автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Технология создания плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации

На правах рукописи

БАЛАБАНОВ ВЛАДИМИР ТАРАСОВИЧ

Технология создания плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008

п 5 О ЕМ 2008

003454309

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор A.M. Грушевский Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.Ф. Адамов

доктор технических наук A.A. Жуков

Ведущая организация: ФГУП «НИИ Точных приборов»

Защита состоится «_»_200_г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «_»

2008г.

Соискатель

В.Т. Балабанов

Ученый секретарь диссертационного tffyfta, д.ф.-м.н., профессор

В.Б. Яковлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Новые технологии для производства приборов и систем бесконтактной идентификации (RFID), получившие в настоящее время самое широкое распространение, являются весьма востребованными.

По сравнению с появившимися ранее картами со штриховым кодированием, магнитными картами, контактными картами, дистанционные идентификаторы технологии RFID имеют ряд существенных преимуществ. Идентификация производится по цифровому коду, который подается специализированной микросхемой, соединенной с антенной в единой конструкции идентификатора.

Конструктивно идентификаторы могут быть вмонтированы в любой предмет. В системах контроля доступа наряду с пластиковыми картами широко применяются брелоки, браслеты и т.д. Характерным для всех конструктивных исполнений является необходимость как минимум двух технологических процессов: как микромонтажа самой интегральной схемы, так и микромонтажа антенного контура, что делает процесс трудоемким. Кроме того, для более широкого использования идентификатора с появлением новых объектов применения, особенно в листовые материалы - книги, бумажные листы электронного паспорта и т.п., требуется обеспечение плоскостности микромодулей идентификаторов, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла. При этом требуемой новой технологией должна быть обеспечена и гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации.

Существующие известные технологии, направленные на создание планарных конструкций бесконтактных идентификаторов посредством проволочного монтажа кристалла, либо монтажа кристалла «лицом» вниз (flip-chip), не учитывают многие конструктивно-технологические факторы, обеспечивающие как прочность микросоединений кристалла с антенной, так и планаризацию модуля в целом.

При проволочном монтаже микросхема и антенна, как правило, расположены на двух противоположных сторонах подложки модуля. Такое решение требует наличия дополнительных соединительных проводов для обеспечения коммутации кристалла ИС с антенной, размещенных на противоположных сторонах подложки, тем самым, усложняя конструкцию, увеличивая трудоемкость изготовления и снижая прочность модуля.

Монтаж методом flip-chip сводиться к двум основным конструктивно-технологическим вариантам: с использованием проводящих клеев либо пайкой. В обоих случаях требуются дополнительные технологические операции по монтажу коммутационного «мостика» для формирования антенного контура, что приводит к увеличению трудоемкости и количества монтажных точек на создание одного сигнального канала. Кроме того, имеют место такие недостатки как: относительно большие габариты модуля, пониженная гибкость и увеличенная напряженность конструкции вследствие использования разнородных материалов, особенно в микросоединении.

Поэтому появляются требования по обеспечению унифицирования используемых материалов для микроконтактирования и снижение количества электрических микроконтактов для реализации одного сигнального канала. При этом новая технология должна обеспечивать и требования по минимизации напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации.

Таким образом, существующие конструктивно-технологические решения не обеспечивают выполнение современных требований по реализации плоских структур микромодулей для приборов бесконтактной идентификации.

Решение может быть получено за счет разработки новых технологий на основе использования бескорпусных идентификационных микросхем и тонких гибких полимерных плат-антенн.

Наиболее оптимальным решением является создание идентификатора в виде совмещенной микросборки плоского идентификационного микромодуля (бескорпусная микросхема — гибкая плата-антенна).

Плоские идентификационные микромодули, изготовленные по предлагаемому конструктивно-технологическому варианту, могли бы характеризоваться высокой технологичностью и возможностью дальнейшей миниатюризации RFID приборов.

Именно поэтому, тема диссертации, посвященная разработке новой комплексной совмещенной технологии изготовления плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации на основе конструктивно-технологических принципов прецизионного монтажа бескорпусных микросхем и плоских плат-антенн является весьма актуальной.

Предмет и объект исследования диссертации

Объектом исследования являются микромодули для приборов бесконтактной идентификации.

Предметом исследования диссертации являются проблемы, связанные с разработкой новых конструкторско-технологических принципов создания новой технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей модулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям прецизионного монтажа современных бесконтактных идентификаторов.

Целью работы является исследование и разработка комплексной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке для перспективных изделий бесконтактной идентификации.

Для реализации цели диссертации автором определены и сформулированы следующие основные задачи:

- обоснование нового конструктивно-технологического решения создание плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям микроминиатюризации бесконтактных идентификаторов;

-исследование и разработка физико-технологических принципов создания полиимидных плат-антенн с монтажными выводами, обеспечивающими возможность микроконтактирования с контактными площадками утоненного кристалла бескорпусной микросхемы, при одновременном обеспечении формирования антенного контура;

-моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов микросоединения плоского вывода платы-антенны к контактной площадке бескорпусной микросхемы для обеспечения повышенной устойчивости к термическим воздействиям (дестабилизирующим факторам);

- разработка новой комплексной технологии изготовления плоских микромодулей бесконтактной идентификации.

Научная новизна работы

1. Разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.

2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой сварки плоских выводов микромодулей при совмещенном микромонтаже на утоненных кристаллах кремния.

3.Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.

4.Установлено влияние конструктивно-технологических параметров: диаметра сварной точки, расстояния от сварной точки до полиимидной рамки, материала защитного покрытия, толщины кристалла кремния на величину остаточных термомеханических, напряжений микросварного соединения. Выявлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является кристалл кремния. При использовании жестких герметиков (Е = 5,9-103, МПа) толщина кристалла должна быть не менее 100 мкм, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения.

Новизна полученных результатов подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:

- разработана новая технология изготовления плоских микромодулей на полиимидной пленке для приборов бесконтактной идентификации с реализацией новой конструкции, обеспечивающей повышение планаризации микромодуля, сопоставимую с толщиной кристалла.

- разработка технологии изготовления плоских микромодулей выполнена комплексно: как технологического процесса микроконтактирования балочных выводов платы-антенны, так и технологического процесса защиты с обеспечением минимизации термомеханических напряжений.

Практическое использование результатов работы определено тем,

что:

-технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусном исполнении на

гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов;

- результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование».

На защиту выносятся

1. Новая технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы.

2.Результаты исследований процесса ультразвуковой микросварки плоских выводов платы-антенны к контактным площадкам бескорпусной микросхемы на утоненных кристаллах.

3.Установленная зависимость прочности микросварного соединения от минимального расстояния между контактной площадкой кристалла и защитной рамкой гибкой полиимидной платы-антенны.

4. Результаты моделирования влияния конструктивно-технологических параметров на напряженно-деформированное состояние, величину остаточных термомеханических напряжений и прочностную надежность микросварного соединения элементов плоского идентификационного микромодуля.

Методики исследований и достоверность результатов

Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения и механики твердых тел, математическом моделировании, в экспериментах использована точная исследовательская аппаратура.

Достоверность основных результатов подтверждается большим объемом и комплексностью проведенных исследований, соответствием

результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов, обсуждениями на научно-технических конференциях и положительной экспертизой заявки на изобретение.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 9 научно-технических конференциях:

1. Микроэлектроника и информатика - 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2004г.

2.Микроэлектроника и информатика - 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2005г.

3.Электроника и информатика - 2005. V Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 2005г.

4. Микроэлектроника и информатика - 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2006г.

5.10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» ПЭМ-2006, пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2006г.

6.Микроэлектроника и информатика - 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2007г.

7. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007г.

8. Микроэлектроника и информатика - 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2008г.

9. XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008 г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, в том числе: в 4 статьях, 9 тезисах докладов на научно-технических конференциях и 1 патенте Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 48 рисунков и 12 таблиц, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы -132 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературных источников по теме диссертации для обоснования и выработки конкретных задач исследований. Рассмотрены конструктивно-технологические основы изготовления бесконтактных идентификаторов. Проанализированы особенности и современные проблемы технологии микромодулей планарных бесконтактных идентификаторов.

Показано, что определяющее значение в технологии идентификаторов приобретают сборочно-монтажные процессы, включая микромонтаж бескорпусных схем.

Показано, что наиболее перспективными для КРГО являются методы сборки с организованными выводами: присоединение перевернутым кристаллом с шариковыми выводами и сборка с использованием гибких полимерных носителей.

Показано, что для решения основных технических проблем современных микромодулей бесконтактной идентификации требуется разработка новой технологии. Она должна обеспечивать плоскостность микромодулей, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла, гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации, унифицированность используемых материалов для микроконтактирования, снижение количества электрических микроконтактов для реализации одного сигнального канала и обеспечивающей минимизацию напряженно-деформированного состояния материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации. При этом новая технология должна характеризоваться невысокой трудоемкостью за счет возможного со-

вмещения техпроцессов сборки микросхемы и монтажа антенного контура.

На основании проведенного анализа состояния дел в области разработки, изготовления и применения микромодулей для приборов бесконтактной идентификации сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты исследования по установлению оптимальных режимов ультразвуковой сварки (УЗС) плоских выводов платы-антенны к контактным площадкам бескорпусной микросхемы на утоненных до 190 мкм кристаллах кремния при формировании антенного контура, а также выработанные конструктивно-технологические ограничения на плоский микроконтактный узел идентификационного микромодуля для обеспечения микроминиатюризации и высокой прочности соединения.

Проведены исследования влияния конструктивно-технологических параметров процесса УЗС на величину механической прочности МС. Для анализа механической прочности МС плоского алюминиевого вывода при формировании антенного контура и прочности МС с контактной площадкой кристалла кремния (рис. 1) исследовали влияние основных параметров процесса УЗС: усилия нагружения (сжатия) Рсж [Н], мощности N [Вт] и времени сварки tcg [с].

Исследования выполнены на оборудовании УС.ИММ-1. В качестве рабочего инструмента, обеспечивающего фиксацию плоского монтажного вывода катушки индуктивности с целью получения ребер жесткости сварного соединения, выбран инструмент типа ИУ-1 с крестообразной канавкой по ОСТ 11 409.017.3.

Оценку качества сварного соединения проводили по следующим параметрам: усилию разрушения при испытаниях на отрыв F [Н], относительной деформации е [%], коэффициенту вариации прочности у [%]. Относительная деформация е дает возможность более полной трактовки прочности соединения, а также некоторые представления о кинетике процесса образования соединения. Коэффициент вариации у позволяет судить о стабильности прочности соединения.

Относительную деформацию вывода оценивали по формуле

£= — •100%, Н

где h - высота осадки; Н- толщина алюминиевого вывода.

Рис. 1. Схема МС плоского алюминиевого вывода к контактной площадке кристалла кремния (1 - алюминиевый балочный вывод гибкого носителя; 2 - контактная площадка кристалла; 3 - полиимидная рамка; 4 - кристалл; Ид и - толщина алюминия и полиимида соответственно; I - расстояние от полиимидной рамки до контактной площадки; ЬкЛ1 -толщина алюминия в сварном соединении; Нкп - толщина контактной площадки.

Коэффициент вариации прочности рассчитывается по следующим формулам:

где Рср - среднеарифметическое значение усилия разрушения; а - среднеквадратичное отклонение,

где Р, - усилие разрушения для /-го сварного соединения; п - количество испытанных соединений.

В первую очередь определяли область допустимых режимов сварки. Для интегральной оценки в экспериментах использовали метод построения пороговых кривых. Для этого при постепенном увеличении

сг

И

усилия нагружения Рсж и мощности N выполняли сварку с последующим испытанием на отрыв на точной исследовательской аппаратуре УКПМ-1 и сопоставлением с уровнями допустимой прочности соединения.

В пределах установленной области допустимых режимов изучали зависимости усилия разрушения сварного соединения Р, относительной деформации г, коэффициента вариации у от основных режимов сварки (усилия нагружения, мощности и времени сварки).

у, % £,% ■■ 45 60

30-

15-,20

40

Р Н

'г*' 41

Рис. 2. Зависимость усилия разрушения при испытаниях на обрыв сварного соединения Г, относительной деформации е и коэффициента вариации у от усилия сжатия Рак,

Выявлено, что чрезмерное увеличение усилия сжатия Рсж препятствует протеканию в зоне контакта процессов скольжения, что приводит к снижению прочности. При этом оценить стабильность механической прочности можно по коэффициенту вариации прочности (рис. 2). Видно, что увеличение коэффициента связано со снижением стабильности и, наоборот, повышение стабильности приводит к уменьшению коэффициента.

Определено, что зависимость ^ =/(/„) имеет диапазон стабильной прочности сварных соединений при длительности импульса от 100 до 200 мс, в зависимости от диаметра инструмента. Снижение прочности при дальнейшем увеличении времени сварки свидетельствует, вероятно, о начале нового процесса - разрыва уже образовавшихся связей в зоне контакта алюминиевый вывод - КП кристалла.

Проведенные исследования показали, что зависимость прочности = /(?/) от мощности импульса носит экстремальный характер. При этом, увеличение мощности более 1,5 Вт приводит к образованию надрезов на балочных выводах, чрезмерному увеличению деформации и, как следствие, снижению прочности микроконтакта. Оптимальные значения прочности получены при //=0,9-1,5 Вт.

Определено, что прочность соединения сварки значительно зависит от конструкции микросварных соединений плоских выводов гибких плат-антенн с контактными площадками кристаллов, а именно, определяется расстоянием I [мкм] от контактной площадки кристалла до поли-имидной рамки (рис. 3).

Расчетным путем получена зависимость, определяющая допустимое минимальное расстояние между контактной площадкой кристалла и защитной рамкой гибкой платы-антенны с учетом допустимой деформации вывода.

¡=кпм

Проведенные расчеты показывают целесообразность уменьшения Ьпм, что может достигаться рядом конструктивно-технологических приемов: как уменьшением толщины в исходном фольгированном материале, так и уменьшением за счет химического травления фрагмента полиимида над телом кристалла.

Показано что, полученная зависимость при использовании алюминия в лакофольговом материале ФДИ-АП1-50 по ЫУ0.037.042 ТУ, применяемом для изготовления плоских плат-антенн (относительное удлинение алюминия - 20 %) достаточно хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

Третья глава посвящена исследованию влияния конструктивно-технологических факторов на величину механической прочности МС и напряженно-деформированное состояние материалов МС идентификационного микромодуля.

р ю2,н 20

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 /, мкм

Рис. 3. Зависимость усилия разрушения при испытаниях на обрыв сварного соединения балочного вывода с кристаллом от расстояния между полиимидной рамкой и контактной площадкой при диаметре сварочного инструмента 85 мкм (А), 100 мкм (□) и 130 мкм (о).

Разработана расчетная схема МС (рис. 4) плоского алюминиевого вывода к контактной площадке кристалла кремния. Проведены исследования влияния следующих конструктивно-технологических факторов на термопрочность МС:

диаметра й сварного соединения, выбирали 85,100 и 130 мкм; расстояния ■£ от сварной точки до полиимидной рамки, выбирали 10, 50 и 100 мкм;

толщины утоненного кристалла, выбирали 100,200 мкм; для герметизации МС использовали следующие широко используемые материалы в производстве бескорпусных микросхем: поли-имидный лак АД 9103; эпоксидный герметик Нуво! ЕОЮ16; кремний-органический герметик СИЭЛ 159-167.

Рис. 4. Расчетная схема микросоединения плоского алюминиевого вывода к контактной площадке кристалла кремния. 1- алюминиевый вывод, 2-полимимидная рамка, 3-кристалл ИС, 4-герметизирующее покрытие; I - расстояние от сварной точки до полиимидной рамки; d -диаметр сварного соединения; hkAi - толщина алюминия в сварном соединении; hr, hAi, hnM и hK, - толщина герметизирующего покрытия, алюминия, полиимида и утоненного кристалла соответственно.

(

Моделирование и анализ проводили с помощью программного комплекса COSMOS Works. Разработаны семь конечно-элементных моделей. Конечно-элементная сетка базовой модели, содержащая около 105 узлов, показана на рис. 5.

Анализ обеспечения прочностной надежности при температурных воздействиях проводили в два этапа. На первом определяли максимальные эквивалентные напряжения в элементах MC, на втором этапе сопоставляли полученные данные с нормативно допустимыми значениями, определяли коэффициент запаса прочности по формуле п = [ст]/сэ и получали ответ на вопрос: является ли конструкция прочной.

Определено, что максимальные эквивалентные напряжения в алюминиевом выводе 63,58 МПа действуют в месте перегиба (рис. 6 а). Максимальные эквивалентные напряжения в кристалле кремния 76,40 МПа действуют по периметру границы соединения (рис. 6 б).

I ' I

: is |

Рис. 5. Конечно-элементная модель МС (представлена одна четверть симметричной модели).

Эквивалентные напряжения МПа) рассчитаны по гипотезе энергии изменения формы

где Ст;, сг2, <т3 - главные напряжения.

Типовая эпюра распределения эквивалентных напряжений в материалах соединения базовой модели в конечных элементах, расположенных на оси симметрии, показана на рис. 7.

Определено, что в местах изменения формы элементов соединения при тепловых воздействиях возникают повышенные концентрации напряжений из-за различия величин модуля упругости и ТКЛР материалов соединения. Концентрация напряжений является очагом будущего разрушения материалов. Для ее снижения необходим плавный переход от одного материала к другому, а также один из соединяемых материалов должен иметь низкий модуль упругости и соответственно повышенную податливость.

СГэ>МПа

Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений (показаны сечения с максимальными напряжениями): в алюминиевом выводе (а); в кристалле кремния (б).

Установлено, что использование податливого герметика СИЭЛ 159-167 приводит к снижению напряжений в кремнии в 2,24 раза, тогда как использование жесткого герметика Нузо1 ЕОЮ16 приводит к повышению напряжений в 1,8 раза. Увеличение диаметра с! с 85 до 130 мкм повышает несущую способность в 1,53 раза.

Установлено, что увеличение величины зазора € между МС и поли-имидом с 10 до 100 мкм снижает напряжение в кремнии на 10%. При этом в герметике происходит снижение касательных напряжений и соответственно деформаций сдвига в 2,26 раза.

Проведенные исследования показали, что наиболее ответственным элементом МС является кристалл кремния. В кремнии возникает трехосное напряженное состояние растяжения, поэтому возможно его хрупкое разрушение. Минимальный запас прочности у кремния при использовании жесткого герметика составляет п- 100/83,64= 1,2. Поэтому толщина кристалла кремния должна быть не менее 100 мкм. При увеличении толщины до 200 мкм напряжения в кремнии снижаются в 3,2 раза. Это принципиально важно при создании планарных конструкций идентификаторов путем утонения кристаллов до сборки модуля.

Четвертая глава посвящена разработке комплексной технологии изготовления плоского идентификационного микромодуля и исследованию влияния эксплуатационных факторов на параметры микромодулей.

Проведен расчет индуктивности круглой плоской катушки микромодуля бесконтактного идентификатора. Параметры катушки выбирались таким образом, чтобы с учетом встроенной емкости в кристалле С;сг = 22,7 пФ, резонансной частоты /¿=13,56 МГц обеспечить индуктивность катушки в пределах Ь0 = 4,97 мкГн, при этом габаритные параметры индуктивного элемента должны обеспечивать оптимальные характеристики резонансного контура, учитывая конструктивно-технологические ограничения. Расчеты проводили используя разработанную компьютерную программу вычислений для слоя металлизации с толщиной 30 мкм, что обеспечило достаточную добротность контура. Измерение индуктивности плоских катушек проводили измерителем индуктивностей и емкостей типа Е12-1А резонансным методом с индикацией резонанса.

Рис. 7. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в конечных элементах, расположенных на оси симметрии МС.

Исследована стабильность электрических параметров МС монтажных КП идентификационного кристалла с плоскими выводами гибкой платы-антенны с использованием вновь разработанных тестовых структур. Тестовые структуры (рис.8), содержат до 200 сварных соединений, выполненные методом ультразвуковой сварки алюминиевых балочных выводов антенны на алюминиевые КП идентификационного кристалла.

Испытания на воздействие тепловой нагрузки проводились при температуре 398 К в течение до 3000 часов, на холодоустойчивость - при температуре 213 К в течение 100 часов, а на воздействие повышенной влажности (относительная влажность 98%) - при температуре 313 К в течение 8 суток. В процессе испытаний разрушений сварных соединений не обнаружено.

Установлено, что сопротивление соединения плоского вывода с контактной площадкой находится в пределах 0,04 - 0,06 Ом и не изменяется (в пределах погрешности измерений) при испытаниях, что характеризует устойчивость к воздействию термоциклов и длительной тепловой нагрузке.

Испытания при тепловой нагрузке и приложенном постоянном напряжении 20 В в течение 1000 часов показали, что усилие разрушения значительно превышает величину, принятую за минимально допустимую (5' 10"2 И), что обеспечивает достаточную прочность сварных соединений.

На основании положительных результатов проведенных исследований, используя широко применяемый в производстве автоматизированный технологический процесс формирования гибких полиимидных плат в рулонах, для нового конструктивно-технологического решения изготовления плоских микромодулей приборов бесконтактной идентификации разработан технологический маршрут (рис. 9.).

Разработанная технология обеспечивает реализацию плоского идентификационного микромодуля, по толщине сопоставимого с толщиной кристалла.

Рис.8. Тестовая структура, содержащая 200 сварных МС плоских алюминиевых выводов с контактными площадками кристалла.

Входной контроль лакофольгового диэлектрика

_(ЛФД)_

" ги

Подготовка поверхности ЛФД

ГИ

Нанесение фоторезиста

I

ГИ

Экспонирование фоторезиста I ГИ

Проявление фоторезиста на ЛФД

" ГИ

Травление полиимида

|Г ГИ

Нанесение защитного покрытия

ГИ

Травление алюминия

" ГИ

Резка рулона на подложки

ГИ

Удаление фоторезиста

ГИ

Имидизация полиимидной пленки

ГИ

Упаковка

ГИ

Измерение функциональных _параметров_

I

ГИ

Контроль внешнего вида (КВВ) I ГИ '

ИИ

Технологические испытания

I ГИ

Отверждение защитного покры-

ГИ

Нанесение защитного покрытия

ГИ

Термосушка

ГИ

Монтаж выводов микромодуля

ГИ

КВВ и укладка годных кристаллов

ИИ

ГИ

Очистка и сушка пластин

ГИ

Резка пластин на кристаллы

ГИ

Контроль внешнего вида (КВВ) Наклейка пластин

'' ГИ " ГИ

| Упаковка Подготовка спутников

ГИ 1

ЕД

ЕД

Анализ и устранение дефектов | НД

БД

ЕД

Изолятор брака

Рис. 9. Структурная схема технологического маршрута изготовления плоского идентификационного микромодуля. ГИ - годное изделие; ЕД - единичный дефект; НД - неустранимый дефект; ИИ - исправленное изделие.

а) б)

Рис. 10. Типовой образец плоского идентификационного микромодуля. Полиимидная плата-антенна - (а). Микромодуль после сборки - (б).

Планаризация достигается путем монтажа микросхемы на чистую полиимидную плату-антенну, с противоположной стороны которой расположены витки катушки (рис. 10), как формирование антенного контура, так и монтаж микросхемы осуществляются методом ультразвуковой микросварки. Внутренний вывод катушки является одним из монтажных выводов микросхемы, второй монтажный вывод является продолжением внешнего вывода катушки, который размещен на гибком лепестке подложки и соединен с монтажным выводом через отверстия в подложке, чем и обеспечивается совмещенный микромонтаж.

Для защиты микросоединений плоских выводов идентификационных кристаллов, собранных на гибких далиимадных платах-антеннах использован полиимидный лак АД-9103, обеспечивающий унификацию используемых материалов при сборке бескорпусных микросхем.

С целью проверки обеспечения эксплуатационных параметров выполнены испытания изготовленных плоских микромодулей. Положительные результаты испытаний подтвердили правильность положений, установленных на основе исследований диссертации.

Основные результаты и выводы

1. Проведены научные и технические исследования, на основе которых разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.

2. На основе физико-технологических исследований определены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой микросварки плоских выводов платы-антенны к контактным площадкам утоненных до 190 мкм кристаллов кремния бескорпусной микросхемы для совмещенного микромонтажа плоских микромодулей бесконтактной идентификации. Стабильная прочность сварных микросоединений обеспечивается в диапазоне параметров ультразвуковой микросварки в зависимости от диаметра инструмента: длительность импульса от 100 до 200 мс; мощность УЗК от 0,9 до 1,5 Вт; усилие нагружения от 0,3 до 0,6 Н.

3. Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.

4. Получены результаты исследований влияния конструктивно-технологических параметров (диаметра сварного соединения, зазора между сварным соединением и полиимидной пленкой, материала защитного покрытия) на величину остаточных термомеханических напряжений материалов сварного соединения. Установлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является кристалл кремния, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения. Поэтому при использовании жестких герметиков с модулем упругости Е выше 5,9-103МПа толщина кристалла кремния должна быть не менее 100 мкм, что принципиально важно при создании планарных конструкций идентификационных микромодулей.

5. Разработаны и исследованы тестовые структуры для определения стабильности электрических параметров и прочности микросоединений монтажных контактных площадок идентификационного кристал-

ла с плоскими выводами гибкой платы-антенны. Определено, что сопротивление микросоединения плоского вывода с контактной площадкой кристалла находится в пределах 0,04 - 0,06 Ом; отношение сопротивлений микросоединений до испытаний и после испытаний R/Rucx, близко к единице, что характеризует хорошее качество микросоединений. .

6. На основе разработанной технологии изготовлены и испытаны действующие образцы плоских микромодулей, реализованных на платах-антеннах толщиной 50 мкм. Проведенные испытания показали, что микромодули характеризуются высокой стабильностью. Основные технические показатели таких плоских идентификационных микромодулей:

- диапазон рабочих час тот, МГц -13,56 ±5 %;

- максимальная дальности считывания, мм - (80±2);

- максимальный габаритный размер, мм • мм - 28 х 30;

- количество сварных микросоединений, шт. - 3;

- ширина балочных выводов, мм - 0,085;

- сопротивление микросоединения, Ом - не более 0,06.

7. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусном исполнении на гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов.

8. Работа выполнялась в обеспечение инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование» в рамках Центра формирования компетенций «Микросистемная техника и технология электронных средств».

9. Результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-

технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Балабанов В.Т. Совмещенная микросборка бесконтактного идентификатора в конструктиве изделий микросистемной техники. Микроэлектроника и информатика - 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2004, с. 111.

2. Балабанов В.Т., Макаренко H.A. Создание бесконтактного идентификатора на гибком полимерном основании. Микроэлектроника и информатика - 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2005, с. 57

3. Грушевский А.М., Плис Н.И., Балабанов В.Т. Плоский модуль для бесконтактной идентификации. Электроника и информатика - 2005. V Международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Часть 1,- М.: МИЭТ, 2005, с. 219-220.

4. Балабанов В.Т. Механические напряжения микросоединений в технологии плоских идентификационных модулей. Микроэлектроника и информатика - 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2006, с. 93.

5. Погалов А.И., Грушевский A.M., Балабанов В.Т. Прочностная надежность микросоединений бескорпусных интегральных схем бесконтактных идентификаторов. 10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» ПЭМ-2006. Тезисы докладов. - Пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2006, стр. 172-173.

6. Грушевский A.M., Плис Н.И., Семенин С.Н., Балабанов В.Т. Электронный модуль бесконтактной идентификации. Патент РФ на изобретение № 2286600 от 27.10.2006, по заявке №2005115040 от 18.05.2005 г, патентообладатель МИЭТ.

7. Балабанов В.Т., Погалов А.И., Грушевский A.M., Вишницкий А.Ф. Анализ напряженно-деформированного состояния при монтаже плоских идентификационных модулей бесконтактной идентификации. Элементы микросистемной техники, оборудование и технология их производства: Сборник научных трудов. - М.: МИЭТ, 2006. с. 64-69.

8. Погалов А.И., Грушевский А.М., Блинов Г.А., Балабанов В.Т. Термопрочность микросоединений бескорпусных ИС бесконтактных идентификаторов. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, 2007, №1, с. 38-42.

9. Балабанов В.Т., Вишницкий А.Ф. Конструктивно-технологические особенности формирования микроконтактного соединения для минимизации напряженного состояния. Микроэлектроника и информатика - 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2007, с. 87.

10. Вишницкий А.Ф., Резник А.Ю., Балабанов В.Т. Анализ конструкций пленочных индуктивных антенн для различных типов бесконтактных радиочастотных идентификаторов. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Тезисы докладов. - Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007, с. 24.

П.Балабанов В.Т., Грушевский A.M., Погалов А.И. Технология прецизионного монтажа кристаллов микросхем при изготовлении плоских бесконтактных идентификаторов. Всероссийский научно-технический журнал «Проектирование и технология электронных средств», №1,2008, с 57-61.

12. Балабанов В.Т., Вишницкий А.Ф., Грушевский A.M., Ларионов Н.М. Конструктивно-технологические особенности микроконтактирования микросхем в производстве плоских электронных модулей бесконтактной идентификации. Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов. - М.: МИЭТ, 2007, с. 97-105.

13. Вишницкий А.Ф., Резник А.Ю., Балабанов В.Т. Исследование и моделирование термопрочности радиочастотных, бесконтактных пластиковых идентификационных карт. Микроэлектроника и информатика - 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2008, с.88.

14. Балабанов В.Т. Оптимизация микросварных соединений плоских идентификационных микромодулей с использованием тестовых структур. XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научно- техническая конференция. Тезисы докладов. -Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008, с. 33.

Подписано в печать:

Заказ № Н{Р. Тираж <£>Р экз. Уч.-изд.л. . Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ (ТУ).

Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ МОДУЛЕЙ

ДЛЯ ПРИБОРОВ БЕСКОНТАКТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ.

1.1. Технологии радиочастотной идентификации (RFID).

1.2. Особенности технологии плоских бесконтактных идентификаторов.

1.3. Применение бескорпусной элементной базы в производстве бесконтактных идентификаторов.».

Выводы к главе I и постановка задач диссертации.

Глава II. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕЦИЗИОННОГО МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ МИКРОСХЕМ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПЛОСКИХ

МИКРОМОДУЛЕЙ.

2.1 Обоснование технологических факторов, определяющих кинетику процесса формирования сварного соединения.

2.2. Исследования по установлению оптимальных режимов ультразвуковой сварки плоских алюминиевых выводов на утоненных кристаллах.

2.3. Разработка конструктивно-технологических ограничений на микросоединение для обеспечения плоскостности микромодуля.

2.4. Исследование режимов сварки для формирования антенного контура.

Выводы к главе II.

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ МИКРОСОЕДИНЕНИЙ БЕСКОРПУСНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПЛОСКИХ МИКРОМОДУЛЕЙ БЕСКОНТАКТНЫХ ИДЕНТИФИКАТОРОВ.

3.1. Обоснование применения метода конечных элементов при исследовании напряженно-деформированного состояния.

3.2. Моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения плоских выводов микромодуля.

3.3. Экспериментальные исследование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения плоских выводов микромодуля.

Выводы к главе III.

Глава IV. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

МИКРОМОДУЛЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ.

4.1. Конструктивно-технологические решения создания плоских антенн идентификационных микромодулей.

4.2. Разработка нового конструктивно-технологического решения плоского микромодуля.

4.3. Разработка совмещенной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей.

4.4 Испытания и эксплуатационные параметры плоских микромодулей.

4.5. Использование результатов диссертации.

Выводы к главе IV.'.

Актуальность работы

Новые технологии для производства приборов и систем бесконтактной идентификации (RFID), получившие в настоящее время самое широкое распространение, являются весьма востребованными.

По сравнению с появившимися ранее картами со штриховым кодированием, магнитными картами, контактными картами, дистанционные идентификаторы технологии RFID имеют ряд существенных преимуществ. Идентификация производится по цифровому коду, который подается специализированной микросхемой, соединенной с антенной в единой конструкции идентификатора.

Конструктивно идентификаторы могут быть вмонтированы в любой предмет. В системах контроля доступа наряду с пластиковыми картами широко применяются брелоки, браслеты и т.д. Характерным для всех конструктивных исполнений является необходимость как минимум двух технологических процессов: как микромонтажа самой интегральной схемы, так и микромонтажа антенного контура, что делает процесс трудоемким. Кроме того, для более широкого использования идентификатора с появлением новых объектов применения, особенно в листовые материалы - книги, бумажные листы электронного паспорта и т.п., требуется обеспечение плоскостности микромодулей идентификаторов, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла. При этом требуемой новой технологией должна быть обеспечена и гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации.

Существующие известные технологии, направленные на создание планарных конструкции бесконтактных идентификаторов посредством проволочного монтажа кристалла, либо монтажа кристалла «лицом» вниз (flip-chip), не учитывают многие конструктивно-технологические факторы, обеспечивающие как прочность микросоединенин кристалла с антенной, так и планаризацию модуля в целом.

При проволочном монтаже микросхема и антенна, как правило, расположены на двух противоположных сторонах подложки модуля. Такое решение требует наличия дополнительных соединительных проводов для обеспечения коммутации кристалла ИС с антенной, размещенных на противоположных сторонах подложки, тем самым, усложняя конструкцию, увеличивая трудоемкость изготовления и снижая прочность модуля.

Монтаж методом flip-chip сводиться к двум основным конструктивно-технологическим вариантам: с использованием проводящих клеев либо пайкой. В обоих случаях требуются дополнительные технологические операции по монтажу коммутационного «мостика» для формирования антенного контура, что приводит к увеличению трудоемкости и количества монтажных точек на создание одного сигнального канала. Кроме того, имеют место такие недостатки как: относительно большие габариты модуля, пониженная гибкость и увеличенная напряженность конструкции вследствие использования разнородных материалов, особенно в микросоединении.

Поэтому появляются требования по обеспечению унифицирования используемых материалов для микроконтактирования и снижение количества электрических микроконтактов для реализации одного сигнального канала. При этом новая технология должна обеспечивать и требования по минимизации напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации.

Таким образом, существующие конструктивно-технологические решения не обеспечивают выполнение современных требований по реализации плоских структур микромодулей для приборов бесконтактной идентификации.

Решение может быть получено за счет разработки новых технологий на основе использования бескорпусных идентификационных микросхем и тонких гибких полимерных плат-антенн.

Наиболее оптимальным решением является создание идентификатора в виде совмещенной микросборки плоского идентификационного микромодуля (бескорпусная микросхема - гибкая плата-антенна).

Плоские идентификационные микромодули, изготовленные по предлагаемому конструктивно-технологическому варианту, могли бы характеризоваться высокой технологичностью и возможностью дальнейшей миниатюризации RFID приборов.

Именно поэтому, тема диссертации, посвященная разработке новой комплексной совмещенной технологии изготовления плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации на основе конструктивно-технологических принципов прецизионного монтажа бескорпусных микросхем и плоских плат-антенн является весьма актуальной.

Предмет и объект исследования диссертации

Объектом исследования являются микромодули для приборов бесконтактной идентификации.

Предметом исследования диссертации являются проблемы, связанные с разработкой новых конструкторско-технологических принципов создания новой технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей модулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям прецизионного монтажа современных бесконтактных идентификаторов.

Целью работы является исследование и разработка комплексной технологии изготовления плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке для перспективных изделий бесконтактной идентификации.

Для реализации цели диссертации автором определены и сформулированы следующие основные задачи:

- обоснование нового конструктивно-технологического решения создание плоских идентификационных микромодулей на полиимидной пленке, наиболее полно отвечающих требованиям микроминиатюризации бесконтактных идентификаторов;

- исследование и разработка физико-технологических принципов создания полиимидных плат-антенн с монтажными выводами, обеспечивающими возможность микроконтактирования с контактными площадками утоненного кристалла бескорпусной микросхемы, при одновременном обеспечении формирования антенного контура;

- моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов микросоединения плоского вывода платы-антенны к контактной площадке бескорпусной микросхемы для обеспечения повышенной устойчивости к термическим воздействиям (дестабилизирующим факторам);

- разработка новой комплексной технологии изготовления плоских микромодулей бесконтактной идентификации.

Научная новизна работы

1. Разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающем планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.

2. Установлены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой сварки плоских выводов микромодулей при совмещенном микромонтаже на утоненных кристаллах кремния.

3. Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.

4. Установлено влияние конструктивно-технологических параметров: диаметра сварной точки, расстояния от сварной точки до полиимидной рамки, материала защитного покрытия, толщины кристалла кремния на величину остаточных термомеханических напряжений микросварного соединения. Выявлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является л кристалл кремния. При использовании жестких герметиков (Е= 5,9-10 , МПа) толщина кристалла должна быть не менее 100 мкм, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения.

Новизна полученных результатов подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:

-разработана новая технология изготовления плоских микромодулей на полиимидной пленке для приборов бесконтактной идентификации с реализацией новой конструкции, обеспечивающей повышение планаризации микромодуля, сопоставимую с толщиной кристалла.

-разработка технологии изготовления плоских микромодулей выполнена комплексно: как технологического процесса микроконтактирования балочных выводов платы-антенны, так и технологического процесса защиты с обеспечением минимизации термомеханических напряжений.

Практическое использование результатов работы определено тем, что: - технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусном исполнении на гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов;

-результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование».

Методики исследований и достоверность результатов Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения и механики твердых тел, математическом моделировании, в экспериментах использована точная исследовательская аппаратура.

Достоверность основных результатов подтверждается большим объемом и комплексностью проведенных исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов, обсуждениями на научно-технических конференциях и положительной экспертизой заявки на изобретение.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 9 научно-технических конференциях:

1. Микроэлектроника и информатика - 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград,

2004г.

2. Микроэлектроника и информатика - 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2005г.

3. Электроника и информатика - 2005. V Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 2005г.

4. Микроэлектроника и информатика - 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2006г.

5. 10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» ПЭМ-2006, пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2006г.

6. Микроэлектроника и информатика - 2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2007г.

7. VIII ВНТК «Современные промышленные технологии», Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2007г.

8. Микроэлектроника и информатика - 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2008г.

9. XII ВНТК «Современные промышленные технологии». Всероссийская научно- техническая конференция. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008 г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, в том числе: в 4 статьях, 9 тезисах докладов на научно-технических конференциях и 1 патенте Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 48 рисунков и 12 таблиц, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы - 132 страницы.

Основные результаты работы:

1. Проведены научные и технические исследования, на основе которых разработана технология плоских полиимидных идентификационных микромодулей для совмещенного микромонтажа антенны и бескорпусной микросхемы, основанная на новом конструктивно-технологическом решении, обеспечивающим планаризацию микромодуля,- сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы, за счет снижения высоты микросоединений над кристаллом не менее, чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями.

2. На основе физико-технологических исследований определены оптимальные технологические параметры процесса ультразвуковой микросварки плоских выводов платы-антенны к контактным площадкам утоненных до 190 мкм кристаллов кремния бескорпусной микросхемы для совмещенного микромонтажа плоских микромодулей бесконтактной идентификации. Стабильная прочность сварных микросоединений обеспечивается в диапазоне параметров ультразвуковой микросварки в зависимости от диаметра инструмента: длительность импульса от 100 до 200 мс; мощность УЗК от 0,9 до 1,5 Вт; усилие нагружения от 0,3 до 0,6 Н.

3. Расчетным путем получена зависимость и экспериментально подтверждены новые - конструктивно-технологические ограничения на микросоединение плоского микромодуля. Показано, что расстояние от сварной точки до полиимидной рамки является критическим для прочности и определяется толщинами слоев микросоединения и материалом вывода.

4. Получены результаты исследований влияния конструктивно-технологических параметров (диаметра сварного соединения, зазора между сварным соединением и полиимидной пленкой, материала защитного покрытия) на величину остаточных термомеханических напряжений материалов сварного соединения. Установлено, что наиболее ответственным элементом микросоединения является кристалл кремния, так как возможно его хрупкое разрушение при действии напряжений растяжения. Поэтому при использовании жестких герметиков с модулем упругости Е выше 5,9-103 МПа толщина кристалла кремния должна быть не менее 100 мкм, что принципиально важно при создании планарных конструкций идентификационных микромодулей.

5. Разработаны и исследованы тестовые структуры для определения стабильности электрических параметров и прочности микросоединений монтажных контактных площадок идентификационного кристалла с плоскими выводами гибкой платы-антенны. Определено, что сопротивление микросоединения плоского вывода с контактной площадкой кристалла находится в пределах 0,04 - 0,06 Ом; отношение сопротивлений микросоединений до испытаний и после испытаний R/Rucx, близко к единице, что характеризует хорошее качество микросоединений.

6. На основе разработанной технологии изготовлены и испытаны действующие образцы плоских микромодулей, реализованных на платах-антеннах толщиной 50 мкм. Проведенные испытания показали, что микромодули характеризуются высокой стабильностью. Основные технические показатели таких плоских идентификационных микромодулей: диапазон рабочих частот, МГц - 13,56 ±5 %; максимальная дальности считывания, мм - (80±2); максимальный габаритный размер, мм • мм - 28 х 30; количество сварных микросоединений, шт. - 3; ширина балочных выводов, мм - 0,085; сопротивление микросоединения, Ом - не более 0,06.

7. Технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г. Зеленоград) при сборке микросхем в бескорпусиом исполнении на гибком носителе, включая нанесение защитного покрытия, а так же ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) при отработке выпуска серийных бесконтактных идентификаторов.

8. Работа выполнялась в обеспечение инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники», выполняемой МИЭТ-ом как победителем конкурса «Приоритетные национальные проекты «Образование» в рамках Центра формирования компетенций «Микросистемная техника и технология электронных средств».

9. Результаты диссертации используются в учебном процессе МИЭТ при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств» в лекционном курсе по дисциплине «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС», а также в лабораторной работе «Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС» практикума, разработанного в рамках учебно-методического комплекса по курсу «Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств» при выполнении инновационной образовательной программы.

Заключение

Новые технологии для производства приборов и систем бесконтактной идентификации, являются весьма востребованными. Объективными конструктивно-технологическими причинами этого являются требования микроминиатюризации и обеспечения плоскостности микромодулей идентификаторов, когда толщина микромодуля сопоставима с толщиной кристалла. В тоже время новой технологией должна быть обеспечена и гибкость конструкции, допускающей перегибы при эксплуатации. При этом новая технология должна обеспечивать и требования по минимизации напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов прибора для повышения ресурса эксплуатации. Для повышения эксплуатационной стойкости весьма важным является и требования по обеспечению унифицирования используемых материалов для микроконтактирования и снижению количества электрических микроконтактов.

Современные тенденции микроминиатюризации приборов и систем бесконтактной идентификации, показывают, что эффективность решения этого вопроса во многом определяется разработкой новых технологий компактного микромонтажа. Показано, что актуальным и перспективным является монтаж бескорпусных микросхем с использованием плоских плат-антенн. Наиболее оптимальным решением в этом направлении представляется использование для плат-антенн гибкой полиимидной пленки.

В современных условиях требуется новая технология, комплексно решающая проблемы, связанные с изготовлением плоских микромодулей для приборов бесконтактной идентификации, обеспечивающая, при этом, унифицирование используемых материалов.

В связи с этим потребовались поисковые работы, и на основе комплекса исследований в рамках данной диссертации вышеотмеченные проблемы нашли свои решения, на основе которых и разработана новая технология изготовления плоских полиимидных идентификационных микромодулей, обеспечивающая планаризацию микромодуля, сопоставимого по толщине с толщиной микросхемы.

Оригинальность и научная новизна найденных решений подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение.

1. Сандип Лахири. RF1.. Руководство по внедрению. Пер. с англ. -М. :КУДИЦ-ПРЕСС. - 2007. - 312 с.

2. Бхуптани М., Морадпур Ш. RFID-технологии на службе вашего бизнеса/ Маниш Бхуптани, Шахрам Морадпур; Пер. с англ. -М: Альпина Бизнес Букс, 2007 г.-281 с.

3. Технологии автоматической идентификации, http://www.ean.ru

4. В.Л. Джхунян, В.Ф. Шаньгин. Электронная идентификация. Бесконтактные идентификаторы и смарт карты. М.: «Издательство ACT»: Издательство «НТ Пресс», 2004.

5. Smart and active tecnologies. http://www.ksw-microtec.de/index.php

6. Внедрения технологии и обзоры, http://www.rfidchip.info/index.php

7. Технологии радиочастотной идентификации (RFID). Система автоматизации работы библиотеки RFID-Lib на основе технологии радиочастотной идентификации (RFID). http://www.aerosolutions.ru/

8. Распространенные • практические применения технологии RFID. http://www.rf-id.ru/

9. Технологии радиочастотной идентификации RFID. Применения. http://rfid-news.ru/

10. The RFID industry daily, http://www.rfidupdate.com/

11. Радиочастотная идентификация. Классификация RFID систем. http://www.indel.by/ru/book/print/l 17

12. Все о технологии RFID. http://www.infobezpeka.com/publications/?id=100

13. М.Гудин, В.Зайцев, «Устройства радиочастотной идентификации компании Tagsys», «Компоненты и технологии» №6, 2003 г. http://www.kit-e.ru/

14. RFID technology, http://www.nxp.com/

15. Electronic Product Code, http://www.walmart.com/

16. RFID product manufacturer, http://www.sokymat.ru

17. RFID Systems. Transponders, http://www.ti.com/

18. Бесконтактные карты, идентификаторы и их компоненты, http ://www. angstrem.ru/

19. Защитные технологии с использованием пластиковых карт. http://www.atlasnw.ru/

20. Технологии радиочастотной идентификации, http://www.rfid-team.ru/I

21. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1986. 175 с.

22. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. Под ред. проф. В. А. Шахнова. М., МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 527 с.

23. Технология поверхностного монтажа. Метод перевернутого кристалла. http://www.bourns.ru/microproductscustom.php

24. Peter J. Opdahl. «Anisotropic conductive film for flip-chip applications» http://www.flipchips.com/tutorial05.html

25. Гуреева О. «JOMFUL новая технология производства радиочастотных меток». «Компоненты и технологии» №11, 2006 г. http://www.kit-e.ru/

26. ЗО.Заводян А.В., Волков В.А. Производство перспективных ЭВС. В 2 ч. Уч. Пособие Ч. 2. Современная технология сборки и монтажа на поверхность плат. Проблемы эксплуатационной надежности. — М.: МИЭТ, 1999. 280 е.: ил.

27. Назаров Г.В., Гревцев Н.В. Сварка и пайка в микроэлектронике. -М: Сов. радио, 1969. 192 с.

28. Мазур А.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь,1981.-224с.

29. Кузнецов О. А., Погалов А.И., Сергеев B.C. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1990. - 144 с.

30. Рыдзевский А.П., Алимов В.Н., Гусев О.В. О тепловом режиме при ультразвуковой микросварке // Физическая и химическая обработка материалов. 1981. - №2. - С.36-41.

31. Соколов А.К. Исследование и разработка ультразвукового микросварочного оборудования и технологии для сборки мощных ВЧ и СВЧ транзисторов в корпусах сложной конфигурации. Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н., М, 1982г.

32. Циммерман Р., Гюнтер JI. Металлургия и материаловедение. Справочник. М.: Металлургия, 1982, с. 290.

33. Феодосьев. В.И. Сопротивление материалов: учеб. для втузов. М.: МГТУ им. Баумана., 2000. - 592 с.

34. Грушевский A.M., Плис Н.И., Балабанов В.Т., Плоский модуль для бесконтактной идентификации. Тезисы докладов конференций Электроника и информатика 2005. V Международная научно-техническая конференция. Зеленоград, МИЭТ 2005 г., с. 219-220.

35. Волков В.А., Заводян А.В., Грушевский A.M. Исследование и анализ технологических процессов изготовления РЭС. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Технология производства ЭВС и оборудования». М.: МИЭТ, 1989, 59 с. с ил.

36. Г. Стренг, Дж. Фикс. Теория метода конечных элементов. Перевод с английского.-М.: Мир, 1977, 351 с.

37. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР: Пер. с франц.-М.: Мир. 1989-190 е., ил.

38. Алямковский А.А. Solid Works / COSMOS Works. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004. 432 с.

39. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. -320 с.

40. Coil design Guide, http://www.semiconductor.philips.com

41. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и паспорт Е12-1А.

42. Пат. 2242798 Российская Федерация, МПК7 G 06 К 19/077. Идентификационное устройство. Текст./ Блинов Г.А., Грушевский A.M., заявитель и патентообладатель Блинов Г.А., Грушевский A.M. -№ 2001118069/09; заявл.03.07.2001; опубл. 20.12.2004.

43. Беневич. «Рулонный метод изготовления безадгезионных алюминиевых выводов» Электронная промышленность вып. 3, 1987.

44. В.Т. Балабанов, A.M. Грушевский, А.И. Погалов, Технология прецизионного монтажа кристаллов микросхем при изготовлении плоских бесконтактных идентификаторов. Проектирование и технология электронных средств, №1 , 2007г, с 57-61.

45. А.И. Погалов, A.M. Грушевский, Г.А. Блинов, В.Т. Балабанов. Термопрочность микросоединений бескорпусных ИС бесконтактных идентификаторов. Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России, №1, 2007, стр. 38-42

46. Разработка базовой технологии изготовления РЭФУ на основе многослойных плат МППМ. Научно-технический отчет по ОКР «Ступень-2». /Грушевский A.M.- зам. главного конструктора, НИИМП, Москва, 1990, 76 е., per. №3718.

47. ОСТ 11 0305-86 «Микросхемы интегральные. Требования к комплектующим изделиям и материалам для автоматизированной сборки»