета эффективности модернизации конструкции и технологии изготовления таких устройств. Поэтому задачи, связанные с совершенствованием конструкции и технологии СВЧ ГИС и МСБ с целью улучшения их электрических, тепловых и массогабаритных характеристик, а также с повышением эксплуатационной надежности практически необходимы и актуальны.

Цель работы. Разработка и исследование новых конструкций и технологий изготовления СВЧ ГИС и МСБ на основе микрополосковых плат (МПП) с заглублением в них корпу-сированных либо бескорпусных компонентов, что позволяет улучшить электрические и тепловые характеристики, а также массогабаритные показатели СВЧ устройств.

Постановка задачи. Исходя из сформулированной цели, в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Анализ имеющихся и разработка новых перспективных конструкций СВЧ устройств и технологии их производства.

2. Моделирование и исследование электрофизических и тепловых параметров, сравнительный анализ известных и новых СВЧ устройств.

3. Совершенствование конструкций конкретных СВЧ устройств.

4. Разработка и исследование технологии изготовления МПП с углублениями и ГИС (МСБ) на их основе.

5. Исследование и анализ эффективности совершенствования СВЧ ГИС и МСБ.

Объектом исследования являются СВЧ ГИС и МСБ с заглубленными в МПП элементами и компонентами и технология их изготовления.

Предметом исследования служат электрические, тепловые и массогабаритные характеристики СВЧ ГИС, технологические операции и маршруты их изготовления, а также электрофизические параметры и состав материала подложек.

Метод исследования - комплексный, характеризуемый последовательным использованием современных теоретических представлений и методик по обработке сигналов в СВЧ устройствах, теории теплопередачи в них, ЭВМ, технологических методик, спектрального анализа и вероятностного анализа.

Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:

1. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами и патентами новые конструкции различных СВЧ устройств с элементами и компонентами в МЛН с улучшенными электрофизическими и тепловыми характеристиками и массогабаритными параметрами.

2. Исследованы возможности улучшения тепловых характеристик СВЧ устройств за счет заглубления компонентов в МШТ с применением машинного моделирования.

3. Разработаны технологические процессы реализации разработанных СВЧ устройств.

4. Разработаны и исследованы конструкции СВЧ устройств частного применения с заглубленными компонентами.

5. Исследовано влияние технологических режимов выполнения отдельных производственных операций на выходные параметры изготавливаемых устройств во взаимосвязи с конструктивными особенностями.

6. Исследован состав приповерхностных слоев подложки после углетермического травления углублений.

Научные положения выносимые на защиту.

1. Существенное улучшение комплекса параметров ГИС и МСБ СВЧ устройств достигается размещением элементов и компонентов в углублениях МШТ с обеспечением: планарно-сти рабочей поверхности, оптимальных зазоров, составляющих величину 0,05...0,15 мм между компонентами и стенками углубления и заполнением связующим теплоогводящим веществом.

2. Использование в качестве диэлектрика конденсаторов материала подложки Mliii путём её локального утончения позволяет изготовить монолитные конденсаторы, улучшать параметры ГИС и МСБ СВЧ и повысить их надёжность.

3. Создание комбинированных систем теплоотвода от тепловыделяющих элементов ГИС и МСБ (кристаллов полупроводниковых приборов и пленочных резисторов) позволяет значительно (в случае кристаллов в 2 раза, а в случае резисторов - до 8 раз) снизить температуру их перегрева.

4. Разработанные алгоритмы использования оригинальных и оптимизированных известных технологических приемов позволяют реализовать оптимальные технологические маршруты изготовления сложнопрофильных МШТ для перспективных ГИС и МСБ СВЧ.

Практическая ценность. Разработаны, исследованы и защищены 29s авторскими свидетельствами СССР и патентами России новые перспективные конструкции СВЧ ГИС и МСБ и

технологические процессы их реализации.

Результаты исследований опубликованы в 23- статьях.

Предложено размещение элементов и компонентов в углублениях Ml 11 1 с обеспечением планарности рабочей поверхности устройства, с обеспечением зазоров между компонентами и стенками углублений при дозированном заполнении последних связующим теп-лопроводящим веществом.

Разработаны перспективные конструкции СВЧ устройств частного применения с заглубленными компонентами и улучшенными параметрами.

Разработаны конденсаторы ГИС и МСБ СВЧ в составе Ml 111 с использованием в качестве диэлектрика конденсаторов мембран, выполненных из материала подложки путем ее локального утонения.

Предложены и унифицированы конструкции фотошаблонов и подложек с углублениями для производства МПП.

Разработаны новые оригинальные конструкции СВЧ ГИС и МСБ с улучшенными характеристиками за счет заглубления элементов и компонентов в объеме МПП, применения многослойных конструкций МПП, использования теплоотводящих вставок, теплоотводящих выступов, специальных конструкций теплоотводов и структуре ГИС и МСБ.

Разработаны технологические операции и маршруты для призводства МПП и СВЧ устройств.

Разработаны конструкторско-технологические рекомендации для оптимизации параметров СВЧ устройств.

Полученные результаты использованы при разработке и внедрении в серийное производство маршрутных карт ТС0.710.903МК, ТС0.710.904МК, ТС0.034.749МК, ТС0.034.750МК, ТС0.034.751МК, КРПГ.741.291.001МК1. По результатам проведенной работы разработаны и внедрены стандарты предприятия СТП ТС0.010.013-86. Платы микро-полосковые. Технические требования. [2]; СТП ТСО.019.017-88. Платы микрополосковые. Фотошаблоны. Технические требования. [3] И отраслевой руководящий документ РД11.0751-90 [4]. Внедрение результатов исследования по переводу производства МПП на модернизированную технологию с использованием разработанной конструкции фотошаблонов и результатов совершенствования отдельных технологических операций позволило получить экономический эффект при серийном производстве МПП в цехах 33 и 31 завода "Рений" НПО "ИСТОК". [5]

Оценка эффективности улучшения конкретных устройств на базе СВЧ ГИС и МСБ новых конструкций показала целесообразность и перспективность результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались : На научно-техническом семинаре НПО "ИСТОК", 1990г.; на 5-й Всесоюзной школе-семинаре "Математическое моделирование САПР и конструкторско-технологическое проек-

тирование объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ и КВЧ диапазона", г.Тула, 1990г.; на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение лазерных технологий в машиностроении и приборостроении, НПО "Корпус", г.Красногорск (Москва), 1991г.; на 6-й Межгосударственной школе-семинаре "Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ", г.Москва, 1992г.; на 3-й Крымской международной конференции "СВЧ техника и спутниковый прием", г.Севастополь, 1993г.; на 4-й Крымской международной конференции "СВЧ техника и спутниковый прием", г.Севастополь, 1994г.; на секции Межотраслевого экспертного совета по содействию внедрению научно-технических достижений, ВНИИМИ г.Москва, 22.09.1994г.

Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 23 печатных работы, 3 научно-технических отчета и 3 стандарта. Новые конструктор-ско-технологические решения нашли отражения в материалах 29 заявок на изобретение, на которые получено 2 авторских свидетельства, 9 патентов, 18 положительных решений о выдаче патентов России.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 133 страницах, содержит ¿¿>7 рисунков, и список литературы на ££0 наименований.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СВЧ ГИС И МСБ.

1.1.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РЭА И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

КОНСТРУКТИВОВ.

Совершенствование конструкций и технологии изготовления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), работающей в СВЧ диапазоне, имеет свою специфику. Особенности функционирования СВЧ устройств, предъявляют с ростом частоты обрабатываемого сигнала все более жесткие требования к применяемым схемотехническим и конструкторско-технологическим решениям.

Твердотельная микроэлектроника в последние 20 лет завоевала прочные позиции при разработке изделий электронной техники СВЧ диапазона. Этому способствовали успехи в изучении новых физических явлений в полупроводниках, таких как лавинно-пролетный эффект, эффект Ганна и т.д., разработка микрополосковой техники на различных линиях передачи, разработка и освоение технологии создания изделий элементной базы на новых материалах. Современная РЭ