eng
Выпуск #5/2022
Ш. Шугаепов, Е. Ермолаев, В. Егошин, Р. Ахметгалиев, А. Мазуренко
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОРПУСОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОРПУСОВ
Просмотры: 1800
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.216.5.62.65
Рассмотрены технологическое оборудование и материалы, применяемые в АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») для изготовления металлокерамических корпусов.
Рассмотрены технологическое оборудование и материалы, применяемые в АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») для изготовления металлокерамических корпусов.
Технологическое оборудование и материалы, применяемые для изготовления
металлокерамических корпусов
Ш. Шугаепов 1, Е. Ермолаев 2, В. Егошин 3, Р. Ахметгалиев 4, А. Мазуренко 5
В АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») реализован полный технологический цикл изготовления металлокерамических корпусов (МКК) для интегральных микросхем (ИС), начиная с приготовления керамического шликера из порошкообразного материала и заканчивая упаковкой корпуса микросхемы в соответствующую тару. О технологическом оборудовании и материалах, применяемых в АО «ЗПП» для изготовления МКК, рассказывается в данной статье.
Металлокерамический корпус (рис. 1) конструктивно состоит из нескольких основных частей: металлокерамической платы со скрытыми между керамическими слоями толстопленочными токопроводящими дорожками и отрытыми металлизированными (контактными, монтажными) площадками, а также металлических деталей (выводов, ободка, теплоотводящего радиатора).
Надежность эксплуатации корпусов обеспечивают специальные марки вакуумплотной керамики. Их отличают высокая устойчивость к воздействию теплового удара, влаге и химическим соединениям, твердость, хорошие диэлектрические и тепловые свойства, повышенная стабильность размеров, КТЛР, близкий к КТЛР кремния, технологичность при применении групповых методов изготовления корпусов. Доля корпусов из алюмооксидной керамики с высоким (86–96%) содержанием Al2O3 (корунда) – наибольшая и составляет 90%, поэтому керамика данного типа определяет современный общий уровень развития керамических материалов в микроэлектронике.
В последние пять лет технический уровень параметров корпусов ИС, изготавливаемых с применением керамических материалов, существенно вырос, что в первую очередь связано с совершенствованием технологии их производства, главным образом операций толстопленочной металлизации керамики и ее обработки в сыром и спеченном состояниях.
Металлы, применяемые в конструкциях корпусов, обладают высокими химическими, механическими и технологическими свойствами, способностью к пайке, сварке, гальваническим покрытиям. Для изготовления металлических комплектующих корпусов применяют сплавы железа с никелем и кобальтом (ковар), которые образуют с керамикой надежные спаи. Для припайки металлических комплектующих к керамической плате обычно используют твердый припой (эвтектический сплав) на основе серебра и меди (ПСр‑72). В качестве материала толстых пленок применяют вольфрам и молибден. Для гальванического покрытия металлических поверхностей корпуса используется слой золота с подслоем никеля.
Базовые технологические операции промышленного производства металлокерамических корпусов отличаются сравнительным постоянством благодаря стандартизации технологического оборудования, применяемых материалов и процессов.
Базовая технология производства МКК состоит из ряда операций (рис. 2). В ряде случаев процесс изготовления может включать дополнительные технологические операции или же наоборот, не иметь указанных.
Подготовка исходных материалов для керамического шликера путем совместного помола α-Al2O3 и стеклообразующих добавок (минерализатора) проводится в шаровых мельницах (рис. 3).
Керамический шликер состоит из трех основных компонентов:
Методом литья керамического шликера на движущуюся ленту формируют пластифицированную керамическую пленку. Она разрезается на полосы и разбраковывается по толщине и внешнему виду; на заготовках не должно быть трещин, включений, вмятин, пузырей, загрязнений поверхности. Для формирования керамической пленки (ленты) применяется уникальное, высокотехнологичное оборудование – литьевая машина длиной более 60 м (рис. 4).
Оборудование является единственным в России и позволяет отливать керамические пленки толщиной от 70 мкм. На данный момент серийно освоенный технологический процесс позволяет работать с толщинами керамических слоев от 96 до 860 мкм включительно. Проводятся экспериментальные работы по использованию в составе МКК керамических слоев толщиной от 100 до 120 мкм.
Из полос на механических прессах с помощью специальных твердосплавных штампов вырубают прямоугольные карты, а также окна, отверстия для создания межслоевых переходов, направляющие отверстия. Следующая операция производства металлокерамических плат (МКП) – металлизация переходных отверстий и нанесение топологического рисунка схемы проводниковыми металлизационными пастами.
Толстопленочная металлизация наносится на полуавтоматическом оборудовании методом трафаретной печати.
В качестве проводниковых паст, как уже отмечалось, используются композиции на основе тугоплавких металлов, выдерживающих высокотемпературный обжиг (вольфрама и молибдена).
Керамические групповые заготовки (карты) с нанесенным рисунком проводниковых элементов набирают в пакет в последовательности, определенной топологией схемы, и прессуют под давлением для формирования монолитной структуры. Спрессованный монолит обрезают по размеру МКП и получают «сырые» металлокерамические платы (рис. 5).
Далее «сырые» платы подвергают высокотемпературному обжигу (рис. 6). Он производится в туннельной печи непрерывного действия с контролируемыми газовой атмосферой и температурным профилем, позволяющей непрерывно реализовывать новые технологические решения и возможности в условиях массового производства металлокерамических корпусов микросхем.
На первой стадии обжига происходит испарение, деструкция и окисление органических составляющих керамической заготовки и проводниковой пасты в присутствии водяного пара в атмосфере печи обжига. При дальнейшем повышении температуры происходит одновременное спекание вакуумплотной керамики и вжигание металлизационной пасты.
После обжига и проведения необходимых отбраковочных испытаний на металлические поверхности МКП наносят слой химически или электрохимически осажденного никеля (в зависимости от габаритов платы), который обеспечивает качественную пайку металлических деталей к контактным площадкам.
Пайку металлических комплектующих проводят в восстановительной атмосфере электрической туннельной печи непрерывного действия, с максимальной температурой до 850 °C, с применением в качестве припоя эвтектического сплава ПСр‑72 (рис. 7).
После проведения операции «пайка» корпуса никелируют, а затем золотят со всеми необходимыми предварительными химическими операциями подготовки поверхности (рис. 8).
Финишные операции технологии изготовления МКК – промывка с целью удаления остатков технологических сред и упаковка корпусов в специализированные тары, изготовление которых также реализовано на производстве АО «ЗПП».
Необходимо отметить, что с увеличением количества операций в технологии возникает проблема усложнения производственных процессов. Сущность проблемы такого многооперационного производства, прежде всего, определяют ужесточающиеся требования к качеству элементов и устройств электронной техники, а также фундаментальная, научная новизна задач описания и исследования явлений, протекающих на различных стадиях, начиная с получения исходных материалов и кончая операциями формообразования, спекания и обработки такого рода изделий. С другой стороны, на уровень проблемы влияют законы массового производства, вовлекающие в производственный процесс большое количество поставщиков сырья и материалов, единиц и видов оборудования, а также специалистов разного уровня квалификации с различными, субъективными особенностями.
Несмотря на все трудности, связанные с материалами, «подстройкой» оборудования и корректировкой режимов под конкретный вид сырья, специалисты АО «ЗПП» успешно решают все поставленные на сегодняшний день задачи и обеспечивают устойчивое нарастание объемов производства металлокерамических коммутационных плат и корпусов микросхем. ●
металлокерамических корпусов
Ш. Шугаепов 1, Е. Ермолаев 2, В. Егошин 3, Р. Ахметгалиев 4, А. Мазуренко 5
В АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») реализован полный технологический цикл изготовления металлокерамических корпусов (МКК) для интегральных микросхем (ИС), начиная с приготовления керамического шликера из порошкообразного материала и заканчивая упаковкой корпуса микросхемы в соответствующую тару. О технологическом оборудовании и материалах, применяемых в АО «ЗПП» для изготовления МКК, рассказывается в данной статье.
Металлокерамический корпус (рис. 1) конструктивно состоит из нескольких основных частей: металлокерамической платы со скрытыми между керамическими слоями толстопленочными токопроводящими дорожками и отрытыми металлизированными (контактными, монтажными) площадками, а также металлических деталей (выводов, ободка, теплоотводящего радиатора).
Надежность эксплуатации корпусов обеспечивают специальные марки вакуумплотной керамики. Их отличают высокая устойчивость к воздействию теплового удара, влаге и химическим соединениям, твердость, хорошие диэлектрические и тепловые свойства, повышенная стабильность размеров, КТЛР, близкий к КТЛР кремния, технологичность при применении групповых методов изготовления корпусов. Доля корпусов из алюмооксидной керамики с высоким (86–96%) содержанием Al2O3 (корунда) – наибольшая и составляет 90%, поэтому керамика данного типа определяет современный общий уровень развития керамических материалов в микроэлектронике.
В последние пять лет технический уровень параметров корпусов ИС, изготавливаемых с применением керамических материалов, существенно вырос, что в первую очередь связано с совершенствованием технологии их производства, главным образом операций толстопленочной металлизации керамики и ее обработки в сыром и спеченном состояниях.
Металлы, применяемые в конструкциях корпусов, обладают высокими химическими, механическими и технологическими свойствами, способностью к пайке, сварке, гальваническим покрытиям. Для изготовления металлических комплектующих корпусов применяют сплавы железа с никелем и кобальтом (ковар), которые образуют с керамикой надежные спаи. Для припайки металлических комплектующих к керамической плате обычно используют твердый припой (эвтектический сплав) на основе серебра и меди (ПСр‑72). В качестве материала толстых пленок применяют вольфрам и молибден. Для гальванического покрытия металлических поверхностей корпуса используется слой золота с подслоем никеля.
Базовые технологические операции промышленного производства металлокерамических корпусов отличаются сравнительным постоянством благодаря стандартизации технологического оборудования, применяемых материалов и процессов.
Базовая технология производства МКК состоит из ряда операций (рис. 2). В ряде случаев процесс изготовления может включать дополнительные технологические операции или же наоборот, не иметь указанных.
Подготовка исходных материалов для керамического шликера путем совместного помола α-Al2O3 и стеклообразующих добавок (минерализатора) проводится в шаровых мельницах (рис. 3).
Керамический шликер состоит из трех основных компонентов:
- минеральной части, образующей после спекания керамическое тело;
- связки (биндера), которая после изготовления пленки удерживает частицы минеральной фазы, определяет прочность и пластичность пленки;
- растворителя, способствующего равномерному распределению минеральных частиц в объеме связки.
Методом литья керамического шликера на движущуюся ленту формируют пластифицированную керамическую пленку. Она разрезается на полосы и разбраковывается по толщине и внешнему виду; на заготовках не должно быть трещин, включений, вмятин, пузырей, загрязнений поверхности. Для формирования керамической пленки (ленты) применяется уникальное, высокотехнологичное оборудование – литьевая машина длиной более 60 м (рис. 4).
Оборудование является единственным в России и позволяет отливать керамические пленки толщиной от 70 мкм. На данный момент серийно освоенный технологический процесс позволяет работать с толщинами керамических слоев от 96 до 860 мкм включительно. Проводятся экспериментальные работы по использованию в составе МКК керамических слоев толщиной от 100 до 120 мкм.
Из полос на механических прессах с помощью специальных твердосплавных штампов вырубают прямоугольные карты, а также окна, отверстия для создания межслоевых переходов, направляющие отверстия. Следующая операция производства металлокерамических плат (МКП) – металлизация переходных отверстий и нанесение топологического рисунка схемы проводниковыми металлизационными пастами.
Толстопленочная металлизация наносится на полуавтоматическом оборудовании методом трафаретной печати.
В качестве проводниковых паст, как уже отмечалось, используются композиции на основе тугоплавких металлов, выдерживающих высокотемпературный обжиг (вольфрама и молибдена).
Керамические групповые заготовки (карты) с нанесенным рисунком проводниковых элементов набирают в пакет в последовательности, определенной топологией схемы, и прессуют под давлением для формирования монолитной структуры. Спрессованный монолит обрезают по размеру МКП и получают «сырые» металлокерамические платы (рис. 5).
Далее «сырые» платы подвергают высокотемпературному обжигу (рис. 6). Он производится в туннельной печи непрерывного действия с контролируемыми газовой атмосферой и температурным профилем, позволяющей непрерывно реализовывать новые технологические решения и возможности в условиях массового производства металлокерамических корпусов микросхем.
На первой стадии обжига происходит испарение, деструкция и окисление органических составляющих керамической заготовки и проводниковой пасты в присутствии водяного пара в атмосфере печи обжига. При дальнейшем повышении температуры происходит одновременное спекание вакуумплотной керамики и вжигание металлизационной пасты.
После обжига и проведения необходимых отбраковочных испытаний на металлические поверхности МКП наносят слой химически или электрохимически осажденного никеля (в зависимости от габаритов платы), который обеспечивает качественную пайку металлических деталей к контактным площадкам.
Пайку металлических комплектующих проводят в восстановительной атмосфере электрической туннельной печи непрерывного действия, с максимальной температурой до 850 °C, с применением в качестве припоя эвтектического сплава ПСр‑72 (рис. 7).
После проведения операции «пайка» корпуса никелируют, а затем золотят со всеми необходимыми предварительными химическими операциями подготовки поверхности (рис. 8).
Финишные операции технологии изготовления МКК – промывка с целью удаления остатков технологических сред и упаковка корпусов в специализированные тары, изготовление которых также реализовано на производстве АО «ЗПП».
Необходимо отметить, что с увеличением количества операций в технологии возникает проблема усложнения производственных процессов. Сущность проблемы такого многооперационного производства, прежде всего, определяют ужесточающиеся требования к качеству элементов и устройств электронной техники, а также фундаментальная, научная новизна задач описания и исследования явлений, протекающих на различных стадиях, начиная с получения исходных материалов и кончая операциями формообразования, спекания и обработки такого рода изделий. С другой стороны, на уровень проблемы влияют законы массового производства, вовлекающие в производственный процесс большое количество поставщиков сырья и материалов, единиц и видов оборудования, а также специалистов разного уровня квалификации с различными, субъективными особенностями.
Несмотря на все трудности, связанные с материалами, «подстройкой» оборудования и корректировкой режимов под конкретный вид сырья, специалисты АО «ЗПП» успешно решают все поставленные на сегодняшний день задачи и обеспечивают устойчивое нарастание объемов производства металлокерамических коммутационных плат и корпусов микросхем. ●
Отзывы читателей
