Способ изготовления многослойных печатных плат из вентильных металлов

 

Изобретение относится к микроэлектронике, радиоэлектронике и телевидению и позволяет повысить процент выхода годных больших интегральных схем и многослойных печатных плат (МПП) за счет применения одностороннего сквозного анодирования, которое повышает электроизоляционные свойства оксидной пленки, исключая в ней токи утечек и коротких замыканий. Сущность изобретения: применение одностороннего сквозного анодирования стало возможным за счет того, что одну из сторон пластины с нанесенным медным слоем используют для подвода тока анодирования. В процессе образования оксидной пленки происходит формирование коммутации на всю толщину пластины. Из медной пленки, подводящей анодный ток для одностороннего анодирования, методом фотолитографии по тому же фотошаблону, который использовали для получения коммутации перед анодированием, получают рисунок коммутации и тепловых столбов после анодирования таким образом, чтобы одинаковые рисунки коммутации и тепловых столбов обеих сторон совпали по вертикали (толщине). На коммутацию и контактные площадки тепловых столбов с двух сторон наносят гальванически сплав олово-висмут или припой, после чего осуществляют сборку и соединение плат. Применение тепловых столбов значительно повышает теплопроводность МПП за счет отвода тепла по тепловым столбам, так как в сборке после соединения они представляют собой сплошной вертикальный металлический столб (линии), который(ая) соединяет все платы от верхней до нижней. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и вычислительной технике и может быть использовано для изготовления многослойных коммутационных печатных плат для БГИС, радиоэлектронной и вычислительной техники.

В настоящее время существующие способы изготовления многослойных печатных плат (МПП) как на фольгированном диэлектрике, так и на анодируемом материале имеют существенные недостатки, а именно платы на диэлектриках имеют ненадежные электрические переходы, а платы на анодируемых материалах имеют ненадежную электроизоляцию между изолированными контактами и проводниками.

Известен способ изготовления МПП патент Франции N 2106903, кл. H 05 K 3/00, 05,05,72), включающий нанесение на двусторонний фольгированный диэлектрик маскирующего покрытия, получение топологии рисунка проводников и контактных площадок путем травления фольги, получение соединений между слоями гальваническим наращиванием металла в переходных отверстиях. Двусторонние печатные схемы разделяют тоники диэлектрическими прокладками и в переходные отверстия впаивают фиксирующие стержни.

Недостатком этого способа является ненадежность электрических переходов как в плате, так и в МПП, особенно когда этих переходов более двухсот-трехсот и их стыковка затруднительна из-за разной величины ухода геометрических размеров пленки. Эти изменения вызваны термохимическим воздействием на пленку при выполнении технологических операций. Другим недостатком является низкая теплопроводность такой сборки из-за невысокой теплопроводности диэлектрика полиимидной пленки α0,15 Вт/м ˙ К. Третьим недостатком является высокая трудоемкость из-за впаивания фиксирующих стержней, четвертым отсутствие теплоотводящих столбов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления МПП авт. св. СССР N 780237, кл. H 05 K 3/36, опублик. 1980), согласно которому сборку МПП проводят из отдельных плат, полученных из фольги анодируемых металлов: алюминия, титана, ниобия, гафния и их сплавов. Способ включает выполнение фиксирующих отверстий, фотолитографию, с целью проведения селективного гальванического осаждения металла на технологическую кромку и контактные площадки, а также неглубокого анодирования, вновь фотолитографию с целью получения соединительных проводников методом глубокого селективного анодирования, совмещение плат по фиксирующим отверстиям, соединение плат по контактным площадкам холодной сваркой под давлением, герметизацию плат по торцовым поверхностям пайкой.

Такой способ позволяет получать платы с проводящим слоем любой толщины и хорошей изоляцией от внешних воздействий, но приводит к коротким замыканиям или значительным утечкам тока между изолированными контактными площадками и проводниками. Это объясняется тем, что при двустороннем сквозном анодировании в конце анодирования, когда толщина непроанодированной сердцевины Δh__→ 0, принимая все меньшие и меньшие значения, и когда Δh ≅ 100 начинают сказываться неравномерность распределения электрического потенциала по непроанодированной сердцевине пластины, что приводит к распаду сплошной тонкой металлической пленки на отдельные островки, изолированные тонкими полосками окиси алюминия и неметаллическими фазовыми включениями. Постепенно электросопротивление между металлическими островками увеличивается и практически ток анодирования уменьшается до нуля. Анодирование прекращается. В дальнейшем оставшиеся тонкие плоские металлические островки в центре объема окиси алюминия и служат теми мостиками повышенной утечки тока или даже короткого замыкания между отдельными изолированными контактными площадками и проводниками.

Выход годных плат по такому способу составляет не более 3-5% поэтому такой способ не нашел широкого применения в практике.

Вторым недостатком является то, что в конструкции МПП не предусмотрены сквозные тепловые столбы с целью отвода тепла на массу блока. Этот недостаток примерно в десять раз снижает теплопроводность МПП. Использование в этой конструкции мощных ИВЭП (мощность рассеивания примерно 100 Вт) невозможно из-за накапливания тепла в ней в связи с невысокой сравнительно теплопроводностью окиси алюминия. α 10-30 Вт/м ˙ К, тогда как теплопроводность алюминия α 250-300 Вт/м˙ К.

Данные по теплопроводности получены на приборе теплофон ИТС-01.011 Московского химико-технологического института им. Д.И.Менделеева, в котором использован интегральный метод измерения теплопроводности за счет фиксации волны теплового потока вдоль пластины термопарами и соответствующей автоматической интеграции и разности температур.

Сравнительно невысокая теплопроводность конструкции МПП заложена из-за утверждения, не соответствующего истине, что окись металла проводит тепло как сам металл или даже лучше.

Третьим недостатком является то, что конструкция неремонтоспособна из-за того, что соединение пластин по контактным площадкам выполнено холодной сваркой под давлением.

Даже при 100%-ной бездефектности по коммутации все же возникает необходимость непосредственно при монтаже микроэлектронных изделий или по истечении какого-то времени эксплуатации заменять отдельные пассивные или активные элементы схемы. Это на практике может привести к отрыву или отслоению медных контактных площадок, в связи с чем возникает потребность в замене верхней платы, которая соединена холодной сваркой и потому несъемна. Нужно отметить, что несмотря на то, что платы имеют электрические переходы с одной поверхности на другую, все же коммутация практически одноуровневая, так как проводники расположены в одной плоскости.

По предлагаемому способу изготовления МПП формирование коммутации начинают с нанесения сплошных металлических слоев на обе стороны пластины и на одной из сторон методом фотолитографии выполняют коммутацию из нанесенного слоя, а другую сторону используют для подвода тока анодирования и проводят одностороннее сквозное анодирование, в процессе которого одновременно с образованием оксидной пленки происходит формирование коммутации и тепловых столбов на всю толщину пластины, до сплошного нанесения слоя металла, из которого после проведения одностороннего сквозного анодирования методом фотолитографии по тому же фотошаблону получают рисунок коммутации и тепловых столбов, одноименные точки которых совпадают с рисунком другой стороны по веpтикали, а затем на коммутацию и контактные площадки тепловых столбов с двух сторон наносят гальванически сплав олово-висмут или припой и осуществляют сборку и соединение плат вакуумной пайкой, где соответствующие тепловые столбы каждой последующей платы соосны с тепловыми столбами предыдущей платы и в сборке после соединения представляют собой сплошной вертикальный металлический столб (линию), который (ая) соединяет все платы от верхней до нижней, при этом в сборке платы разделены диэлектрическими прокладками с отверстиями в местах соединений электрических и тепловых переходов, после чего проводят завершающую операцию изготовления МПП соединение плат путем пайки по торцовым поверхностям, выполняя условие t^o_ППТ t^о_ПТ ≥30^оС, где t^о_ППТ температура пайки контактных площадок электрических переходов и тепловых столбов; t^о_ПТ температура пайки торцовых поверхностей.

Сущность способа заключается в том, что на алюминиевую фольгу толщиной 0,01-0,2 мм наносят с двух сторон металлическое покрытие. На одной из сторон методом фотолитографии выполняют коммутацию, а другую сторону используют для подвода тока анодирования J_d ≈ 2-7 А/дм² и проводят одностороннее сквозное анодирование, в процессе которого одновременно с образованием оксидной пленки происходит формирование коммутации и тепловых столбов на всю толщину пластины до сплошного нанесенного слоя металла, из которого после проведения одностороннего сквозного анодирования методом фотолитографии по тому фотошаблону получают рисунок коммутации и тепловых столбов, одноименные точки которых совпадают с рисунком другой стороны по вертикали.

Сущность способа заключается в том, что на свободных местах от коммутации на каждой плате предусмотрены тепловые столбы, причем тепловые столбы каждой последующей платы соосны с тепловыми столбами предыдущей платы и в сборке после соединения представляют собой сплошной вертикальных металлический столб (линию), который (ая) соединяет все платы от верхней до нижней, при этом в сборке платы разделены диэлектрическими прокладками с отверстиями в местах соединений электрических и тепловых переходов.

Необходимая теплопроводность пакета регулируется за счет количества теплопроводных столбов и их сечения.

Сущность способа заключается в том, что соединение плат по контактным площадкам и тепловым переходам осуществляют путем пайки, причем температура пайки электрических переходов и тепловых столбов не менее чем на 30^оС больше температуры пайки торцовых поверхностей, а при ремонте температура подогрева пакета должна быть ниже температуры пайки торцов платы не менее чем на 20^оС.

Предлагаемый способ опробован в лабораторных условиях и для его осуществления применяют анодируемые металлы: алюминий, тантал, титан, ниобий и гафний.

Схема реализации способа представлена на чертеже.

Из ленты алюминия (фольги) толщиною 50 мкм вырубают 10 шт. пластин 1 размером 100х100 мм. Пластины обрабатывают в смеси кислот: азотной (HNO₃) и плавиковой (HF) на 1000 мл деионизованной воды соответственно 15 и 5 мл для снятия окисной пленки, по трубопроводу, заполненному инертным газом азотом, пластины из смеси кислот подают в гальваническую ванну, не соприкасая поверхности пластины с атмосферой, и наращивают медный слой 2 металла толщиной 4 мкм. В пластинах пробивают фиксирующие отверстия 3 и методом окунания на обе стороны наносят негативный фоторезист ФН-11С ₄ (он хорошо стоит в кислотной среде). На одну из сторон пластины накладывают фотошаблон и его три реперных знака совмещают с тремя фиксирующими отверстиями 3. Проводят экспонирование через фотошаблон. Экспонирование второй стороны проводят без фотошаблона. Далее проявляют, отмывают, задубливают (фиксация) и травят медь в кислотном травителе: в 1000 мл деионизованной воды марки А, ОСТ 11.029.003-80, вливают 150 мл хромового ангидрида (CrO₃), 10 мл соляной кислоты (HCl) и 35 мл азотной кислоты (HNO₃) и перемешивают. Затем следует отмывка и сушка.

После этих операций на пластинках с одной стороны имеется рисунок коммутации, состоящий из контактных площадок 5 в местах электрических переходов и тепловых столбов 6, а также соединительных проводников 7, а с другой стороны защищенный фоторезистом сплошной медный слой.

После этого проводят одностороннее сквозное анодирование при постоянном токе, используя сторону со сплошным металлическим слоем для подвода тока анодирования, формируя таким образом электрические переходы, соединительные проводники и изолированные тепловые столбы (см. чертеж, г). В электролите анодирования использованы следующие компоненты, г/л: Борная кислота хч 16 ГОСТ 9656-75 Лимонная кислота 40 ГОСТ 3652-69 Щавелевая кислота 70 ГОСТ 22180-76 Первые 5 мин анодирование проводят при токе I_а ≈3 А/дм², а последующие 115 мин анодирование проводят при токе I_а 2 А/дм², при температуре раствора 22 ± 2^оС. Полное время анодирования 120 мин.

Далее удаляют фоторезист, с двух сторон осуществляют промывку, сушку и вновь нанесение фоторезиста ФН-11С на обе стороны. Затем следуют проявление, отмывка, задубливание (фиксация) и травление меди с поля в кислотном травителе.

Вновь снимают с коммутации, отмывают высушивают и получают готовую коммутационную плату, на которую методом окунания наносят припой ПОСК-50-18 8 (см. чертеж, д) c температурой обслуживания ≈230^оС.

Также методом окунания пластины в припой, но в технологической оснастке, которая защищает рабочее поле (коммутацию и тепловые столбы) наносят припой ПОС-61 9 с температурой обслуживания 190^оС.

Проводят контроль изоляционных свойств оксида алюминия термометром Е6-13А, замеряя электросопротивление между изолированными контактными площадками и проводниками, а также измеряют объемное электросопротивление анодного слоя (оксида). Проводят контроль прохождения электрического сигнала по электрическим переходам, замеряя их электросопротивление прибором ПК.СПП-1200-004, ГОСТ 246063-82. Результаты замеров сведены в таблицу где ρ удельное электросопротивление оксида алюминия (анодного слоя), R электросопротивление оксида алюминия между двумя изолированными параллельными проводниками, находящимися на расстоянии 100-120 мкм и имеющими длину 9 см, и контактными площадками, r_п электросопротивление между электрическими переходами (контактными площадками), которые соединены проводниками и находятся на разных поверхностях.

Анализируя данные таблицы, нужно отметить, что если процент выхода годных подобных плат на полиимиде составляет 20-40% то выход годных плат на алюминиевой фольге составил 100% а если еще учесть высокую теплопроводность оксида алюминия по сравнению с полиимидной пленкой ≈ 100 раз, то МПП из алюминиевой фольги внеконкуренции из-за простоты изготовления и высокой надежности платы по основным параметрам, приведенным в таблице.

После контроля основных параметров плат их в количестве 10 шт. собирают по фиксирующим отверстиям в пакет, используя для этого технологическую оснастку. Помещают пакет в технологической оснастке в установку вакуумной пайки. Откачивают воздух из отсека, где находится пакет, до 10^-2 мм рт.ст. Создают давление на пакет до 3 кг/см² и нагревают пакет в технологической оснастке до температуры плавления припоя РОСК-50-18 до 225-230^оС. Выдерживают 7 с и отключают нагрев, оставив давление на пакет 4 кг/см².

По достижении температуры 60^оС стравливается давление до 1 кг/см², открывается клапан вакуумной камеры. Извлекается МПП вместе с технологической оснасткой.

Вновь проводят контроль электроизоляционных свойств оксида алюминия (анодного слоя) и электросопротивлений электрических переходов в МПП. Результаты контроля соответствуют табличным.

Проводят испытания на разборность конструкции, для чего нагревают пакет до 140^оС и с помощью паяльника, имеющего температуру жала 200^оС, и скальпеля отсоединяют две платы по торцам. После этого нагревают пакет до 170^оС и опять с помощью паяльника, имеющего температуру жала 240^оС, и скальпеля отсоединяют две платы, имитируя таким образом ремонт.

Вновь с помощью вакуумной пайки присоединяют эти платы на пакет, так как новых нет. Проводят контроль электроизоляционных свойств оксида алюминия (анодного слоя) и электрических переходов в МПП. Результаты контроля соответствуют табличным.

Использование предлагаемого способа изготовления МПП из вентильных металлов позволяет повысить выход годных на 50% с 30 до 80% что обеспечивает не только высокую экономию при изготовлении, но и надежность и расширяет сферу применения схемотехнических решений.

Приведенная экономическая эффективность предлагаемого способа сравнивается с производством МПП на полиимидной пленке, так как МПП на алюминиевой фольге пока нет.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ИЗ ВЕНТИЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ, включающий выполнение в подложке фиксирующих отверстий, формирование фоторезистивной маски на поверхности подложки, гальваническое осаждение металла в окна маски в соответствии с рисунком проводников и контактных площадок, удаление маски и анодирование подложки, сборку подложек в пакет путем совмещения их по фиксирующим отверстиям и соединение подложек по контактным площадкам, контроль параметров плат, пайку плат по торцам, отличающийся тем, что на обе стороны пластины наносят сплошные металлические слои до формирования резистивной маски, а формирование коммутации и теплоотводящих столбов осуществляют в три этапа, последовательно обрабатывая нанесенный слой(и) лицевой стороны - пластину - нанесенный слой (и) обратной стороны, получая таким образом полную толщину формируемых элементов h = h₁ + h₂ + h₃, мкм, где h₁ - толщина коммутации и теплоотводящих столбов из слоя(ев) на лицевой стороне пластины, мкм; h₂ - толщина коммутации и теплоотводящих столбов в пластине, мкм; h₃- толщина коммутации и теплоотводящих столбов из слоя(ев) на обратной стороне пластины, мкм,
причем коммутация и тепловые столбы в пластине получены путем одностороннего сквозного анодирования материала пластины за счет использования нанесенного сплошного слоя обратной стороны пластины в качестве анода, при этом коммутацию и теплоотводящие столбы обратной стороны совмещают с коммутацией и теплоотводящими столбами лицевой стороны, однако площадь проводников и теплоотводящих столбов обратной стороны не меньше, чем на лицевой стороне, а при сборке подложек в пакет между подложками размещают диэлектрические прокладки с отверстиями в местах расположения переходных контактных площадок и теплопроводящих столбов, причем при пайке по торцам выполняют следующее условие:
t^°_ппт-t^°_пт≥ 30°C,
где t^°_ппт - температура пайки плат по переходным площадкам и теплопроводящим столбам, ^oС;
t^°_пт - температура пайки плат по торцам, ^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2