автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Технология и конструкирование высокостабильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ гибридных интегральных схем

/1

ол

Д1:К 1ДЯ7

На правах рукописи

КРЮЧАТОВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПЛЕНОЧНЫХ И МОЩНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ СВЧ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Специальность 05.12.21- Радиотехнические системы специального назначения.

включая технику СВЧ и технологию их производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1997

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева (КАИ) и в Казанском научно-исследовательском институте радиоэлектроники.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор И.К. Насыров

Научный консультант:

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Ф.А. Карамов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н.З.Сафиуллин кандидат технических наук P.P. Зиганшин

Ведущая организация:

Казанский научно-исследовательский радиотехнологический институт.

Защита состоится «

»

1997г. в

час.

на заседании диссертационного совета ССК 063.09.02

Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Адрес: 4201 П. г. Казань, ул. К. Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ Автореферат разослан « 21 »> //__1997г.

»

1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.А. Козлов

ч I

1.0БЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Применение гибридных интегральных схем (ГИС) в радиоэлектронной аппаратуре ' (РЗА) позволяет существенно улучшить параметры аппаратуры и открыть долговременную перспективу ее поэтапного совершенствования. Анализ современного состояния в области технологии и конструирования пленочных ГНС для сложных радиотехнических систем показывает. что ГИС имеют низкую серийноспособность вследствие отсутствия унифицированных конструктивных и технологических решений, обеспечивающих высокое качество РЭА.

Создание высокостабильных прецизионных пленочных резисторов требует разработки конструкций, методики расчета и технологии их изготовления для обеспечения низких контактных сопротивлении и минимальных размеров. Необходимо также разработать способы доводки резисторов без ухудшения их стабильности.

До настоящего времени для мощных СВЧ ГИС в литературе отсутствуют сведения, касающиеся влияния технологии защитных покрытий на потери в микрополосковых линиях (МПЛ), отсутствуют данные по предельной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов при воздействии на них мощного импульсного СВЧ сигнала.

В качестве навесных компонентов в области инфранизких частот для ГИС перспективно применение электрохимических концентрационных преобразователей (ЭКП). Известные конструкции электрохимических триодов и тетродов имеют большие габариты, вес и потребление энергии, что не позволяет использовать их в качестве навесных компонентов ГИС. Производство этих элементов не налажено, что. в частности, связано с недостаточной разработкой вопросов технологии их изготовления. ,

Поэтому в настоящее время актуальными являются следующие проблемы:

• создание базовой конструкции и технологии изготовления высокостабильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ ГИС;

• разработка высокостабильных миниатюрных ЭКП для .ГИС в области инфранизких частот.

Цель работы: создание базовой конструкции и технологии изготовления высоко.ста-бильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ ГИС для специальной РЭА; разработка конструкций и технологии изготовления высоко стабильных миниатюрных ЭКП для ГИС в области инфранизких частот.

Задачи исследования. Достижение указанной цели предполагает проведение следующих основных конструкторско-технологических исследований и разработок:

1. Анализ известных технологических процессов (ТП) и разработка базового маршрута изготовления тонкопленочных и микрополосковых плат, обеспечивающего более высокое качество РЭА на основе ГИС.

2 . Исследование влияния технологии изготовления и материалов контактов на вели, чину сопротивлений тонкопленочных резисторов и разработка методики их расчета с учетом переходного сопротивления контакта.

3. Разработка конструкций и способов доводки прецизионных резисторов без ухудшения их стабильности.

4 . Исследование влияния технологии и материалов пленочных слоев на потери в микрополосковых линиях СВЧ ГИС в диапазоне частот 1-1.5 ГГц.

5. Исследование предельной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов при воздействии на них импульсного СВЧ сигнала и разработка рекомендаций по их конструированию.

6. Разработка конструкций и технологии изготовления высокостабильных миниа- . тюрных ЭКП, пригодных для их применения в качестве компонентов ГИС. для области ин-франизких частот.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись экспериментальные и теоретиковероятностные методы исследования.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах, которые выносятся на защиту:

1. Установлена взаимосвязь технологических факторов при изготовлении контактных пленочных соединений, на основании которой предложены материалы контактов и разработана технология изготовления тонкопленочных резисторов из Та, РС5406К, РС3710, К50С со съемом вакуума после напыления резистивных слоев для получения низких удельных переходных сопротивлений контактов рк= 10"4 - 10"5 Омсмг, что на один-два порядка меньше рк в известной технологии без съема вакуума после напыления резистивного слоя. Разработан метод инженерного расчета резисторов с учетом рк . ,

2. Разработан способ лазерной доводки тонкопленочных резисторов по фоторези-стивному слою в сторону увеличения сопротивления. Показано, что, по сравнению с известными способами доводки резисторов лазером до их защиты фоторезистом, в предлагаемом способе возможно сохранение стабильности резисторов за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне реза.

3. Экспериментально установлены оптимальные режимы подгонки толстопленочных резисторов из серебро-паладиевых паст расфокусированным лучом лазера в сторону уменьшения сопротивления на (15-30)% при сохранении их стабильности после подгонки.

4 . В результате анализа экспериментальных данных о влиянии материалов и технологии изготовления пленочных слоев в структуре У-Си-№-Аи на потери в МПЛ на частотах 1-1.5 ГГц показано, чго, вопреки общепринятому положению, на потери в МПЛ значительное влияние оказызает защитный слой несмотря на удаленность его от поверхности полложки на расстояние, значительно превышающее три скин-слоя. На основе установленного фактора разработана технология изготовления золотого покрытия из фосфатного электролита золочения с платиновыми .анодами, позволяющая получить минимальные потери (1.1-1,2) дБ/'м в структуре У-Сив-Сиг-К1г-Аиг, что в три раза меньше уровня потерь при применении рекомендуемой стандартом технологии золочения из лимонно-кислого электролита.

5. В результате анализа физики отказов резисторов показано, что, в отличии от непрерывного режима работы, на величину предельной импульсной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов существенно влияют три фактора: качество поверхности подложки, физические свойства резистивной пленки и теплопроводность диэлектрической пленки, дополнительно напыленной на резистор. Получены экспериментальные данные по удельной предельной импульсной мощности рассеяния для наиболее распространенных резистивных материалов. Показано, что покрытие резисторов пленкой $¡¡N4 с высокой теплопроводностью позволяет увеличить предельную импульсную мощность рассеяния резисторов в 5-10 раз. Предложен метод расчета площади резистора при импульсной нагрузке по величине удельной предельной импульсной .мощности.

6. Разработаны конструктивно-технологические вопросы создания высокостабильных миниатюрных ЭКП с пленочными стеклянными покрытиями для навесных элементов ГИС в области инфранизких частот. Получены данные по стабильности параметров миниатюрных электро-химических триодов(ЭХТ) с пленочными покрытиями из ЭЮ, БЮг. стекла С89-2 с йод-иодидным и ферро-феррицианидньм электролитами, объем электролита в которых. в 50-100 раз меньше объема электролита в известных ЭКП. Показано, что для получения высокой стабильности параметров (не хуже 1-2% за 24000 ч работы) необходимо применять пленочные покрытия из стекла и йод-иодидный электролит. Стабильность ЭХТ с другими покрытиями и ферро-феррицианидным электролитом на порядок хуже.

Практическая ценность работы

1. На основе анализа известных конструкций и маршрутов изготовления ГИС, а также экспериментальных исследований предложены базовые конструкция и маршрут изготовле-

ния пассивной части ГИС. для специальной РЭА. обеспечивающие ее серийноспособность. Базовый маршрут изготовления ГИС основывается на раздельном формировании предложенной структуры РС-У-Сив-Сиг-№г-Аиг методом гальванического осаждения проводниковых слоев в окна фоторезиста.

2. Разработано два новых маршрута изготовления проводников в ГИС:

. гальваническое осаждение проводниковых слоев по подслою в зазоре для структуры Сг-Сив-Сиг-Аиг;

. гальваническое осаждение проводниковых слоев с использованием тонких пленочных технологических перемычек для структуры У-Сив-Сиг>лг-Аиг1

Разработанные маршруты, по сравнению с известными технологиями, позволяют в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников при воздействии окружающей среды.

3 . Разработана технология изготовления тонкопленочных резисгорон со съемом вакуума после напыления резистивных пленок, позволяющая получать низкие удельные переходные сопротивления контактов рк = КГ4 - 10° Ом-см\ что на один-два порядка меньше рк по сравнению с известной технологией изготовления резисторов без съема вакуума после напыления резистивного слоя.

4 . Разработана технология лазерной доводки тонкопленочных резисторов, по фото-резистивному слою. По сравнению с известной технологией доводки резисторов до их защиты фоторезистом, предложенная технология позволяет повысить стабильность резисторов в 3-4 раза за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне ре-за.

5. Разработана технология термической лазерной подгонки толстоппеночных резисторов из серебро-палладиевых паст в сторону уменьшения сопротивлений на ('5-30) % при сохранении их стабильности после подгонки.

6. Разработана конструкция толстопленочного подгоняемого резистора, позволяющая исключить повреждение подложки при подгонке за счет введения диэлектрического слоя, расположенного под резистивным слоем, что ослабляет энергию лазерного луча. Конструкция резистора защищена авторским свидетельством на изобретение. Разработана конструкция толстопленочного подгоняемого резистора, в которой путем введения подгоночных секций в два раза повышается точность подгонки и снижается плотность тока при работе резистора после проведения подгонки. Конструкция резистора защищена авторским свидетельством на изобретение.

7 . Разработаны конструкции и технология изготовления тонкопленочных резисторов из тантала и с покрытием из $¡¡N4, обеспечивающие предельную удельную импульсную мощность рассеяния 94-250 кВт/см2, что на порядок превышает предельную удельную импульсную мощность рассеяния резисторов из сплавов РС3710, РС5406К.

8. Разработана технология золочения из фосфатного электролита с платиновыми анодами, позволяющая получить минимальные потери (1,1 - 1,2) дБ/м в структуре V-Cu-Ni-.Au, что в три раза меньше уровня потерь при применении рекомендуемой стандартом технологии золочения из лимонно-кислого электролита с анодами из нержавеющей стали.

9. Разработаны миниатюрные конструкции и технология изготовления высокостабильных электрохимических триодов и тетрода, отличающиеся от существующих конструкций отечественных и зарубежных аналогов более чем на порядок меньшими габаритами, весом и потребляемой мощностью, что позволяет применять их в качестве навесных компонентов в ГИС для области инфранизких частот. Конструкции ЭХТ защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение, Конструкция тетрода защищена авторским свидетельством на изобретение. ЭХТ нашли применение в инфранизкочастотных фильтрах, которые внедрены в ряде организаций.

1С. Создана установка механизированной сборки электрохимических преобразователей на операциях изготовления металлостеклянных спаев, что позволило исключить ручные операции с применением стеклодувных горелок и повысить точность сборки.

Реализация результатов ц внедрение

Комструкюрско-к'хнологические требования и ограничения на разработку топологии тонкопленочных и мпкрополосковых плат ГИС, а также технологические процессы их изготовления внедрены в опытное и серийное производство специальной РЭА в КНПЦ ИРЭК (г. Казань) и на заводе «Микрон» (г. Киев).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 1 Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и рааиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах» (г.Ялта. 1990 г.); Всесоюзной, конференции по интегральной электронике СВЧ (г.Новосибирск, 1988г.); Межреспубликанской конференции «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения (г.Казань. 1988г.); VII Всесоюзной конференции по электрохимическим преобразователям информации (г. Казань, 1975г.); IX Всесоюзной кон-

ференции по молекулярной электронике (г.Москва, 1978г.); IX Всесоюзной конференции по микроэлектронике (г.Казань, 1980г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и приложений. Работа содержит 257 страниц машинописного текста. 76 рисунков и 18 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований - проблемы создания базовой конструкции и технологии изготовления высокостабильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ ГИС, а также ЭКП для ГИС. работающих в области инфра-низких частот; определена цель и основные задачи работы; приводится структура работы.

В первой главе приведены результаты анализа научно-технической и патентной ли- • тературы, а также нормативно-технической документации тринадцати ведущих предприятий отечественной промышленности в области технологии и конструирования высокостабильных прецизионных пленочных и мощных микрополосковых СВЧ ГИС. а также ЭКП. На основе этого анализа показана необходимость проведения исследований.контактных сопротивлений в пленочных резисторах, способов доводки резисторов при сохранении их стабильности, потерь в МПЛ и предельной импульсной мощности рассеяния резисторов с целью повышения качества и конструкторско-технологической унификации пленочных и СВЧ ГИС. Показана необходимость проведения технологических исследований с целью разработки конструкций миниатюрных ЭКП для элементной базы ГИС в области инфранизких частот.

На основании проведенного анализа формулируются задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены материалы по технологическим исследованиям с целью разработки базового (унифицированного) маршрута изготовления гонкопленочных и микрополосковых плат.

Предложена структура МПЛ: У-Сив-Сиг-№г-Аиг и базовый маршрут изготовления пассивной части ГИС, основанный на раздельном формировании резистивных и проводниковых слоев методом гальванического осаждения Сиг-№г-Аиг в окна фоторезиста.

Показано, что технология, основанная на гальваническом усилении тонкой меди, напыленной в вакууме, по сравнению с другими известными маршрутами, имеет низкую трудоемкость при изготовлении плат, обеспечивает лучшее качество МПЛ: меньшие потери, большую электрическую прочность, является более прецизионной и позволяет получать надежную металлизацию торцев и отверстий.

Предложен способ гальванического осаждения проводниковых слоев по подслою в зазоре, отличающийся от известного способа тем, что с целью повышения равномерности осадка по толщине, в пробельные места введен временный технологический слой меди толщиной 1,5 ± 0,5 мхм. с оставлением зазора до всех проводников 50-100 мкм по всему полю подложки. Проведенные технологические исследования позволили выявить, что этот маршрут пригоден для формирования структуры Сг-Сив-Сиг-Аиг, причем, по сравнению с методом осаждения проводников по подслою, обеспечивается в .5 раз меньше разброс меди по толщине. '

Разработан маршрут изготовления плат методом гальванического осаждения проводниковых слоев с использованием "тонких" пленочных технологических перемычек. В отличии от известной технологии в предлагаемой технологии пленочные перемычки, формируемые на этапе I фотолитографии, сразу же после удаления фоторезиста защищаются локально фоторезистом на этапе II фотолитографии. Поэтому при последующих гальванических процессах медь, никель и золото осаждаются только на основные проводники. Это позволяет существенно упростить и удешевить технологию изготовления плат с использованием пленочных технологических перемычек и в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников при воздействии окружающей среды.

Третья глава посвящена технологии и конструированию высокостабильных прецизионных пленочных резисторов в интегральных схемах.

Экспериментальные исследования показали, что на стабильность тонкопленочных резисторов и погрешность их изготовления существенно влияют контактные сопротивления. Теоретические расчеты показывают также существенное влияние величины рх на площадь "контактных зон", что приводит к большим размерам резисторов при большой величине рк .

Было предположено, что при раздельном формировании резистивных и проводниковых слоев на величину рк существенное влияние оказывает материал подслоя и технология межоперационной очистки подложек перед напылением проводникового-слоя. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили это предположение.

Для обеспечения минимального рх разработана технология межоперационной очистки подложек в хромовой смеси состава К:Сг,07 - 80г, Н2304 - 1л по режиму: температура об-

работки 20±5°С, время выдержки 30-40с. Увеличение или уменьшение времени выдержки приводит к увеличению величины рк .

Данные по величине р„ , для исследованных материалов, представлены в таблице I, из которой следует, что подслой из V, по сравнению с подслоем из Сг, обеспечивает на порядок меньше рк.

Таблица I

Удельные переходные сопротивления контактов тонкопленочных резисторов

№ Материал Удельное поверх- Материал подслоя Удельное переход-

п/п резистивного ностное сопротив- ное сопротивление

слоя ление, Ом/а контакта, Ом си2

Ванадий (7,5^2,5)10°

I РС5406К 50 Хром (40+36)10"*

2 РС3710 500 Ванадий Хром (4±1)10° (35±27)10~1

Нитрид тан- Ванадий (5+1)10"*

4 тала , 50 Хром (8±2)10"5

Разработана методика расчета тонкопленочных резисторов с учетом переходного сопротивления контакта для получения номинальных значений сопротивлений резисторов при их изготовлении.

Необходимость учета сопротивления контакта для симметричного допуска на резисторы предложено определять по формуле:

Я Л

где Кк - сопротивление контакта; ЛЯ - величина отклонения резистора от его номинального значения Л; 3 - коэффициент (5<1), допускающий величину погрешности, вносимой контактным сопротивлением в общую погрешность изготовления резистора.

Погрешность, вносимая контактными сопротивлениями, в величину сопротивления резистора определяется по формуле:

2ПК 2 ¡л

п - г II - (2)

Я Ь\рп

где Ь - длина резистора; Рп - удельное поверхностное сопротивление.

Из (I) и (2) определяется минимально-допустимая длина резистора , при которой контактные сопротивления можно не учитывать:

(К

Я

Если расчетная длина резистора , то ширина резистора рассчитывается пб обыч-. ной методике. При Ьк ширину резистора предлагается рассчитывать по формуле:

рпЬ +2 УРпА- ...

В----. (4)

Предложен способ лазерной подгонки тонкопленочных резисторов по фоторезистив-ному слою. Проведенные технологические исследования и испытания показали, что, в отличии от известного способа доводки резисторов до их зашиты фоторезистом, предлагаемый способ не ухудшает стабильности резисторов после их доводки.

Проведены технологические исследования возможности подгонки толстопленочных резисторов ГИС на основе серебро-палладиевых паст в сторону уменьшения сопротивления с помощью лазера. Оптимальные режимы подгонки, при которых не ухудшалась стабильность резисторов, лоотнгались при максимальном диаметре расфокусированного луча 250 мкм на частоте 19 кГц в режиме внутренней модуляции при токе накачки лампы лазера 34+1 А) Получены зависимости изменения сопротивлений резисторов с удельным поверхностным сопротивлением 50 Ом/П , 500 Ом/П, 1000 Ом/П и 6000 Ом/а от площади обработки. Показано. что при подгонке резисторов из паст с рп равным (50 - 6000) ОмУ~ допускается уменьшение их сопротивления на (15-30)%.

Предложена конструкция толстопленочного резистора, в которой под резистивным слоем в зоне подгонки помещены диэлектрический и проводящий слои, практически исключающие повреждение подложки при подгонке резистора.

Предложена конструкция толстопленочного подгоняемого резистора, в которой введен подгоночный элемент, позволяющий повысить в два раза точность подгонки и уменьшить плотность тока через резистор после его подгонки.

Проведенные конструкторско-технодогические исследования и разработки позволили решить проблему создания высокостабильных прецизионных резисторов в пленочных ГИС для контрольной аппаратуры и источников вторичного электропитания с допуском ±10,5 - 1)%.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технологии и конструирования проводников и резисторов, работающих при импульсной нагрузке, в микрополосковых СВЧ интегральных схемах (ИС) в диапазоне частот 1-1,5 ГГц.

В технической литературе имеются сведения о существенном влиянии адгезионного подслоя и состояния поверхности подложки на потери в МПЛ, что связано с протеканием больших токов на границе полосок-подложка. В то же время считается, что защитный слой слабо влияет на характеристики МПЛ вследствие удаленности от диэлектрика на величину большую, чем три скин-слоя. Однако переход от структуры МПЛ Cr-Cuв-Ag на структуру У-Си0-Сиг-М1г-Аиг привело к увеличению потерь в 2,6-3.7 раза, несмотря на то, что толщина меди составляла 8-15 мкм ,что в 2-3 раза превышает величину трех скин-слоев. Поэтому было проведено исследование влияния материалов и технологии изготовления пленочных слоев на потери в МПЛ.

Анализ экспериментальных результатов показал, что в диапазоне частот

1-1,5 ГГц:

' 1.Материал подслоя, его толщина, а также толщина (при толщине больше 5мкм) и технология изготовления проводникового слоя (меди) слабо влияют на потери в МПЛ.

2.В отсутствие золотого покрытия, большие потери вносит барьерный слой никеля.

3.На величину потерь в МПЛ значительное влияние оказывает материал и технология изготовления защитного слоя. При применении золотого покрытия необходимо применять фосфатный электролит золочения с платиновыми анодами. По сравнению с рекомендуемым стандартом лимонно-кислым электролитом золочения с анодами из нержавеющей стали, это позволяет в три раза снизить потери на СВЧ и получить величину потерь в МПЛ 1,1-1,2 дБ/м. т.е. практически на уровне потерь в меди.

При испытаниях мощных импульсных передатчиков (при мощности в импульсе до

2-3 кВт) происходило выгорание тонкопленочных резисторов, на которые воздействовал импульсный СВЧ сигнал. Было предположено, что при импульсной нагрузке тепло не успевает распространяться в диэлектрическую подложку и окружающую среду и все рассеивается- в пленке, при. этом имеет место электрический пробой. Характер нагружения пленки импульсной мощностью предполагает влияние на выход из строя резисторов трех факторов: дефектов подложки (рисок, царапин и т.п.),физических свойств пленки, и теплопроводности диэлектрической пленки дополнительно напыленной на резистор. Проведенные исследования предельной импульсной мощности рассеяния резистивных пленок на подложках СВЧ микросхем подтвердили это предположение. , ,

Исследования проведены для согласованных нагрузок номиналом 50 Ом, изготовленных на поликоровых подложках толщиной 1 мм для следующих материалов: хрома, РС3710, РС5406К.тантала. РТР 3473 и РС5406К с защитой пленкой нитрида кремния ^¡¡Н,). Для всех этих материалов получены гистограммы распределения предельной импульсной мощности Рпред.. при которой происходит разрушение резистора.

На рисунке, в качестве примера, приведены гистограммы распределения Рпред. для резисторов из сплава РС5406К и сплава РС5406К с защитой

Анализ экспериментальных образцов подложек с резисторами, подвергнутых разрушению. позволил объяснить наличие двух максимумов на гистограммах влиянием на выход из строя резисторов двух факторов:

• первый максимум определяется качеством поверхности используемой подложки; второй максимум определяется физическими свойствами резистивного материала, т.к. положение этого максимума значительно меняется при смене материала резистора.

Показано влияние толщины резистивной пленки на характер гистограмм, проявляющееся в том, что с увеличением толщины пленки в районе первого максимума выходит из строя меньшее число резисторов (см. таблицу 2).

Таблица 2

Влияние толщины резистивной пленки на процент выхода из строя резисторов

Материал Поверхностное сопротивление О ч/о \ Толщина, нм % выхода из строя резисторов

Хром 50 30 70

Хром ! 25 60 58

РС3710 50 100 33

О О N N П П (О

Рпред, кВт

6

Гистограммы распределения импульсной мощности'рассеяния Рпред. пленочных резисторов, а- из сплава РС5406К; б - из сплава РС5406К с защитой $¡<N'4, N -число значений Рпред. в соответствующем интервале; п>. П2 - общее число значений Рпред., соответственно для первого и второго максимумов

Гистограммы, приведенные на рисунке, подтверждают предположение о том, что на величину Рпред. резистора существенное влияние оказывает диэлектрическое покрытие с большой теплопроводностью, дополнительно напыленное на резистивную пленку. Рпред., резисторов из сплава РС5406К увеличивается в 5-10 раз при наличии покрытия из •

Для инженерных расчетов необходимо знать величину удельной предельной импульсной мощности, которую прехчожено рассчитывать по формуле:

Р • + а

Р = "ре0 ' (5)

гуОп рей X >

где Рпреа. - среднее значение предельной импульсной мошности (первый максимум гистограммы для поликоровых подложек); ст - среднее квадратическое отклонение; Э- площадь резистора.

Экспериментальные данные по величинам Р^ „ре$ приведены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики резистивных материалов по импульсной мощности

■ Материал резистора Удельное поверхностное сопротивление, Ом/а Предельная удельная импульсная мощность, кВт/ см2

Хром 50 10,8+7,2

Хром 25 10,8+3,7

РС3710 50 13,8±4,5

РС5406К 25 ' 29±4,6

Тантал 25 " 94+18

РТР3473 . 25 90+19

РС5406К. 5цЫ4 (0.4 мкм) 50 . 153±40

РС5406К. 51,М4 (0.8 мкм) 50 198±38

РС5406К, 51,N4 (2,5 мкм) 50 250+43

Площадь резистора, при заданной импульсной мощности, предлагается определять по -формуле:

Б - К . (6)

уд.прео.

где Ри- мощность импульсного сигнала, подаваемого на резистор; К- коэффициент запаса по мощности.

Проведенные технологические исследования позволили решить проблему разработки и изготовления мощных импульсных СВЧ ГИС для специальной РЭА и исключить отказы аппаратуры из-за перегорания резисторов.

Пятая глава посвящена конструированию и технологии изготовления миниатюрных концентрационных электрохимических преобразователей для ГИС.

Предложены две конструкции миниатюрных концентрационных электрохимических триодов (ЭХТ), отличающиеся от известных конструкций применением пленочных стеклянных покрытий, что позволяет значительно уменьшить площади электродных поверхностей и получать межэлектродные расстояния до нескольких мкм. В первой конструкции ЭХТ'щеле- • образующие электроды выходят непосредственно в резервуар, во второй - щелеобразующие электроды помещены в цилиндрическую стеклянную оболочку, что позволило на порядок уменьшить ток утечки и влияние вибраций и ударов на параметры триода.

Предложена конструкция миниатюрного концентрационного электрохимического тетрода, отличающаяся от известных конструкций наличием двух идентичных интегральных камер и отсутствием резервуара, что позволяет более чем на порядок уменьшить габариты тетрода, по сравнению с известными конструкциями. В конструкции тетрода также применены пленочные стеклянные покрытия.

Проведены технологические исследования процессов изготовления электрохимических элементов, основанных на применении пленочной технологии, электроискровой обработке токопроводящих материалов и электрических методах нагрева стекла. Получены оптимальные технологические режимы на операциях изготовления ЭКП.

Описана созданная установка механизированной сборки электрохимических элементов на операциях по обработке стекла и изготовлению металло-стеклянных спаев.

Приведены электрические характеристики и параметры электрохимического триода.

Проведено исследование стабильности параметров миниатюрного триода при длительной работе под током в течение 24000ч. Показано, что для ЭХТ совершенно непригодны

покрытия из БЮ, и БЮ, а также ферро-феррицианияный электролит. При применении йод-иодидного электролита и покрытий из стекла С89-2 уход основных параметров не превышает (1-2)% за 24000м работы.

Заключение содержит основные результаты диссертационной работы. ,

В приложении приведены акты, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы, протоколы испытаний тонкопленочных резисторов и электрохимических триодов, конструкторско-технологические требования и ограничения на разработку топологии тонкопленочных и микрополосковых плат.

З.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основными результатами диссертационной работы являются:

1.Проведен анализ комплексов технологических процессов, применяемых на различных предприятиях отечественной промышленности и на основе этого анализа, а так же экспериментальных исследований и данных научно-технической литературы предложены базовые конструкция и технология изготовления ГИС для специальной РЭА. Базовая технология ГИС основывается на раздельном формировании резистивных и проводниковых слоев методом гальванического осаждения в окна фоторезиста. Базовая конструкция ГИС основывается на применении пленочной структуры: У-Сив-Сиг-№г-Аиг,

2.Разработано два новых маршрута изготовления плат ГИС:

• гальваническое осаждение проводниковых слоев по подслою в зазоре для структуры Сг-Сив-Сиг-Аиг; .

• гальваническое осаждение проводниковых слоев с использованием тонких пленочных технологических перемычек для структуры У-Сив-Сиг-№г-Аиг.

Разработанные маршруты, по сравнению с известными, позволяют в 3-5 раз повысить коррозионную стойкость проводников при воздействии окружающей среды.

3.Разработана технология изготовления тонкопленочных резисторов со съемом вакуума после напыления резистивных пленок, позволяющая получать низкие удельные переходные сопротивления контактов рк ^КГМО"3 Ом см2, что на один-два порядка меньше рк в технологии изготовления резисторов без съема вакуума после напыления резистивного слоя. Разработана методика инженерного расчета тонкопленочных резисторов с учетом переходного сопротивления контакта.

4 . Разработана технология лазерной доводки тонкопленочных резисторов по фото-резистивному слою в сторону увеличения сопротивления. По сравнению с известной технологией доводки резисторов до их защиты фоторезистом, предлагаемая технология позволяет повысить стабильность резисторов в 3-4 раза за счет исключения осаждения продуктов испарения на резистивный слой в зоне реза.

5. Разработана технология термической лазерной подгонки толстопленочных резисторов из серебро-палладиевых паст в сторону уменьшения сопротивлений на (15-30)%, при сохранении их стабильности после подгонки.

6. Разработана конструкция толстопленочных подгоняемых резисторов, позволяющая исключить повреждение подложки при подгонке за счет введения диэлектрического слоя, расположенного под резистивным слоем, что ослабляет энергию лазерного луча. Конструкция резистора защищена авторским свидетельством на изобретение. Разработана конструкция толстопленочных подгоняемых резисторов, в которой путем введения подгоночных секций в два раза повышается точность подгонки и снижается плотность тока при работе резистора после проведения подгонки. Конструкция резистора защищена авторским свидетельством на изобретение.

7. В результате анализа экспериментальных данных о влиянии материалов и техно-лргии изготовления пленочных слоев в структуре У-Сиз-Сир-К^-Аир на потери в МПЛ на частотах 1-1,5 ГГц показано, что, вопреки общепринятому положению, на потери в МПЛ значительное влияние оказывает защитный слой несмотря на удаленность его от поверхности подложки на расстояние значительно превышающее три скин-слоя. Разработана технология изготовления золотого покрытия из фосфатного электролита золочения с платиновыми анодами, позволяющая получить минимальные потери (1,1-1,2) дБ/м ' в структуре \,-Сив-Сиг^1г-Аиг, чгго в три раза меньше уровня потерь при применении рекомендуемой стандартом технологии золочения из лимоннокислого электролита.

8. В результате анализа физики отказов тонкопленочных резисторов при воздействии на них импульсного СВЧ сигнала показано, что в отличии от непрерывного режима работы, на величину предельной импульсной мощности рассеяния тонкопленочных резисторов существенно влияют три фактора: качество поверхности подложки, физические свойства ре-зистивной пленки и теплопроводность диэлектрической пленки, дополнительно напыленной на резистор. Получены экспериментальные данные по удельной предельной импульсной мощности рассеяния резистивных материалов из хрома, тантала, РС3710, РС5406К, РТР3473, а также РС5406К с покрытием из 313Ы4. Покрытие резисторов пленкой Б^К, с высокой теплопроводностью позволяет увеличить предельную мощность рассеяния резисторов в 5-10

раз. Предложена методика расчета площади резистора при импульсной нагрузке по величине удельной предельной импульсной мощности.

9. Разработаны конструктивно-технологические вопросы создания высокостабильных миниатюрных ЭКП с пленочными стеклянными покрытиями для компонентов ГИС. работающих в области инфранизких частот.

Разработаны миниатюрные конструкции и технология изготовления высокостабильных электрохимических концентрационных триодов и тетродов, отличающиеся от существующих конструкций отечественных и зарубежных аналогов более чем на порядок меньшими габаритами, весом и потребляемой мощностью ( объем элементов 0,2см3, вес 0,5 г. потребляемая мощность-единицы, десятки мкВт). Конструкции триодов защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение. Конструкция'тетрода защищена авторским свидетельством на изобретение. ЭХТ нашли применение в инфранизкочастотных фильтрах, которые внедрены в ряде организаций.

Создана установка механизированной сборки ЭКП на операциях изготовления метал-лостеклянных спаев, позволяющая исключить ручные операции и повысить точность сборки.

Получены данные по стабильности параметров миниатюрных ЭХТ с пленочными покрытиями из $¡0;. 510. стекла С89-2 с йод-иодпдным и ферро-феррицианидным электролитами объем электролита в которых в 50-100 раз меньше объема электролита в известных ЭКП. Показано, что для получения высокой стабильности параметров (не хуже 1-2% за 24000ч работы) необходимо применять пленочные покрытия из стекла и йод-иодидный электролит. Стабильность ЭХТ с другими покрытиями и ферро-феррицианидным электролитом па порядок хуже.

1С. Проведенные конструкторско-технологические исследования и разработки по-4 служили основой для разработки и внедрения в опытное и серийное производство технологических процессов изготовления ГИС, а также конструкторско-технологических требований и ограничений на разработку их топологии. Это позволило существенно повысить качество и процент выхода годных ГИС в процессе их производства, а также улучшить параметры микроблоков РЭЛ. В частности, исследование по импульсной мощности позволили на порядок повысить импульсную мощность тонкопленочных резисторов а передатчиках, исследование потерь в МПЛ-достичь необходимых параметров СВЧ модулей и приемных устройств. Разработки конструкций пленочных резисторов, а также исследования их контактных сопротивлений и лазерной подгонки позволили получать высокостабильные прецизионные резисторы (с допуском ± 0,5 -1%) для контрольной аппаратуры и источников вторичного электропитания.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Азовский Ф.А., Гайнутдинов И.С., Даутов А.И., Крючатов В.И.. Сабиров Р.С. Использование высокочастотной плазмы для нанесения пленок. - Труды КАИ. вып. 193. - Казань. 197S.-C.7-13.

2. Крючатов В.И., Белавин В.А. Электрохимический триод. Авторское свидетельство № 526960, 1976.

3. Крючатов В.И. и др. Электрохимический триод, конструкция и технология.- Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по электрохимическим преобразователям информации. - Казань, 1975.

4. Крючатов В.И., Белавин В.А. Конструкция электрохимического триода,- В сб.: Микроэлектроника, вып.2-Казань: КАИ, 1978.-С.26-28.

5. Крючатов В.И., Белавин В.А., Коннов Ю.П. Технология изготовления электрохимического триода.-В сб.: Микроэлектроника, вып.2.-Казань:КАИ. 1978.-С.94-96.

6. Крючатов В.И., Белавин В.А., Крюков А.И. Разработка конструкции и технологии электрохимического триода - аналога РС-структур,- Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по молекулярной электронике. - М., 1978.

7. Крючатов В.И., Крюков А.И. Способ получения малых расстояний между электродами.-В сб.¡Устройства, элементы и методы комплексной микроминиатюризации РЭА.-Казань. 1979.-С.93-95.

8. Крючатов В.И., Белавин В.А., Крюков А.И. Электрохимический триод. Авторское свидетельство №701383, 1979.

9. Крючатов В.И. и др. Электрохимический трехэлектродный элемент функциональной микроэлектроники: конструкция, технология и устройства на его основе.-Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по молекулярной электронике. - Казань:КАИ. 1990.

10. Крючатов В.И. Экспериментальное исследование стабильности параметров миниатюрного электрохимического триода.-В сб.:Устройства, элементы и' методы комплексной мик-

■ роминиатюризации РЭА.-Казань, 1980.-С.79-82.

11. Нигматуллин Р.Ш., Крючатов В.И. Функциональные электрохимические преобразователи для аналоговых устройств низкочастотного и инфранизкочастотного диапазона.-В сб.:Устройства, элементы и методы комплексной микроминиатюризации РЭА.-Казань. 1982.-С. 18-24. .

12. Крючатов В.И., Урманчеев JI.M. и др. Электрохимический тетрод. Авторское свидетельство № 1071151, 1983.

13. Крючатов В.И., Коннов Ю.П., Вапеев М.З. Толстопленочный резистор. Авторское свидетельство № 1314847. 1987.

14. Крючатов В.И.. Коннов Ю.П. Толстопленочный резистор. Авторское свидетельство X» 1316453. 1987.

15.Тюхтин М.Ф.. Крючатов В.И. Исследование точности изготовления тонкопленочных элементов ГИС СВЧ на поликоре.-Тезисы докладов Всесоюзной конференции по интегральной электронике СВЧ.-Новосибирск. 1988.

16. Крючатов В.И Состояние и перспективы развития технологии изготовления тонкопленочных и микрополосковых плат. -Тезисы докладов Межреспубликанской конференции "Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения". - Казань. 1989.-С.50.

17. Крючатов В.И.. Антипова Р.Н. Исследование влияния технологии контактов на величину сопротивлений тонкопленочных резисторов.-Тезисы докладов Межреспубликанской конференции "Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения". - Казань, 1989.-С.130.

18. Крючатов В.И.. Яхин Ш.З., Мумжиева Т.П. Влияние технологии защитных покрытий на потери в микрополосковых линиях СВЧ модулей.- Тезисы докладов .Межреспубликанской конференции "Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения". - Казань. 1989.-С.119.

19. Крючатов В.И.. Коннов Ю.П. Подгонка сопротивления пленочных резисторов с помощью лазера.-Обмен производственно-техническим опытом.-М.. 1989.-С.22-25.

20. Крючатов В.И. и др. Подгонка тонкопленочных резисторов защищенных фоторезистив-ным слоем,- Обмен производственно-техническим опытом.-М., 1990.-С.34-39.

21. Крючатов В.И и др. Влияние технологии защитных покрытий на потери в микрополосковых линиях СВЧ модулей.-Тезисы докладов 1 Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах,"-Ялта, 1990.-С.193.

22. Крючатов В.И.. Тихонов H.H. Исследование термостабильности толстопленочных резисторов. подгоняемых лазерным способом. - Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 2.-Казань: КГТУ (КАИ). Консорциум микроэлектроника. 1997.-С.39-43.

23. Крючатов В.И. Исследование влияния лазерной подгонки на стабильность тонкопленочных резисторов с защитным фоторезистивным слоем.- Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 2.-Казань: КГТУ (КАИ). Консорциум микроэлектроника. 1997.-С 44-49.

24. Крючатов В.И., Тихонов H.H. Оптимизация технологии изготовления резистивно-проводящих элементов с малым переходным контактным сопротивлением. -Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 2.-Казань: КГТУ (КАИ). Консорциум микроэлектроника, 1997.

Формат 60x84 1/16. Бумага гаъе/ПИОЯ . Печать офсетная. Печ.л.7<Й.Усл. Печ. л. /16 . Усл. кр,- отт. 1,/Б. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ <?£2/АлУ

Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева Ротапринт Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева 420111, Казань, К. Маркса. 10