Способ изготовления микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью Российский патент 2023 года по МПК H05K3/02 H05K3/42 

Область техники:

Заявленное изобретение относится к области радиоэлектронной техники и микроэлектроники, а также может использоваться в других областях техники и может быть использовано для создания микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

Изготавливаемые платы широко используются в ракетно-космическом и наземном приборостроении, где предъявляются высокие требования по надежности, качеству, безотказности изделий и миниатюризации элементов и СВЧ - узлов при новых разработках.

Уровень техники

Развитие микроэлектроники внесло коренные изменения в принципы конструирования радиоэлектронной аппаратуры, основной тенденцией развития которой является повышение степени интеграции - уменьшение размеров элементов и СВЧ - узлов.

Пленочные интегральные микросхемы представляют собой завершенные структуры и являются важнейшими элементами современной базы микроэлектроники.

Производство СВЧ - микросхем характеризуется сложными технологическими процессами, а их выходные параметры определяются качеством используемых основных и вспомогательных материалов, поэтому в настоящее время наблюдается значительный прогресс в области их исследований и разработок.

Одним из компонентов микросхем является диэлектрические подложки, служащие диэлектрическим и механическим основанием, а также и теплоотводом для пленочных и навесных элементов.

Основное требование, предъявляемое к керамическим материалам, используемых в приборах СВЧ-диапазона - это повышенная диэлектрическая проницаемость, обеспечивающая уменьшение размеров микроволновых устройств.

Наиболее полно требованиям современной техники отвечает микроволновая керамика, параметры которой поддаются математическому планированию и технологическому регулированию.

К конструкции и материалу предъявляется ряд требований, вытекающих из необходимости обеспечения заданных электрических параметров и особенностей технологии изготовления пассивных элементов.

Материал подложки должен обладать следующими свойствами и характеристиками:

- малым тангенсом угла диэлектрических потерь;

- высоким и стабильным значением диэлектрической проницаемости;

- высоким сопротивлением изоляции и электрической прочностью;

- высокой теплопроводностью;

- достаточной механической прочностью, обеспечивающей ее целостность при выполнении всего технологического процесса;

- способностью к механической обработке, позволяющей обеспечивать жесткие допуски на линейные размеры;

- согласованностью температурных коэффициентов линейного расширения подложки и нанесенных на нее пленок;

- устойчивостью к воздействию химических реактивов;

- высокой температурной стойкостью.

Перечисленным требованиям в полной мере не может соответствовать какая-либо одна универсальная подложка, в связи с чем, в каждом конкретном случае выбор подложки основывается на компромиссном решении.

Начиная с 1960х годов при разработке СВЧ - микросхем по совокупности факторов преимущественно применялся материал ВК-100 «Поликор».

Диэлектрические подложки материала ВК-100 обладают высокой стоимостью, в связи с чем в настоящее время появляются аналоги материала ВК-100 меньшей стоимости.

Из уровня техники известен способ получения керамического материала для производства подложек, заключающийся в расширении диапазона использования порошков глиноземов с содержанием Аl₂О₃ от 99,7 мас. % и выше, что значительно снижает затраты получаемого керамического материала (см. патент РФ на изобретение №2632078).

Недостатком данного метода является повторение физических и механических свойств материала ВК-100-1, что не позволяет миниатюризировать размеры элементов и СВЧ - узлов при новых разработках.

Из уровня техники известен способ изготовление микроплат с переходными металлизированными отверстиями (МПО), заключающийся в расширении технологических возможностей способа изготовления микроплат с МПО (см. патент РФ на изобретение №2697814).

Недостатками данного метода является применимость данного метода только к подложкам из материала ВК-100, и данный метод невозможно применить к подложкам, изготовленных из иных керамических материалов; толщины заготовок ограничены 1 мм; диаметры выполняемых отверстий не более 0,3 мм.

Для новых разработок применяют керамические материалы на основе титаната бария, позволяющие получить диэлектрические подложки, изготовленные из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

Из уровня техники известен способ получения керамики на основе титаната бария (см. патент РФ на изобретение №2706275, опубликованное 15.11.2015).

Недостатком данного метода является отсутствие информации о режимах работы с керамическими подложками, полученных данным методом.

Техническое описание: Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является создание микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Заявленное изобретение позволяет изготовить микрополосковые платы СВЧ-диапазона на основе керамических заготовок толщиной до двух миллиметров включительно, с переходными металлизированными отверстиями с максимальным диаметром каждого переходного отверстия равным толщине заготовке.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ изготовления микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью включает следующие действия:

1. Производят химическую очистку заготовок перед вакуумным напылением;

2. Производят последовательное двухстороннее вакуумное напыление адгезионного и проводящего слоев металла;

3. Производят фотолитографию слоя меток (по необходимости);

4. Производят лазерное формирование отверстий в заготовке;

5. Производят химическое травление слоев металла до подложки;

6. Производят химическую очистку заготовок перед вакуумным напылением;

7. Производят последовательное двухстороннее вакуумное напыление адгезионного, проводящего и защитного слоев металла;

8. Производят фотолитографию слоя проводников;

9. Производят гальваническое наращивание топологического рисунка;

10. Производят химическое травление слоев металла свободного поля до подложки;

11. Производят дисковую резку керамической заготовки (по необходимости);

12. Производят контроль сопротивления металлизированных переходных отверстий.

Осуществление и примеры реализации заявленного изобретения:

Первоначальный опыт изготовления микрополосковых плат с МПО на заготовках из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью показал невозможность изготовления изделий по стандартной технологии. При формировании матрицы отверстий методом лазерной обработки периметра заготовки лопались.

Для проведения экспериментальных исследований использовались подложки на основе титана бария трех толщин - 0,5 мм; 1 мм; 2 мм. Диаметр отверстий соответствует толщине заготовки. Матрица отверстий в количестве 25 шт.

Практический эксперимент показал, что в зависимости от толщины подложки, заготовка выдерживает разное количество сформированных отверстий.

В связи с локальным перегревом в области формируемого отверстия заготовка лопалась. Для исключения эффекта перегрева применено решение наносить технический слой металла - меди, для отвода тепла от места локального перегрева, распределяя избыточную тепловую энергию по всей поверхности заготовки. Материал меди выбран из-за свойств теплопроводности и практического применения при изготовлении СВЧ - микрополосковых плат (основной материал проводникового слоя).

Практические эксперименты показали, что толщина технического слоя металла до двух микрон не эффективно отводит тепловую энергию, а свыше четырех микрон - не увеличивает положительный эффект распределения тепловой энергии по всей поверхности заготовки. Оптимальная толщина технического слоя металла составляет 2-4 микрона.

Фотолитографию слоя меток допускается не производить при условии возможностей лазерного комплекса формировать матрицу отверстий в автоматическом режиме, используя за точку отсчета край заготовки.

Дисковую резку не проводят в случае размера платы в размер заготовки.

Все операции с платами проводят в напальчниках.

Способ изготовления микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью осуществляется следующим образом:

1. Производят химическую очистку заготовок перед вакуумным напылением: Химическую очистку керамических заготовок производят трехступенчатым методом ультразвуковой очистки в ацетоне, обработке в хромовой смеси и дистиллированной воды с последующей сушкой в парах изопропилового спирта. К каждой технологической партии заготовок необходимо докладывать тест-заготовку для определения краевого угла смачивания после процесса очистки.

2. Производят последовательное двухстороннее вакуумное напыление адгезионного и проводящего слоев металла:

После очистки заготовок производят последовательное напыление тонких пленок хрома и меди на обе стороны заготовки. Напыление допускается производить как на установках магнетронного типа, так и на термических.

В качестве адгезионного подслоя использовать хром с удельным сопротивлением пленки 100-300 Ом/□. В качестве проводникового слоя применять медь толщиной слоя 2-4 мкм. Допускается не докладывать тест-заготовку к партии напыляемых заготовок, так как данные слои металла несут в себе техническую функцию и будут стравлены на следующих операциях.

3. Производят фотолитографию слоя меток (по необходимости):

В случае применения лазерных комплексов, не имеющих возможности формирования единой программы для обработки поверхности заготовки, требуется выполнить слой меток для позиционирования лазерного комплекса. Нанести слой фоторезиста типа ФН-11 на лицевую сторону металлизированной заготовки методом центрифугирования. Произвести совмещение заготовки с фотошаблоном меток. Произвести экспонирование слоя фоторезиста с последующим удалением не засвеченной фоторезистивной маски в растворителе типа «Уайт-спирит» или реактиве, аналогичным по свойствам. Обезжирить заготовку ацетоном.

4. Производят лазерное формирование отверстий в заготовке:

Закрепить заготовку на предметном столике лазерного комплекса и произвести формирование отверстий согласно программе. В случае наличия меток они будут уничтожены в процессе прошивки отверстий.

5. Производят химическое травление слоев металла до подложки:

После формирования матрицы отверстий на заготовке требуется произвести травление меди и хрома до материала подложки.

6. Производят химическую очистку заготовок перед вакуумным напылением: Химическую очистку керамических заготовок производят трехступенчатым методом ультразвуковой очистки в ацетоне, обработке в хромовой смеси и дистилированной воды с последующей сушкой в парах изопропилового спирта. К каждой технологической партии заготовок необходимо докладывать тест-заготовку для определения краевого угла смачивания после процесса очистки.

7. Производят последовательное двухстороннее вакуумное напыление адгезионного, проводящего и защитного слоев металла:

После очистки заготовок производят последовательное напыление тонких пленок хрома и меди на обе стороны заготовки. Напыление допускается производить как на установках магнетронного типа, так и на термических. Предпочтительны подколпачные устройства планетарного типа для напыления металлов на обе стороны в едином технологическом цикле, но допускается производить напыление последовательно на каждую сторону в двух циклах.

Для формирования проводниковых слоев следует руководствоваться конструкторской документацией на изделие. Удельное сопротивление адгезионного слоя хрома должно составлять 100-300 Ом/□. В качестве проводникового слоя микрополосковых плат выступает медь, при чем толщина материковой меди может составлять от 2 до 17 мкм, в зависимости от требований конструкторской документации и применяемой технологии изготовления микрополосковых плат.

Также в зависимости от применяемой технологии и требований конструкторской документации могут напылять защитное зеркало хрома на слой меди.

Обязательно использовать тест-заготовку в циклах напыления того же материала и габаритов, включая толщину для последующего ступенчатого травления и определения средних

8. Производят фотолитографию слоя проводников:

На заготовки с напыленными «зеркалами» наносят слой фоторезиста типа ФН-11 на лицевую сторону методом центрифугирования. Произвести совмещение заготовки с фотошаблоном проводникового слоя. Произвести экспонирование слоя фоторезиста с последующим удалением не засвеченной фоторезистивной маски в растворителе типа «Уайт-спирит». Обезжирить заготовку ацетоном. В ходе этой операции свободное поле заготовки покрыто засвеченным защитным слоем фоторезиста, а окна топологического рисунка вскрыты (на фотошаблоне рисунок темный, поле светлое); после чего производят травление защитного слоя металла до меди.

9. Производят гальваническое наращивание топологического рисунка: Заготовки, со вскрытыми до слоя меди «окнами», отправляют на гальваническое наращивание пленок металла согласно конструкторской документации на изделие с финишным покрытием маской золота. В едином цикле с осаждением пленок на стороны заготовки происходит металлизация отверстий за счет электрического контакта пленок металлов, сформированных во время процесса напыления.

10. Производят химическое травление слоев хрома и меди свободного поля до подложки:

После формирования топологического рисунка требуется произвести травление хрома и меди со свободного поля до материала подложки.

11. Производят дисковую резку керамической заготовки (по необходимости): После формирования групповой заготовки микрополосковых плат требуется разделить их в габаритный размер методом дисковой резки. В случае, когда одна плата занимает все пространство заготовки операцию пропустить.

12. Производят контроль сопротивления металлизированных переходных отверстий:

Для контроля качества выполненных металлизированных отверстий необходимо произвести измерение переходного сопротивления соединения лицевой и обратной стороны платы. Переходное сопротивление должно составлять ≥0,01 Ом. Требуется проверить все разорванные электрически элементы с переходными металлизированными отверстиями.

Предлагаемый способ позволяет изготовить микрополосковые платы СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, которые имеют следующие характеристики:

- микрополосковые платы на основе подложек из высокочастотных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью толщиной от 0,2 мм до 2 мм;

- диаметр металлизированных переходных отверстий от 0,2 мм до 2 мм;

- переходное сопротивление соединения лицевой и обратной стороны подложки должно составлять ≥0,01 Ом;

- адгезия проводящих элементов к материалу подложки не менее 1,25 кгс/мм²;

- точность изготовления проводящих элементов не менее ±10 мкм.

Изобретение относится к области радиоэлектронной техники и микроэлектроники и используется для создания микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек для ракетно-космического и наземного приборостроения. Технический результат – создание микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, позволяющих изготовить микрополосковые платы СВЧ-диапазона на основе керамических заготовок толщиной до двух миллиметров включительно, с переходными металлизированными отверстиями с максимальным диаметром каждого переходного отверстия, равным толщине заготовки. Технический результат достигается тем, что способ включает в себя: двустороннее последовательное вакуумное нанесение на подложку технического слоя в виде адгезионного слоя хрома и слоя меди, отводящего тепло от мест локального перегрева в областях лазерного формирования отверстий; лазерное формирование отверстий в подложке из керамики, травление технического слоя до материала подложки, химическую очистку подложки, последовательное двухстороннее вакуумное напыление на подложку адгезионного слоя хрома, слоя меди и «зеркала» хрома в качестве защитного слоя с металлизацией отверстий в едином технологическом цикле; формирование топологического рисунка путем создания маски из негативного фоторезиста на двух сторонах подложки методом центрифугирования, травление защитного слоя до меди во вскрытых окнах маски, гальваническое осаждение во вскрытые до меди окна маски слоя золота, травление слоев меди и адгезионного хрома со свободного поля поверхности микрополосковой платы до материала подложки. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления микрополосковых плат СВЧ-диапазона с переходными металлизированными отверстиями на основе микроволновых диэлектрических подложек, изготовленных из высокочастотных керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, включающий в себя: двустороннее последовательное вакуумное нанесение на подложку технического слоя в виде адгезионного слоя хрома и слоя меди, отводящего тепло от мест локального перегрева в областях лазерного формирования отверстий, лазерное формирование отверстий в подложке из керамики, травление технического слоя до материала подложки, химическую очистку подложки, последовательное двухстороннее вакуумное напыление на подложку адгезионного слоя хрома, слоя меди и «зеркала» хрома в качестве защитного слоя с металлизацией отверстий в едином технологическом цикле, формирование топологического рисунка путем создания маски из негативного фоторезиста на двух сторонах подложки методом центрифугирования, травление защитного слоя до меди во вскрытых окнах маски, гальваническое осаждение во вскрытые до меди окна маски слоя золота, травление слоев меди и адгезионного хрома со свободного поля поверхности микрополосковой платы до материала подложки.

2. Способ по п. 1, в котором все операции проводят в напальчниках.

3. Способ по п. 1, в котором при проведении химической очистки используют дистиллированную воду.