Структурно-фазовое состояние вольфрамовых межслойных переходов и его влияние на механические характеристики металлокерамических плат тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ермолаев Евгений Валерьевич

• Ермолаев Евгений Валерьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Ермолаев Евгений Валерьевич

Введение

1 Межслойные переходы и технология их формирования в условиях массового производства металлокерамических корпусов для интегральных схем. Проблемы и решения

1.1 Корпуса микросхем и их характеристики

1.2 Технология изготовления многослойных металлокерамических плат и корпусов микросхем

1.3 Технология межслойных переходов в условиях массового производства металлокерамических корпусов для интегральных схем

1.4 Проблемы и задачи технологии межслойных переходов в условиях массового производства металлокерамических корпусов для интегральных схем

1.4.1 Проблемы совместного спекания алюмооксидной керамики с металлизацией

1.4.2 Обзор работ, посвященный исследованию микротрещин металлокерамических плат и корпусов микросхем в области межслойных переходов

2 Объекты, предмет, методики и методология диссертационного исследования

2.1 Объекты исследований

2.2 Методика изготовления тестовых образцов металлокерамических плат с содержанием межслойных переходов

2.2.1 Методика формирования керамических слоев металлокерамических плат

2.2.2 Методика изготовления металлических трафаретов для заполнения переходных отверстий металлизационной пастой

2.2.3 Методика изготовления металлизационных формующих паст

2.2.4 Методика формирования межслойных переходов

2.2.5 Методика спекания металлокерамических плат

2.2.6 Методика изготовления модельных образцов для проведения исследований

2.2.7 Методика получения шлифов обожженных модельных образцов металлокерамических плат

2.3 Предмет исследований

2.4 Методы исследований

2.5 Методология диссертационной работы

3 Анализ процессов формирования дефектов межслойных переходов в условиях массового производства

3.1 Спекание разнородных материалов как фактор снижения механической прочности металлокерамических плат в зоне межслойных переходов

3.2 Форма межслойных переходов как фактор снижения механической прочности металлокерамических плат

3.3 Структура межслойных переходов как фактор снижения механической прочности металлокерамических плат

3.4 Локализация пор на границе системы материалов «керамика-межслойный переход» как фактор снижения механической прочности металлокерамических плат

3.5 Плотность размещения межслойных переходов в объеме платы как фактор снижения механической прочности металлокерамических плат

3.6 Выводы по главе

4 Способы предотвращения разрушения металлокерамических плат и корпусов микросхем в области межслойных переходов

4.1 Разработка способа устранения «тороидальности» межслойных переходов

4.2 Разработка способа устранения локальных неоднородностей в объеме межслойного перехода

4.3 Разработка способа обеспечения согласованности температурной усадки системы материалов «керамика-межслойный переход»

4.4 Выводы по главе

5 Процессы стабилизации капиллярных дефектов в структуре «межслойный переход -керамическая подложка»

5.1 Модель капиллярных дефектов в области межслойного перехода

5.2 Стабилизация капиллярных дефектов по схеме «застежка молния»

5.3 Термическая устойчивость параметров качества металлокерамических корпусов в условиях массового производства

5.4 Практическое применение результатов исследований

5.5 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А Акт внедрения результатов диссертационного исследования в производственный

процесс АО «ЗПП»

Приложение Б Способ формирования межслойных переходов в многослойной

металлокерамической плате

Приложение В Способ измерения вязкости высоковязких жидкофазных средств

Приложение Г Способ определения разрешающей способности процесса трафаретной печати

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурно-фазовое состояние вольфрамовых межслойных переходов и его влияние на механические характеристики металлокерамических плат»

Введение

Актуальность темы. Формирование металлизированных межслойных переходов было и остается одной из основных проблем производства и проектирования современных приборов различного функционального назначения. Существенным фактором, изначально определившим вектор требований к микроэлектронике, а в современной промышленности вслед за ней и к корпусной и коммутационной технике, стала массовость производства с ее специфическими требованиями жесткой, неадаптивной системы управления, большими габаритами оборудования и объемами камер обработки, непрерывность потоков материалов сырья и заготовок, то есть те особенности, которые определяют принципы массового производства. Все эти факторы существенно меняют научно-технические особенности проектирования и производства коммутационных устройств в изделиях приборостроения. Единственно приемлемым по критериям надежности материалом для изготовления плат становится керамика, а из всех типов керамики - алюмооксидная, обладающая наиболее обширным набором рекомендаций, приемов и оборудования для успешного продвижения по шкале размерных и надежностных показателей качества металлокерамических плат.

Требование увеличения быстродействия аппаратуры в условиях применения микроэлектронной компонентной базы повышенной степени интеграции привело к необходимости максимального повышения плотности упаковки межслойных переходов в объеме металлокерамических плат, что способствует появлению внутренних напряжений, превышающих предел прочности алюмооксидной керамики. Это обстоятельство приводит к образованию микротрещин в области межслойных переходов и снижению механической прочности металлокерамических плат в целом. В связи с этим исследования в направлении решения научной задачи, обеспечивающей технологическое решение повышения прочности металлокерамических плат в зоне межслойных переходов, являются актуальными.

Работа выполнена в рамках следующих проектов: в рамках гранта УМНИК-2015, договор № 9329ГУ/2015 «Разработка методов повышения надежности коммутационных плат и корпусов микросхем на основе тонкой радиокерамики в области межслойных контактных соединений»; в рамках программы прорывных проектов в области 1Т-технологий «1Т-прорыв» 2015 «Проблема информационного обеспечения при производстве изделий микроэлектроники»; в рамках программы прорывных проектов в области 1Т-технологий «1Т-прорыв» 2016 «Разработка технологии сборки многослойных коммутационных плат повышенной степени интеграции»; в рамках гранта УМНИК-2020, договор №15029ГУ/2020 «Разработка вискозиметра для измерения и исследования динамической вязкости в прикладных и фундаментальных исследованиях высоковязких жидкофазных систем»; в рамках гранта УМНИК-2020, договор №15966ГУ/2020

«Разработка тест-системы определения разрешающей способности трафаретной печати для изделий микроэлектроники; в рамках государственного задания на оказание государственных услуг Минобрнауки России №075-01252-22-03 от 26.10.2022 г.

Степень разработанности темы исследования. Повышение трещиностойкости металлокерамических плат в зоне межслойных переходов возможно при обеспечении согласованной (синхронной) температурной усадки системы материалов «керамика -металлизация» во время высокотемпературного обжига плат. Степень согласованности температурной усадки определяется структурно-фазовым строением и формой межслойных переходов, технологией формирования переходных отверстий и межслойных переходов, реологическими свойствами металлизационной пасты, плотностью упаковки межслойных переходов в объеме платы, а также условиями протекания физико-химических процессов в приграничных областях рассматриваемой системы материалов «керамика - металлизация». Условия взаимодействия металлизации с высокоглиноземистой керамикой с содержанием AhO3 от 90 до 94 % подробно изложены в работах Пинуса, Форджа, Кола и Хунеса. Научные разработки по механизмам взаимодействия окислов высокоглиноземистой керамики, таких как SiO2, Al2O3, CaO, MgO с вольфрамовой и молибденовой металлизацией, подробно изучены в работах Дантона, Равзона, Флоуда, Кола и Соммера. Влияние факторов, способствующих процессу миграции стеклофазы и улучшению химического сродства металлизации с керамикой, было хорошо изучено в работах J. Amer., Решетникова A.M., Поветкиной Э.Н., Блейвиса И.М. Вопросам, связанным с повышением прочности сцепления металлизации с керамикой, уделялось большое внимание в работах Булавина И.А., Павлушкина Н.М., Козловского Л.В., Миленышевой Л.И., Герасимовой Л.Ф., Ермаковой А.А.

Авторами представленных работ внесен большой вклад в теорию образования прочной связи между алюмооксидной керамикой и металлизацией на основе тугоплавких порошков (Mo, W). При этом авторы ограничились теорией миграции стекла и изучением факторов повышения согласованности температурных усадок только в системе материалов «керамическая подложка -толстопленочная металлизация» и не уделили должного внимания повышению прочности элементов в системе «керамическая подложка - межслойный переход». В связи с этим остается неизвестным влияние физико-химических, технологических и конструктивных факторов на согласованность температурных усадок рассматриваемой системы материалов в условиях принципиальных особенностей массового производства, и достижимых возможностей реализации существующих и перспективных конструкций металлокерамических плат.

Цель работы заключалась в установлении закономерностей и выявлении критериев оценки параметров вольфрамовых металлизационных паст, способствующих повышению механической прочности металлокерамических плат в зоне межслойных переходов, в условиях

массового производства корпусов микросхем. Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

- Исследовать доминирующие факторы дефектности металлокерамических плат и корпусов микросхем в зоне межслойных переходов;

- Исследовать влияние физико-химических, технологических и конструктивных факторов нестабильности на температурную усадку межслойных переходов;

- Исследовать физико-химические процессы пропитки объема межслойного перехода стеклофазой керамики, их влияние на дефектность МКК в условиях увеличения плотности размещения и уменьшения диаметра межслойных переходов;

- Выявить возможности устранения и подавления процессов активации преобладающих дефектов межслойных переходов;

- Выявить факторы стабилизации, способствующие повышению трещиностойкости керамики ВК-91 в зоне межслойных переходов и оценить их влияние на эксплуатационные характеристики металлокерамических корпусов микросхем;

- Реализовать на практике научные результаты исследований в части повышения механической прочности металлокерамических плат в области межслойных переходов.

Научная новизна работы:

Основные результаты, определяющие научную новизну, заключаются в следующем:

1) Выявлены условия образования оптимальной структуры и формы межслойных переходов и металлизационных паст на основе вольфрамовых порошков со средним размером частиц от 0,9 до 2,0 мкм и вязкостью от 20000 до 70000 Пуаз, что обеспечивает повышение предела прочности металлокерамических плат до 17 %.

2) Впервые найдено научное решение оптимизации структурно-фазового состояния межслойного перехода, обеспечивающее равномерную пропитку его объема стеклофазой керамики в процессе высокотемпературного обжига плат при температуре 1530 °С, за счет двухступенчатой металлизации переходных отверстий низковязкой металлизационной пастой с вязкостью от 200 до 700 Пуаз и высоковязкой металлизационной пастой с вязкостью от 20000 до 70000 Пуаз, и бимодальным распределением частиц от 0,7 до 1,0 мкм и от 2,0 до 2,3 мкм.

3) Установленные закономерности увеличения радиальной усадки межслойных переходов от 22 до 36 % при вариации их диаметра от 0,1 до 0,5 мм и плотностью упаковки с межпереходным интервалом от 1 до 3 мм определяют, что температурная усадка межслойных переходов прямо пропорциональна диаметру и плотности их размещения, что приводит к повышению предела прочности металлокерамических плат на 20 %.

4) Впервые установлено влияние повторной термической обработки металлокерамических плат при температуре 1400 °С на процесс активации вязкостного

залечивания трещин по механизмам капиллярной гидродинамической пропитки объема трещины стеклофазой керамики и активации твердофазного спекания частиц корунда по схеме «застежка молния».

Теоретическая значимость работы определяется тем, что развиты научные представления и получены новые данные о процессах получения, структуре и свойствах металлизационных паст для формирования межслойных переходов в объеме металлокерамических плат. Выявлено взаимовлияние переходов на их устойчивость к растрескиванию в объеме металлокерамических плат. Расширены научные представления о процессах спекания системы материалов «керамическая подложка - межслойный переход». Сформулированы модели залечивания трещин керамики в области межслойных переходов, основанных на механизме капиллярной гидродинамической пропитки объема трещины стеклофазой керамики и активации твердофазного спекания частиц корунда по схеме «застежка молния».

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований внедрены и используются на федеральном государственном унитарном предприятии Акционерное Общество «Завод полупроводниковых приборов» (г. Йошкар-Ола), являющимся основным производителем отечественных металлокерамических корпусов и плат, что подтверждается актом о внедрении результатов диссертационной работы. Основные научные принципы диссертационной работы защищены патентами РФ: патент РФ № 2610302, патент РФ № 2738911, патент РФ № 2763278.

Методология и методы исследования. Методология диссертационной работы основана на гипотезе о том, что механическая прочность металлокерамических плат в зоне межслойных переходов определяется степенью согласованности температурных усадок материалов в рассматриваемой системе материалов «керамика - межслойный переход».

Модельные образцы для экспериментальных исследований изготавливались по базовой технологии изготовления металлокерамических корпусов на территории АО «ЗПП» (г. Йошкар-Ола) из наиболее распространенной в отечественной микроэлектронике керамики марки ВК91-2 с применением серийного оборудования.

Для обнаружения трещин керамики в окрестности межслоевой металлизации применялся метод капиллярной дефектоскопии. Для анализа микроструктуры межслойных переходов применялась методика рентгеноструктурного, электронно-микроскопического и микрозондового анализа. Петрографический анализ металлизационных межслойных переходов проводился на микрошлифах с применением дифференциально-интерференционного микроскопа. С целью определения температуры размягчения стекловидной фазы выполнен дифференциальный термический анализ керамической композиции ВК91-2.

Положения, выносимые на защиту:

1) Фактор формы и структуры межслойных переходов диаметром от 0,1 до 0,5 мм, оптимальное состояние которых обусловлено реологическими свойствами металлизационной пасты вязкостью от 20000 до 70000 Пуаз, размером частиц их дисперсной фазы от 0,9 мкм до 2,0 мкм и спецификой технологии заполнения переходных отверстий, способствует повышению предела прочности металлокерамических плат до 17 %.

2) Подавление фактора неоднородности межслойного перехода возможно в процессе двухступенчатой металлизации переходных отверстий металлизационными пастами с содержанием 50 % вольфрамовых частиц размером от 0,7 до 1,0 мкм и 50 % вольфрамовых частиц размером от 2,0-2,3 мкм, а также вязкостью от 200 до 700 Пуаз в процессе первичного покрытия стенок переходных отверстий и вязкостью от 20000 до 70000 Пуаз в процессе последующего заполнения переходных отверстий.

3) Вариация диаметра межслойных переходов от 0,1 мм до 0,5 мм и межпереходного интервала в диапазоне от 1 до 3 мм влияет на температурную усадку межслойных переходов в радиальном направлении, величина которой варьируется от 22 до 36 %, что играет существенную роль в процессе трещинообразования керамики в зоне межслойных переходов и повышения предела прочности металлокерамических плат в целом.

4) Модель активации вязкостного залечивания трещин в режиме пониженной температурной обработки дефектных металлокерамических плат с 1530 °С до 1400 °С, заключающаяся в капиллярно гидродинамической пропитке объема трещины стеклофазой керамики и активации твердофазного спекания частиц корунда по схеме «застежка молния».

Степень достоверности результатов исследования обеспечивается комплексным подходом к решению сформулированных задач, адекватностью методов исследования, использованием стандартизированных методик измерения свойств в соответствии с требованиями ГОСТ и международных стандартов, статистических методов обработки результатов и непротиворечивостью полученных в рамках диссертационной работы данных с данными, приведенными в отечественной литературе и международных научных источниках, а также применением практически реализованных методов, что подтверждается актом внедрения.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 2015), на III республиканской молодежной конференции в рамках Всероссийского студенческого форума «Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России» (Йошкар-Ола, 2015), на VI и VII международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Санкт-Петербург, 2016), на IV международной научной конференции «Актуальные вопросы научных исследований» (Москва,

2017), на Ы-ЬП международной научно-практической конференции «Технические науки: проблемы и решения» (Москва, 2021).

Личный вклад автора. Автором проведен анализ научно-технической литературы, сформулированы подходы к решению поставленных задач. Проведены эксперименты по получению опытных и промышленных образцов металлокерамических плат. Выполнен анализ структуры и формы межслойных переходов, анализ и математическое моделирования физико-химических процессов, способствующих повышению трещиностойкости керамики в зоне межслойных переходов. Совместно с научными руководителями проведено обобщение результатов работы, сформулированы научные положения и выводы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 8 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, 5 публикаций в сборниках материалов международных и республиканских научно-практических и научных конференций; получено 3 патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 97 наименований, и 4 приложений. Материал изложен на 152 страницах машинописного текста. В работе 8 таблиц, 92 рисунка.

1 Межслойные переходы и технология их формирования в условиях массового производства металлокерамических корпусов для интегральных схем. Проблемы и

решения

Степень герметичности металлокерамического корпуса в области межслойных переходов определяется как физико-химическими явлениями, происходящими в процессе спекания системы «керамическая подложка - межслойный переход», так и конструктивно-технологическими факторами, оказывающими непосредственное влияние на качество формирования межслойного перехода. В этой связи возникает необходимость в обзоре работ, посвященных исследованию технологии и методов формирования межслойных переходов.

1.1 Корпуса микросхем и их характеристики

Корпус микросхемы, как показано на рисунке 1.1, рисунке 1.2, представляет собой герметичную конструкцию, предназначенную для защиты кристалла интегральной микросхемы от внешних факторов среды и монтажа его в аппаратуру с помощью металлических выводов [1].

Рисунок 1.1 - Конструкция корпуса микросхемы в разборе

Открытые контактные площадки для распайки кристалла

Рисунок 1.2 - Внешний вид корпуса интегральной микросхемы после посадки кристалла

Массовость выпуска, влияние корпуса на стоимость и надежность микросхемы предъявляют высокие требования к его конструктивности и технологичности. Согласно современным представлениям и литературным данным, корпуса микросхем должны обеспечивать надежную эксплуатацию микросхем, иметь минимальные габариты, обладать радиационной стойкостью, высокой механической прочностью и тепловыми характеристиками. При этом конструкция корпуса должна быть технологичной и обеспечивать низкую стоимость, механизацию и автоматизацию как изготовления, так и сборки микросхем в корпусе и монтажа микросхем в аппаратуре [2].

Заданные свойства корпусов микросхем при их изготовлении достигаются выбором исходных материалов по разработанным критериям соответствия, осуществлением входного контроля качества исходных материалов, использованием операций и процессов, формирующих заданные свойства, а также выбором оптимальных режимов изготовления.

По конструктивно-технологическому принципу корпуса разделяются на следующие основные типы: металлостеклянные, металлополимерные, металлокерамические, многокристальные, чашечные. Однако, наибольшее применение получили корпуса на основе металлокерамики [1].

Керамика для таких корпусов должна обладать хорошей теплопроводностью, электроизоляционными свойствами, прочностью и технологичностью, а также иметь близкий коэффициент теплового расширения с полупроводниковым кристаллом микросхемы, металлизационными частями платы, а также металлическими комплектующими корпуса (выводная рамка, металлический ободок под сварку герметизирующей крышки) во избежание температурных напряжений. Этим основным требованиям удовлетворяет керамика на основе окиси алюминия [3].

Металлокерамические корпуса могут быть однослойными и многослойными. Многослойные керамические корпуса получили наибольшее распространение, так как практически удовлетворяют большинству указанных требований [3]. Преимущество многослойных корпусов микросхем заключается в наибольшей универсальности, обеспечивающей небольшие габариты вплоть до 3,5 х 3,5 мм, количество выводов более 256 при малых габаритах, и высокую прочность закрепления внешних выводов с усилием отрыва 13,5 Н. Основным недостатком таких корпусов является большая стоимость по сравнению с другими типами, поэтому их применяют только для схем, требующих высокой надежности и широкого применения.

1.2 Технология изготовления многослойных металлокерамических плат и корпусов

микросхем

Современная технология изготовления металлокерамических плат и корпусов микросхем основана на использовании низкощелочного глубоко прокаленного глинозема высокой дисперсности со средним размером частиц в диапазоне 3-5 мкм со стеклообразующими добавками кварцевого песка, обожженного талька, извести и цирконового концентрата. В соответствии с рисунком 1.3 условно в производственном цикле металлокерамических корпусов можно выделить 5 основных этапов [4, 5]: изготовление керамической пленки (ленты), изготовление металлокерамических плат из пластичной керамической пленки, температурная обработка металлокерамических плат, сборка корпуса микросхемы, гальванические покрытия.

Формирование корпусов производится из пластифицированной керамической пленки толщиной 0,1-0,8 мм, получаемой методом литья керамического шликера через зазор контролируемой высоты на движущуюся транспортер-подложку [5].

Спекание ^ Никелирование Ш^>Пайка выводов Су>Покрытие Ni/Au

Рисунок 1.3 - Базовые этапы производственного цикла металлокерамических корпусов для

интегральных схем

Керамическая пленка поставляется в виде рулонов на полуавтоматический конвейер и проходит под механическим вырубным прессом [1]. Так формируются групповые заготовки -керамические карты прямоугольной формы. Групповые заготовки слоев будущих плат имеют, как правило, несколько типов отверстий:

1) круглые базовые, расположенные по краям и предназначенные для фиксации слоев на рабочих столах оборудования;

2) прямоугольные, образующие контуры площадок для монтажа кристаллов и других компонентов прибора;

3) круглые переходные отверстия, формирующие межслойные переходы проводников между слоями и теплоотводящие области от мест монтажа мощных кристаллов.

Минимально возможный диаметр переходных отверстий зависит от способа (штамповка, лазерная обработка) их формирования и вязкости проводящей пасты, которая должна полностью заполнить отверстие для обеспечения надежного межслойного соединения. После формирования переходных отверстий проводится их заполнение проводящей пастой через металлические трафареты толщиной 150-200 мкм. Для заполнения переходных отверстий металлизационной пастой применяется ракель или специальный экструзионный пресс с давлением от 2 до 40 МПа.

Далее, методом трафаретной печати, на керамические карты наносят металлизационный слой проводниковой вольфрамовой пасты определенной топологии, с целью создания токопроводящего слоя, к которому в последующем припаиваются металлические выводы, позволяющие подсоединить корпус микросхемы к внешней электрической цепи [1, 2, 6]. Минимально реализуемые значения ширины проводников и расстояний между ними в условиях массового производства ограничены разрешающей способностью трафаретной печати и на данный момент составляют 100 мкм и 100 мкм, соответственно. Реализация проводников шириной менее 100 мкм (например, 50 мкм) требует применения специальных методов, существенно усложняющих технологический процесс в условиях массового производства [7]. Поэтому в настоящее время эти методы используются только в мелкосерийном производстве с целью создания экспериментальных корпусов микросхем высокой степени интеграции, где число выводов достигает 2000 штук на площадь одной платы.

После того, как все слои многослойной платы готовы, требуется их сборка в пакет с соблюдением точной ориентации слоев. Каждый слой соединяется с последующим за счет клейкой пасты, которая наносится на карту методом трафаретной печати. Сборка многослойной платы сопровождается поэтапным прессованием [8, 9] каждого последующего слоя при строго определенном давлении, температуре и временных циклах с целью удаления остатков воздуха между слоями и обеспечения равномерного и плотного контакта слоев по всей площади заготовки.

После прессования необожженная многослойная групповая заготовка разрезается на индивидуальные детали - необожженные металлокерамические платы [5]. Таким образом, структура металлокерамической платы представляет собой многослойную систему коммутационных проводников, разделенных слоями изоляторов (рисунок 1.4).

1 - плоскости расположения коммутационных проводников; 2 - керамические слои платы

(изоляторы); 3 - внутренние коммутационные проводники; 4 - межслойные переходы; 5 - монтажная металлизационная площадка; 6 - контактные металлизационные площадки Рисунок 1.4 - Фрагмент структуры металлокерамической платы

Для формирования монолитной структуры прессованных пластичных плат, их подвергают высокотемпературному обжигу при Ттах = 1580 °С [10, 11, 13]. Спекание металлокерамических плат проводят с предварительным обжигом для обеспечения деструкции и возгонки органического связующего, входящего в состав исходной керамической пленки и с последующим спеканием заготовки при температуре, достаточной для образования монолитной керамической конструкции [12,14]. В процессе обжига создается определенная газовая атмосфера - восстановительная среда формиргаза (смесь водорода с азотом 1:8), увлажненная парами воды до точки росы 15-35 °С, обеспечивающая требуемое качество металлокерамических спаев [15, 16].

После спекания и проведения необходимых отбраковочных испытаний на открытые металлизированные участки керамических плат наносят слой химически осаждаемого никеля, который обеспечивает качественную пайку навесных металлических деталей к контактным площадкам [1,16,17]. Пайку металлических навесных элементов проводят в восстановительной атмосфере электрической туннельной печи непрерывного действия [18, 19], с максимальной температурой до 900 °С, с применением в качестве припоя эвтектического сплава ПСр-72 (72 % серебра, 28 % меди). После пайки корпуса покрывают гальваническим никелем, а затем золотят со всеми необходимыми предварительными химическими операциями подготовки поверхности.

Финишной операцией технологии изготовления металлокерамических корпусов является промывка плат с целью удаления остатков технологических сред [1].

1.3 Технология межслойных переходов в условиях массового производства металлокерамических корпусов для интегральных схем

В системе описанных операций одной из наиболее сложных, ответственных и трудно контролируемых является формирование межслойных переходов. Процесс формирования межслойных переходов состоит из трех этапов, каждый из которых содержит свою отдельную систему контроля и свыше 30 контролируемых параметров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ермолаев Евгений Валерьевич, 2024 год

Список литературы

1. Поляков А. А. Технология керамических радиоэлектронных материалов / А. А. Поляков. - М. : Радио и связь, 1989. - 200 с.

2. Моряков. O. C. Производство корпусов полупроводниковых приборов / O. C. Моряков.

- М. : Высшая школа, 1978. - 184 с.

3. Состояние и перспективы развития производства керамики для подложек и корпусов ИС : [Научно-технический сборник обзоров на тему «Зарубежная электронная техника»] / А. А. Чернышев, Э. А. Максимова, И. В. Рыбакова [и др.]. - М.: ЦПИИ Электроника, 1990. - Вып. 9. -54 с.

4. Venkatachalam P. N. Pulse propagation properties of multilayer ceramic multichip modules for VLSI circuits / P. N. Venkatachalam // IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology. - 1983. - Vol. 6, № 4. - P. 480-484.

5. Meier A. M. Multilayer ceramic substrates / A. M. Meier // Galvanotechnik. - 1985. - №9. -P.1278-1280.

6. Burger W. G. Multi-layer ceramics manufacturing / W. G. Burger, C. W. Weigel // IBM Journal of Research and Development. - 1983. - Vol. 27, № 1. - P. 11-19.

7. Ермолаев Е. В. Методы стабилизации металлизированной поверхности металлокерамических плат и корпусов микросхем / Е. В. Ермолаев, Н. М. Скулкин // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - 2012. - №2 (16). - С. 73-77.

8. Clark B. T. IBM Multichip Multilayer Ceramic Modules for LSI Chips-Design for Performance and Density / B. T. Clark, Y. M. Hill // IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology. - 1980. - № 1. - P. 89-93.

9. Fukura I. Ceramic multilayer boards / I. Fukura, X. Shimizu // Ceramics. Jap. - 1981. - № 4.

- P. 273-277.

10. Karatu K. Technology of thin ceramic layers / K. Karatu // Chem Jnd. - 1986. - № 6. - P. 473-477.

11. Тонфер М. Микроэлектроника толстых пленок / М. Тонфер // Технология, конструирование, применение / под ред. Т. Д. Шермергора., перевод с англ. - М. : Мир, 1973. -260 с.

12. Тилл У. Интегральные схемы: Материалы, приборы. Изготовление, пер. с англ. / У. Тилл, Д. Лакеон. - М. : Мир, 1985. - 601 с.

13. Рейссинг Т. Обзор современной толстопленочной технологии / Т. Рейссинг // Сер. Наука для техники. Современная радиоэлектроника. Технология толстых и тонких пленок / под ред. А. Рейсмана, К. Роуза. - 1972. - С. 83-91.

14. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем : учебное пособие для вузов / В. Н. Черняев ; под ред. А. А. Васенкова. - М. : Энергия, 1977. - 376 с.

15. Белинская Г. В. Технология электровакуумной и радиотехнической керамики / Г. В. Белинская, Г. Л. Выдрик. - М. : Энергия, 1977. - 336 с.

16. Ерошев В. К. Металлокерамические вакуум-плотные конструкции / В. К. Ерошев.

- М. : Энергия, 1970. - 160 с.

17. Будников П. П. Химическая технология керамики и огнеупоров / П. П. Будников.

- М. : Стройиздат, 1972. - 552 с.

18. Преснов В. А. Керамика и ее спаи с металлом в технике / В. А. Преснов, М. П. Любимов. - М. : Атомиздат, 1969. - 232 с.

19. Будников П. П. Новая керамика / П. П. Будников. - М.: Изд. лит. по строит, 1969.

- 312 с.

20. Нака К. LFC-технология производства керамических подложек / К. Нака // Компоненты и технологии. - 2007. - № 5. - C. 25-29.

21. Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials / Ed. by Zuo-Guang Ye. Cambridge (England): Wood head Publishing Limited. - 2008. - P. 15-21.

22. Сифорова В. И. Электроника: прошлое, настоящее, будущее, пер. с англ. / В. И. Сифорова ; под ред. чл.-кор. АНСССР. - М. : Мир, 1980. - 296 с.

23. Члиянц Г. Хроника истории вычислительной техники / Г. Члиянц // Сер. "Радиолюбитель. Ваш компьютер". - 2000. - № 11. - С. 10-11.

24. Громов Л. Лазерная обработка - выбор оптимального решения / Л. Громов // Производство электроники. - 2013. - №5. - С. 130-133.

25. Сутария Я. Формирование микроотверстий / Я. Сутария // Производство электроники.

- 2013. - № 5. - С. 126-129.

26. Scelhorn R. L. Fabrication of thick film circuits on cofired ceramic substrates / R. L. Scelhorn // Solid State Technology. - 1980. - № 10. - P. 130-134.

27. Батыгин В. Н. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. / В. Н. Батыгин, М. И. Метелкин, A. M. Решетников ; под ред. Н. Д. Девяткина. - М. : Энергия, 1973. - 386 с.

28. Вознова М. С. Вакуумно-плотная керамика c повышенными диэлектрическими свойствами : дис. ... канд. техн. наук / М. С. Вознова. - Томск, 2003. - 159 с.

29. Амелина О. Вакуум-плотная корундовая керамика на основе ультрадисперсных порошков / О. Амелина, С. Нестеров // Каталог продукции и услуг ФГУП «НИИВТ им. С. А.

Векшинского» / под ред. В. А. Романько, С. Б. Нестерова, А. В. Андросова.

- М. : ОМР. ПРИНТ, 2010. - C. 32.

30. Pincus A. G. Mechanism of ceramic-to-metal adherence / A. G. Pincus // Ceramic. Age.

- 1954. - № 3. - P. 16.

31. Forge L. H. Application of ceramic sections in high power pulsed blyslrons / L. H. Forge // Amer. Ceram. Soc. - 1956. - Vol. 35. - P. 117-122.

32. Cole S. S. Some parameters affecting ceramic to metal seal strength of a high alumina body / S. S. Cole, F. I. Hynes // Journal of the American Ceramic Society. - 1958. - Vol. 37. - P. 135-138.

33. Denton E. P. The metallizing of high AhO3 ceramics / E. P. Denton, H. D. Rawson // Trans Brit. Ceram. Soc. - 1960. - Vol. 25. - P. 37.

34. Kotowsky J. Uber die Haftfestigkieit von Metallisierungen auf Keramiken / J. Kotowsky, J. Muschaweck // Journal of the Vakuum-Technik. - 1961. - № 5. - P. 141-145.

35. Cole S. S. Glass-Migration Mechanism of Ceramic-to-Metal Seal Adherence / S. S. Cole, G. Sommer // Journal of the American Ceramic Society. - 1961. - Vol. 44. - № 66. - P. 265-271.

36. Meyer A. L. Haft mechanismus von Molybdan / A. L. Meyer // Mangan Metallisierungs schiehten and korund keramik. - 1965. - Vol. 43. - P. 405-444.

37. Решетников A. M. Смачивание молибдена и керамики А-995 стеклами, близкими по составу к стеклофазе керамики 22 XC / A. M. Решетников, Э. Н. Поветкина // Электронная техника, сер.14 "Материалы". - 1971. - №4. - С. 101-106.

38. Решетников A. M. Капиллярные явления при металлизации высокоглиноземистой керамики и пайке ее высокотемпературными припоями / A. M. Решетников, И. М. Блейвис // Физическая химия поверхностных явлений при высоких температурах. - М. : Наукова думка.

- 1971. - C. 178-185.

39. Булавин И. А. Исследование состава корундовой керамики с участием жидкой фазы: дис. ... д-ра техн. наук / И. А. Булавин. - Москва, 1960. - 385 с.

40. Павлушкин Н. М. Спеченный корунд / Н. М. Павлушкин. - М. : Госстройиздат, 1961.

- 212 c.

41. Козловский Л. В. Природа образования прочной связи молибдено-марганце-титанового металлизационного слоя с высокоглиноземистой керамикой / Л. В. Козловский, Л. И. Миленышева // Электронная техника. Серия: Материалы. - 1968. - № 3. - С.114-127.

42. Герасимова Л. Ф. Технология получения вакуумплотных спаев корундовой керамики с металлами для применения в агрессивных средах / Л. Ф. Герасимова, А. А. Ермакова // Электронная техника. Серия: Материалы. - 1968. - № 7. - С. 91-99.

43. Measurement and mode lingor intrinsic stresses in CVD W lines / J. Lee, Q. Ma, T. Marieb [et al.] // Materials Research Society Symposium Proceedings. - 1995. - P. 9.

44. Ma Q. Probing stresses in metal trenches using Raman piezospectroscopy / Q. Ma, J. Lee, H. Fujimoto // Advances in Electronic Packaging, EEP. - 1997. - Vol. 19, №1. - P. 8.

45. Stress in metal lines under passivation; comparison of experiment with finite element calculations / B. Greene, A. I. Sauter, P. A. Flinn, W. D. Nix // Applied Physics Letters. - 1991. - P. 7.

46. Shen Y. L. Stresses, curvatures, and shape changes arising from patterned lines on silicon wafers / Y. L. Shen, S. Suresh, I. A. Blech // Journal of Applied Physics. - 1996. - P. 98.

47. Blech I. A. Electromigration in thin aluminum films on titanium nitride / I. A. Blech // Journal of Applied Physics. - 1976. - P. 8.

48. Korhonen M. A. Stress evolution due to electromigration in confined metal lines / M. A. Korhonen, P. Borgesen // Journal of Applied Physics. - 1993. - P. 9.

49. Developing design rules to avert cracking and debonding in integrated circuit structures / X. Liu, Z. Suo, Q. Ma, H. Fujimoto // Engineering Fracture Mechanics. - 2000. - Vol. 66, № 4. - P. 387402.

50. Freund L. Spiral cracking around a strained cylindrical inclusion in a brittle material and implications for vias in integrated circuits / L. Freund, K. Kim // MRS Online Proceedings Library. -1991. - Vol. 226. - P. 291-302.

51. Interconnect fabrication processes and the development of low-cost wiring for CMOS products / T. Licata, E. G. Colgan, J. Harper, S. Luce // IBM Journal of Research and Development. -1995. - Vol. 39, № 4. - P. 419-435.

52. Havemann R. High-performance interconnects: an integration overview / R. Havemann, J. Hutchby // Proceedings of the IEEE. - 2001. - Vol. 89. - P. 586-601.

53. Xia Z. C. Crack patterns in thin films / Z. C. Xia, J. W. Hutchinson // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2000. - Vol. 48, № 6-7. - P. 1107-1131.

54. Moes N. Non-planar 3D crack growth by the extended finite element and level sets - Part I: Mechanical model / N. Moes, A. Gravouil, T. Belytschko // International journal for numerical methods in engineering. - 2002. - Vol. 53, № 11. - P. 2549-2568.

55. Chopp D. L. Fatigue crack propagation of multiple coplanar cracks with the coupled extended finite element/fast marching method / D. L. Chopp, N. Sukumar // International journal of engineering science. - 2003. - Vol. 41, № 8. - P. 845-869.

56. Ji H. A hybrid extended finite element/level set method for modeling phase transformations / H. Ji, D. Chopp, J. E. Dolbow // International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 2002. - Vol. 54, № 8. - P. 1209-1233.

57. Stolarska M. Modeling thermal fatigue cracking in integrated circuits by level sets and the extended finite element method / M. Stolarska, D. L. Chopp // International Journal of Engineering Science. - 2003. - Vol. 41, № 20. - P. 2381-2410.

58. Suo Z. Stable state of interconnect under temperature change and electric current / Z. Suo // Acta Material. - 1998. - P. 32.

59. Скулкин Н. М. Статистический анализ дефектов металлокерамических плат в условиях массового производства / Н. М. Скулкин, Е. В. Михеева, Е. В. Стрельников // Всероссийский научно-технический журнал: Проектирование и технология электронных средств. - 2003. - №2. - С. 30-33.

60. Скулкин Н. М. Влияние условий технологической обработки на качество металлокерамических спаев корпусов микросхем / Н. М. Скулкин, Е. В. Михеева, Е. С. Сидоркина // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2006». - Пенза, 2006.

- С. 136-140.

61. Otsuka К. Interfacial Bond Strength in Alumina Ceramics Metallized and Covered with Tangsten / К. Otsuka, Т. Ucami, М. Sekihata // American Ceramic Society Bulletin. - 1981. - Vol. 60, №5. - P. 540-545.

62. Ueyama T. Review of methods for metallization of ceramics based on aluminum oxide with refractory metals / T. Ueyama // Electronics ceramics. - 1988. - Vol. 19. - P. 27-34.

63. Chance D. A. Refractory metallization of green ceramic / D. A. Chance // Metallurgical and Materials Transactions B. - 1970. - Vol. 1. - P. 685-694.

64. Ueyama T. New W paste for Multilayer Ceramic Circuits / T. Ueyama // 34th Pacific Coast Regional Meeting, Journal of the American Ceramic Society, Oct. 25-28. - 1981. - P. 33-37.

65. Михеева Е. В. Контроль спаев металлокерамических плат и корпусов микросхем в условиях массового производства: дис. ... канд. техн. наук / Е. В. Михеева. - Йошкар-Ола, 2004.

- 153 с.

66. Зуев А. В. Экспертная система контроля качества продукции в процессе производства металлокерамических и коммутационных плат: дис. ... канд. техн. наук / А. В. Зуев. - Йошкар-Ола, 2006. - 149 с.

67. Афонов О. Н. Влияние конструктивных и технологических факторов на коррозию металлокерамических корпусов интегральных схем: дис. ... канд. техн. наук / О. Н. Афонов.

- Йошкар-Ола, 2005. - 152 с.

68. Jange F. F. Elimination crack of heat treatment / F. F. Jange, T. K. Grepta // Journal of the American Ceramic Society. - 1970. - № 1. - P. 54-55.

69. Ермолаев Е. В. Обеспечение надежного соединения металлизационного покрытия с керамикой в условиях массового производства МКК для ИС / Е. В. Ермолаев, П. И. Козлов, В. А. Егошин // Электроника. "Наука, технология, бизнес". - 2015. - № 7. - С. 120-124.

70. Патент 2738911 Российская Федерация. МПК G01N 11/00. Способ измерения вязкости высоковязких жидкофазных сред / Ермолаев Е. В. (RU), Воронова Н. О. (RU);

патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Марийский государственный университет» (ЯИ). - № 2020109808; заявл. 05.03.2020; опубл. 18.12.2020, Бюл. № 35. - 8 с.

71. Ермолаев Е. В. Апробация метода измерения вязкости жидкофазной среды на основе анализа динамики изменения диаметра капли в условиях стационарной нагрузки / Е. В. Ермолаев, Н. О. Воронова // Технические науки: проблемы и решения : сборник статей по материалам LI-LП Международной научно-практической конференции. - 2021. - № 8-9 (47). -С. 12-20.

72. Решетников А. М. Зависимость механической прочности и термостойкости металлокерамических спаев от качества никелевых покрытий на металлизированной керамике / А. М. Решетников, В. Л. Романова // Журнал «Электронная техника». Серия 14. - 1969. - № 7 (23). - С. 64-75.

73. Глинка И. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / И. Л. Глинка. - Л.: Химия, 1985. - 704 с.

74. Дарков А. В. Сопротивление материалов: учебник для втузов / А. В. Дарков, Г. С. Шпиро. - М. : Высшая школа, 1975. - 654 с.

75. Биргер И. А. Сопротивление материалов: учебное пособие / И. А. Биргер, Р. Р. Мавлютов. - М. : Наука, 1986. - 560 с.

76. Ермолаев Е. В. Структурные напряжения в межслойных проводниках МКК в производственных условиях / Е. В. Ермолаев // Проектирование и технология электронных средств. - 2014. - № 1. - С. 42-50.

77. Ермолаев Е. В. Структурные напряжения в металлокерамических корпусах микросхем / Е. В. Ермолаев, Н. М. Скулкин // Проектирование и технология электронных средств. - 2013. -№ 3. - С. 50-54.

78. Гегузин Я. Е. Физика спекания / Я. Е. Гегузин. - М. : Наука, 1967. - 360 с.

79. Ермолаев Е. В. Разгерметизация металлокерамических корпусов в области межслойных проводников в производственных условиях / Е. В. Ермолаев // Проектирование и технология электронных средств. - 2013. - № 4. - С. 42-46.

80. Ермолаев Е. В. Разработка методов повышения надежности коммутационных плат в области межслойных переходов при производстве металлокерамических корпусов микросхем / Е. В. Ермолаев, Н. М. Скулкин // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - 2015. - № 4 (28). - С. 67-74.

81. Ермолаев Е. В. Методы повышения надежности коммутационных плат и корпусов микросхем на основе тонкой радиокерамики в области межслойных контактных соединений /

Е. В. Ермолаев // Исследования актуальных проблем в современной науке. - 2017. - № 4 : материалы IV Международной научной конференции «Актуальные вопросы научных исследований». - С. 33-38.

82. Патент 2610302 Российская Федерация. МПК H01L 21/77, H05K 3/42. Способ формирования межслойных переходов в многослойной металлокерамической плате / Ермолаев Е. В. (RU); патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Марийский государственный университет» (RU). - № 2015127394; заявл. 07.07.2015; опубл. 09.02.2017, Бюл. № 4. - 10 с.

83. Исследование влияния фактора формы межслойных переходов на процесс трещинообразования металлокерамических плат и корпусов микросхем / Е. В. Ермолаев, И. А. Жуков, Д. А. Ткачев [и др.] // Вестник Томского государственного университета. Химия. -2023. - № 32. - С. 122-143.

84. Либенсон Г. А. Теория процессов формования и спекания порошков. Спекание порошков. / Г. А. Либенсон, О. А. Никифоров. - М. : МИСиС, 1976. - 130 с.

85. Ивенсен В. А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании / В. А. Ивенсен. - M. : Металлургия, 1971. - 265 с.

86. Иващенко В. В. Исследование вибрационного уплотнения сферических порошков / В. В. Иващенко, И. П. Тартаковский, Т. A. Голубев. - М. : Порошковая металлургия, 1965. - № 8. - С. 35-39.

87. Левинский Ю. В. Теоретические основы процессов спекания металлических порошков: учебное пособие / Ю. В. Левинский, М. П. Лебедев. - М. : Научный мир, 2014.

- 372 с.

88. Савицкий А. П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами / А. П. Савицкий. - М. : Наука, 1991. - 184 с.

89. Ермолаев Е. В. Стабилизация термомеханической прочности металлокерамических плат и корпусов микросхем в процессе циклической высокотемпературной обработки / Е. В. Ермолаев, Н. М. Скулкин // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - 2014. - №2 (21).

- С. 75-83.

90. Ермолаев Е. В. Повышение защитных свойств металлокерамических плат и корпусов микросхем путем их термостабилизации / Е. В. Ермолаев // Интеллектуальная собственность и современные техника и технологии для развития экономики : материалы III Республиканской молодежной научно-практической конференции в рамках всероссийского студенческого форума

«Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России». Йошкар-Ола, 23-28 ноября 2015 г. - Йошкар-Ола, 2015. - С. 38-42.

91. Кикоин А. К. Молекулярная физика / А. К. Кикоин, И. К. Кикоин. - М. : Наука, 1976.

- 478 с.

92. Мазурин О. В. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов : справочник / О. В. Мазурин, М. В. Стрельцина, Т. П. Швайко-Швайковская. - М. : Наука. - Т.5. - 1998.

- 523 с.

93. Ермолаев Е. В. Технология восстановления и стабилизации качества межслойных переходов металлокерамических коммутационных плат / Е. В. Ермолаев // Евразийский Союз Ученых. - 2015. - № 4, ч. 4 (13) : материалы XIII Международной научно-практической конференции «Современные концепции». Москва, 29-30 апреля 2015 г. - С. 13-15.

94. Ролдугин В. И. Физикохимия поверхности: учебник - монография / В. И. Ролдугин.

- М. : Интеллект, 2008. - 568 с.

95. Патент 2763278 Российская Федерация. МПК B41M 1/12. Способ определения разрешающей способности процесса трафаретной печати / Ермолаев Е. В. (RU), Ермолаев П. В. (RU); патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Марийский государственный университет» (RU). - № 2021109356; заявл. 05.04.2021; опубл. 28.12.2021, Бюл. № 1. - 10 с.

96. Ермолаев Е. В. Влияние повторной температурной обработки металлокерамических плат на прочность металлокерамического спая / Е. В. Ермолаев // Сборник публикаций научного журнала «Globus» по материалам VI, VII Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» г. Санкт-Петербурга. - Санкт-Петербург, 2016. - С. 27-33.

97. Ермолаев Е. В. Структурная неоднородность керамики в условиях массового производства металлокерамических корпусов микросхем / Е. В. Ермолаев, Н. М. Скулкин // Проектирование и технология электронных средств. - 2012. - № 1. - C. 7-11.

Приложение А

(справочное)

Акт внедрения результатов диссертационного исследования в производственный процесс

АО «ЗПП»

КОПИЯ

«УТВЕРЖДАЮ» развитию АО «ЗПП» _Шугаепов Ш.Н.

2023 г.

АКТ

О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОРПУСОВ

АО «ЗПП»

Настоящим актом подтверждается использование результатов диссертационного исследования Ермолаева Евгения Валерьевича на тему «Структурно-фазовое состояние вольфрамовых межслойных переходов и его влияние на механические характеристики металлокерамических плат» в производственном процессе изготовления металлокерамических корпусов для интегральных схем на предприятии АО «Завод полупроводниковых приборов», г. Йошкар-Ола.

Результаты исследования, изложенные в диссертации, имеют научное и практическое значение. Выводы и рекомендации используются при реализации методов формирования контактной межслоевой металлизации, что позволило повысить уровень надежности функционирования металлокерамических плат и корпусов микросхем сложного конструктивного исполнения.

Главный конструктор - начальник конструкторско-технологического

управления

Приложение Б

(справочное)

Способ формирования межслойных переходов в многослойной металлокерамической

плате

Приложение В

(справочное)

Способ измерения вязкости высоковязких жидкофазных средств

Приложение Г

(справочное)

Способ определения разрешающей способности процесса трафаретной печати