Разработка конструкции и технологии изготовления усилителя низкой частоты в интегральном исполнении

пленочный резистор плата микросхема

7. Разработка маршрутных технологических процессов изготовления ИМС

7.1 Технологический процесс изготовления платы

Технологический процесс изготовления платы по хром-керметной технологии состоит из подготовительных операций, основных операций, и операций контроля.

Исходными данными для разработанного маршрутного технологического процесса являются: материалы резисторов: низкоомных - хром, высокоомных - кермет, проводниковые структуры: адгезионный подслой - хром, проводниковый слой - алюминий, защитный слой - никель, диэлектрический защитный слой - фоторезист ФН-11с, маркировочный слой - фоторезист ФП-58-6. Технологический процесс, разработанный на основе типовых техпроцессов, представлен на рисунке 7.1.



Рисунок 7.1 - Технологический процесс изготовления платы, лист 6

При изготовлении платы ввиду малого размера подложек применяем групповой фотошаблон с последующей резкой изготовленной платы с групповым рисунком элементов на отдельные платы. Материалы, используемые для различных операций перечислены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Материалы, используемые при изготовлении платы

Операция	Материал
035	7. Кермет К-50С ЕТО.021.033 ТУ 2. Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70 3. Алюминий А99 ГОСТ 618-72 4. Никель НП2 ГОСТ 2170-73 5. Аргон (для ионной бомбардировки)
040, 105, 160	Фоторезист позитивный ФП-383 ТУ6-14-632-86
060, 125, 180, 285	Раствор для проявления позитивного ФР
70, 135	Травитель № 1 для Al+Ni: 38% раствор HNO3 ГОСТ 4461-77
190	Травитель № 3 для Cr: Раствор NaOH, 20г/л
75	Травитель № 2 для Cr+кермет (в скобках - весовые доли): а) Соляная кислота (HCl) ГОСТ 3118-77 (420,0) б) Калий йодистый (KI) ГОСТ 4232-74 (100,0) в) Олово двухлористое (SnCl2) ГОСТ 36-78 (50,0) г) Плавиковая кислота (HF) ГОСТ 10484-78 (45,0) д) Глицерин (CHOH(CH2OH)2) ГОСТ 6824-76 (170,0) е) деионизированная вода (H20) ОСТ 11.029.003-80 (300,0)
80, 140, 200	Щелочной раствор для снятия ФР + раствор для нейтрализации + деионизированная вода
85, 145, 205	Деионизированная вода
230	Фоторезист негативный ФН-11С ТУ6-14-788-88
250	Раствор для проявления негативного ФР (толуол)
265	Фоторезист позитивный маркировочный ФП-586 ТУ6-14-788-88

Вывод: разработанный технологический процесс содержит 1 вакуумный цикл и 5 циклов фотолитографии, требует изготовления 5 фотошаблонов.

7.2 Технологический процесс сборки ИМС

Технологический процесс сборки ИМС состоит из подготовительных операций, операций сборки платы, операций сборки изделия и заключительных контрольно-испытательных операций.

Исходными данными для составления маршрутного технологического процесса являются: сборочный чертёж устройства, тип производства - мелкосерийный, условия эксплуатации и требования к качеству и надежности (см. п. 1.1.2, 1.1.4, 1.1.5) . Технологический процесс, разработанный на основе типовых техпроцессов, представлен на рисунке 7.2.

Вывод: таким образом, технологический процесс сборки ИМС можно разделить на 4 этапа: подготовительный, процесс установки и монтажа компонентов платы, герметизация и контрольно-испытательный.

Рисунок 7.2 - Технологический процесс сборки ИМС, лист 3

8. Описание технологии изготовления ИМС. Выбор и обоснование выбора оборудования

8.1 Описание разработанной маршрутной технологии изготовления ИМС

Конструкторская документация ИМС предполагает изготовление ИМС методами тонкопленочной технологии. Порядок и наименование операций приведен в маршрутной технологии. В основу разработки операционных карт положены директивные технологические процессы, изложенные в ОСТ 4ГО.054.28 и ОСТ 4ГО.054.242 [3].

Обязательным условием получения бездефектных микросхем является отсутствие на поверхности подложек каких-либо загрязнений, например масла, окислов, ионных примесей частиц металла и других посторонних включений. Метод очистки - необходимо разрушить адсорбционные связи между подложкой и загрязнениями без нарушения поверхности самой подложки.

Основным видом очистки подложек является химическая очистка. Однако вследствие того, что материалы подложек состоят из аморфной и кристаллической фаз, подбор химических реактивов и режима очистки должен исключать травление отдельных фаз. Кроме того, перед нанесением пленки надо удалить все продукты реакции: ионы, частицы воды и т.п. Поэтому приходится использовать многоступенчатую очистку.

Для подложек из ситалла применяется следующая технология очистки:

-- протереть подложку батистовой салфеткой, смоченной этиловым спиртом;

-- кипячение в растворе дистиллированной воды (340±5 мл), перекиси водорода (160±5 мл) и аммиака (2-3 капли) в течение 20 минут;

-- промывка в предварительно нагретой до кипения дистиллированной воде (до 10 минут);

-- кипячение в дистиллированной воде (около 5 минут);

-- кипячение в изопропиловом спирте (5 минут);

-- сушка подложки над поверхностью электроплитки;

-- охлаждение подложки до комнатной температуры в эксикаторе с силикагелем;

--проверка качества очистки поверхности подложек.

Окончательная дегазация производится непосредственно перед напылением в вакуумной камере с помощью ионной бомбардировки в тлеющем разряде.

Контроль качества очистки поверхности подложек производится испытанием на разрыв водной пленки. Кроме очистки подложки перед напылением выполняются также:

- изготовление фотошаблонов;

- подготовка платы - «свидетеля»;

- подготовка вакуумной установки;

- подготовка напыляемого материала и испарителей.

8.2 Выбор и обоснование выбора соответствующего технологического оборудования

В технологии ИМС используется два способа получения тонкопленочных элементов в вакууме с помощью термического испарения . При первом способе (раздельном) осаждения все позиции карусели служат для создания одного слоя на нескольких подложках. Этот способ предусматривает разгерметизацию установки после осаждения каждого слоя.

При втором способе (многослойном осаждении) подложки располагаются на карусели в вакуумной камере. Благодаря этому за один технологический цикл откачки рабочей камеры можно изготовить всю пассивную часть ГИС.

Основное достоинство второго способа - исключение влияния атмосферного воздействия на процесс изготовления тонкопленочных слоев. Поэтому стремятся использовать многопозиционные вакуумные камеры, позволяющие за один вакуумный цикл одновременно обрабатывать несколько подложек.

Операция напыления следует за операцией подготовки вакуумной установки.

Напыление слоев производится на установке вакуумного напыления типа УВН-71П-3, в которой подложки располагаются на позициях карусели, а на базовой плите размещаются неподвижно испарители. Используется система с четырьмя испарителями, так как технология изготовления разрабатываемой ГИС предусматривает формирование четырех слоев, при этом испаритель следует выбирать так, чтобы температура его плавления была намного выше температуры испарения испаряемого материала. Для кермета выбираем ионно- плазменный испаритель, а для всех остальных материалов используем тигельные испарители из вольфрама.

Операция напыления слоёв приведена в соответствующей операционной карте.

После нанесения четырех слоев необходимо сформировать проводники и резисторы с помощью фотолитографии.

Метод поучения рисунка схемы - фотолитография с применением позитивного фоторезиста ФП-586. Для получения масок из фоторезиста, которые необходимы как защита при травлении пленочных структур применяется линия фотолитографии «Титан», которая имеет:

- установка визуального контроля;

- полуавтомат нанесения фоторезиста методом центрифугирования;

- установка экспонирования фоторезиста;

- установка сушки и полимеризации фоторезиста методом инфракрасной сушки.

Получение фоторезистивных масок состоит из операций: нанесение фоторезиста, сушка фоторезиста, экспонирование фоторезиста, проявление и задубливание фоторезиста.

В процессе изготовления ИМС получение масок из фоторезиста ФП-586 производится три раза. Первый - для травления суммарного слоя (никеля, алюминия, хрома, кермета). Второй - для травления проводящего слоя (никеля, алюминия) для получения резисторов из кермета и хрома. Третий - для травления хрома (получение резисторов из кермета).

Полученные резисторы при необходимости корректируются до необходимого номинала, затем наносится защитный слой из фоторезиста ФН-11с методом фотолитографии и маркировочный слой из фоторезиста ФП-58-6.

Далее подложка разрезается на отдельные платы (16 штук) с применением установки лазерной резки «Темп-500».

После контроля на соответствие конструкторской документации на плату устанавливаются навесные компоненты. Для облегчения операций ремонта компоненты ставятся на клей «ВК-9», который не создает в закрытом объеме корпуса ГИС агрессивной среды и допускает снятие неисправного компонента без повреждения платы. После сушки клея производится разварка гибких выводов компонентов на установке контактной сварки «Контакт-3А».

Установка на клей и микроконтактирование навесных компонентов приведены в соответствующих операционных картах.

После этого плата приклеивается в основание корпуса на плату с помощью клея ВК-9, применение которого обосновано тем, что он не содержит активных компонентов, способных при непрерывной эксплуатации выделиться из клеевой подложки и заполнить объем корпуса. Перед склеиванием с поверхности удаляют загрязнения.

После сушки клея производится микроконтактирование внешних контактных площадок платы и выводов корпуса на установках контактной сварки «Контакт-3А» с предварительной установкой диэлектрической прокладки.

После этого идет предварительная проверка электрических параметров платы. При удовлетворительных результатах ГИС направляется на операцию герметизации с применением пайки в конвейерной печи «Алунд-1» (СК 11/16.10-6). При отрицательных результатах анализируется, какой компонент неисправен, и его подвергают замене.

Качество герметизации ГИС проверяется на гелиевом течеискателе УКГМ-2 масс-спектрометрическим методом.

Выдержавшие испытания на герметичность ГИС подвергают еще раз функциональному контролю и при положительных результатах маркируют, покрывают лаком, упаковывают в индивидуальную и групповую тару.

Операция герметизации ИМС приведена в соответствующей операционной карте.

Наибольший вклад по снижению трудоемкости оказывает тот факт, что ввиду малых размеров платы ГИС есть возможность на одной подложке размещать 16 плат, при этом время напыления, фотолитографии соответственно сокращается в 16 раз по сравнению с тем, если бы каждая плата изготавливалась отдельно.

Основной состав оборудования, материалы для изготовления растворов для химической обработки подложек и сам состав растворов взяты из директивных технологических процессов. Выбор конкретных типов травителей определяется их селективностью при травлении пленочных структур меди, никеля, хрома, кермета.

Маршрутные технологические процессы изготовления и сборки ИМС, разработанные в данной работе, а также выбранное для разработанных техпроцессов оборудование составлялись и выбирались из соображения максимальной технологичности изготовленных ИМС, то есть простоты их изготовления, минимальных затрат времени, материалов, рабочей силы, минимальной стоимости и максимальной унификации используемого оборудования в условиях заданного мелкосерийного производства.

8.3 Технические характеристики используемого оборудования

Итак, как было отмечено выше, в процессе производства ИМС используется следующее оборудование:

для напыления резистивно-проводниковых пленок - установка вакуумного напыления УВН-71Р-2;

для изготовления фотошаблонов - фотоповторитель ЭМ-5062;

нанесение фоторезиста осуществляется на полуавтомате для нанесения фоторезиста ПНФ-1Р;

для сушки и задубливания применяется установка УСДФ-1;

для совмещения и экспонирования - установка ЭМ576Ф;

для удаления фоторезиста - полуавтомат ПУФ80;

для визуального контроля - установка УВК-1;

микроконтактирование производится на аппаратуре для сварки косвенным импульсным нагревом “Контакт - 3А”;

для контроля прочности микросоединений на отрыв и срез - установка для контроля прочности микросоединений на отрыв и срез;

для герметизации микросхем пайкой - конвейерная электротермическая печь «Алунд-1» (СК 11/16.10-6);

для контроля герметичности - полуавтомат УКГМ-2;

для контроля температуры - термоэлектрический термометр;

для измерения давления - ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2.

Установка вакуумного напыления типа УВН-71Р-2

Предназначена для изготовления пленочных элементов пленочных элементов и схем способом термического испарения в вакууме. Управление вакуумной системой и процесс напыления осуществляются в ручном режиме.

Техническая характеристика

Предельный вакуум в рабочей камере, мм.рт.ст. 5*10-7

Время достижения предельного вакуума при разогретом насосе, мин 120

Размеры рабочей камеры, мм :

диаметр 500

высота 640

Максимальная температура прогрева рабочей камеры, °С 90

Питание системы ионной очистки :

минимальный ток, мА 300

максимальное напряжение, кВ 3

Число позиций на карусели резистивных испарителей 5

Питание резистивных испарителей :

максимальный ток при напряжении 4В, мА 500

Ступени регулировки напряжения, В 4; 8; 16; 32

Количество одновременно загружаемых подложек, шт. 8

Размеры подложки, мм 60•48•0.5

Допускаемая температура нагрева подложек,°С 400

Количество масок, шт. 8

Фотоповторитель ЭМ5062

Предназначен для изготовления металлизированных эталонных фотошаблонов. Автоматизация всех процессов экспонирования (загрузка, выгрузка и фокусировка, смена и базирование промежуточных фотошаблонов) позволяет сократить до минимума время на подготовительные операции, увеличить выход годных изделий, повысить производительность процесс изготовления фотошаблонов. Высокодинамичный прецизионный координатный стол на МНД позволяет значительно увеличить скорость перемещения пластин, повысить точность позиционирования. Мощная осветительная система позволяет сократить время экспонирования одного модуля до 0.2 ... 0.3 с.

Встроенная в осветительную систему автоматически управляемая полевая диафрагма позволяет осуществлять выбор необходимого поля экспонирования в плоскости фотошаблона проекционным методом. Повышена виброзащищенность фотоповторителя. Управление фотоповторителем осуществляется от ЭВМ ДВК-3, обеспечивающей выполнение заданного алгоритма работы.

Техническая характеристика

Производительность, фш/ч 60

Рабочее поле перемещение координатного стола, мм 150•150

Невоспроизводимость позиционирования координатного стола, мкм 0.2

Масштаб проекционного уменьшения 10 : 1

Предел фотографического разрешения, мкм 1.0

Невоспроизводимость минимального элемента, мкм 0.2

Размер модуля на фотошаблоне, мм 10•10

Невоспроизводимость ориентации модуля, мкм 0.1

Давление в сети сжатого воздуха, Мпа 0.4...0.6

Остаточное давление в вакуумной сети, Мпа 0.02...0.04

Электропитание потребляемая мощность, В 220/380

Габаритные размеры, мм 3000•2735•1986

Масса, кг 1670

Полуавтомат нанесения фоторезистора ПНФ-1Р

Предназначен для нанесения фоторезиста на ситалловую подложку методом центрифугирования. Применяется при серийном производстве и в лабораториях.

Техническая характеристика

Производительность, подл./ч 40

Количество одновременно обрабатываемых подложек, шт. 1

Размеры подложек, мм 60•48•0.5

Скорость вращения центрифуги, об/ мин (500-3000)±10%

Время разгонки центрифуги, с 1.2

Общее время центрифугирования, мин 2

Вакуум в насосе, мм.рт.ст. 0.1

Производительность вытяжки вентиляции, м3/2 600

Установленная мощность, кВт 1

Габаритные размеры, мм 1000•1538•1802

Установка сушки и задубливания фоторезиста типа УСДФ-1

Предназначена для сушки и задубливания фоторезистора, нанесенного на ситалловую подложку, в печи муфельного типа. Применяется при серийном производстве и в лабораторных условиях.

Техническая характеристика

Производительность, подл./ч 40

Диапазон времени сушки и задубливания, шт. (0-30)±1

Количество одновременно обрабатываемых подложек, шт. 10

Размеры подложек, мм 60•48•0.5

Скорость вращения центрифуги, об/ мин (500-3000)±10%

Температура нагрева в камере при сушке и задубливании,°С 0-200

Точность поддержания заданной температуры,°С ±5

Расход водопроводной воды температурой не выше 15 °С

и давлением от 2 до 5 ат, л/ч 60-100

Производительность вытяжки вентиляции, м³ 600

Установленная мощность, кВт 5

Габаритные размеры, мм 1000•1538•1796

Масса, кг 390

Установка совмещения и экспонирования ЭМ-576А

Предназначена для совмещения и экспонирования пластин при фотолитографических процессах изготовления интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. Установка может применяться автономно и в составе автоматизированных линий фотолитографии.

Техническая характеристика

Производительность, подл./ч 180

Погрешность совмещения элементов фотошаблона и пластины, мм 0.5

Размер минимального элемента изображения фотошаблона на пластине:

при контактном экспонировании, мкм 1.5...2

при экспонировании с зазором, мкм 3...4

Неравномерность освещенности рабочего поля 6%

Диапазон перемещения пластины:

по осям X иY, мм ±2.5

по углу, ° ±10

Диапазон перемещения фотошаблона:

по осям X иY, мм ±3

по углу, ° ±4

Линейное увеличение микроскопа 46...225

Остаточно давление в вакуумной сети, МПа 0.5

Давление сжатого воздуха, МПа 0.05

Электропитание и потребляемая мощность, кВт 1.2

Габаритные размеры, мм 1192•1000•1530

Масса, кг 400

Установка для визуального контроля типа УВК - 1

Предназначена для контроля качества обезжиривания, проявления, травления, при выполнении процесса фотолитографии на пленках, нанесенных на ситалловые подложки чередующимися слоями.

Техническая характеристика

Производительность, подл./ч 20

Микроскоп МБС-1:

Общее увеличение микроскопа, крат 88

Размеры подложки, мм 60•48•0.5

Производительность приточно-вытяжной вентиляции, м³ 150

Установочная мощность, кВт 0.6

Габаритные размеры, мм 1000•1200•1550

Установка для контроля прочности микросоединений на отрыв и срез

Предназначена для контроля механической прочности сварных и паяных микросоединений на отрыв и срез при подборе режимов сварки и пайки.

Техническая характеристика

Диапазон усилий, кгс 0.001-0.05

Погрешность измерения усилий, кгс

0.001-0.01 ±0.001

0.011-0.025 ±0.002

0.026-0.050 ±0.003

Размеры подложек, мм от 10•16 до 48•60

Питание от сети переменного тока:

напряжение, В 220

частота, Гц 50

Габаритные размеры, мм 430•300•250

Масса, кг 5

Полуавтоматическая установка УКГМ-2

Предназначена для контроля герметичности масс-спектрометрическим методом снабжена поворотной трехпозиционной каруселью.

Техническая характеристика

Производительность, шт/ч 120

Внутренние размеры (диаметр•высота), мм 72•52

Максимальная чувствительность установки к потоку гелия, см³*Па/с 10-9

Верхний предел отбраковки корпусов по потоку гелия, см³*Па/с 1.3*10-4

Расход воды при давлении 0.3-0.5 МПа, л/ч 80

Расход сжатого воздуха при давлении 0.1-0.4 МПа, л/ч 0.5

Расход жидкого азота, л/ч 0.25

Потребляемая мощность, кВт 5

Габариты, мм 2155•880•1250

Масса, кг 700

Выводы

В данной работе пройдены все этапы проектирования от анализа технического задания до выпуска конструкторской и технологической документации для производства усилителя низких частот ГИС. Основные этапы следующие: выбраны материалы пленочных резисторов, выполнен расчет резисторов, платы и корпуса, выбраны материалы проводников, подложки, а также конструкция корпуса, навесные компоненты и технологическое оборудование. Разработана топология платы. Разработан технологический процесс изготовления платы и сборки всей МКС на основе типовых технологических процессов.

Конструкторская и технологическая документации соответствуют требованиям ЕСКД и ЕСТД.

Разработанная МКС соответствует требованиям технического задания.

Перечень ссылок

1. Парфенов О.Д. Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов по спец. «Конструирование и пр-во ЭВА». - М.: Высш. шк., 2010. - 320 с., ил.

2. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.: ил.

3. ОСТ4 Г0.054.028 - «Микросхемы интегральные гибридные тонкопленочные первой и второй степеней интеграции. Типовые технологические процессы».

4. Методические указания к лабораторному занятию №1 «Расчет пассивных элементов ГИС» по дисциплине «Конструирование и технология микросхем» для студентов специальности 0705 / Сост. А.С. Антоненко. - Запорожье: ЗМИ. - 27 с.

5. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем. - Мн.: Высш. школа, 2009. - 224 с., ил.

6. Коледов Л.А. Технологии и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - 400 с.: ил.

7. Методические указания к курсовому пректу по дисциплине «Конструирование и технология микросхем» для студентов специальности 0705 / Сост. А.С. Антоненко. - Запорожье: ЗМИ, 2009. - 16 с.

8. Методические указания к лабораторному занятию №1 «Расчет пассивных элементов ГИС» по дисциплине «Конструирование и технология микросхем» для студентов специальности 0705 / Сост. А.С. Антоненко. - Запорожье: ЗМИ, 1999. - 27 с.

9. Методические указания к лабораторному занятию №2 «Разработка топологического чертежа» по дисциплине «Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров» для студентов специальности 0705 всех форм обучения / Сост. А.С. Антоненко, Е.С. Пономаренко. - Запорожье: ЗМИ, 2010. - 24 с.

10. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Технология конструирования микросхем и микросборок» для студентов профессионального направления 0910 «Электронные аппараты» специальности 8.091001 «Изготовление электронных средств» /Сост. А.С. Антоненко, Е.С. Пономаренко. - Запорожье: ЗНТУ, 2009. - 16 с.

Размещено на Allbest.ru