Конструкторско-технологические основы создания микросборок высокой плотности упаковки

Вид материала

Автореферат

Содержание Ученый секретарь диссертационного совета, В.Г. Петров Объектом исследования Предметом исследования Методы исследований. Основные новые научные положения, выносимые на защиту Научная новизна Достоверность и обоснованность Практическая значимость Реализация результатов работы. Апробация работы. Личный вклад. Структура и объем работы. Краткое содержание работы В первой главе Первый способ компенсации. Второй способ компенсации Третий способ компенсации. В четвертой главе В пятой главе Шестая глава ... Полное содержание

Подобный материал:

• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 07. 02 «проектирование,, 170.96kb.
• Создание асимметричных мембран в виде полых волокон из полиэфирсульфона методом двойной, 199.98kb.
• План лекции. Рынок труда и занятость. Влияние плотности населения на трудовую занятость, 35.63kb.
• Программа по дисциплине "Технология микросхем и микропроцессоров" разработана на основе, 170.65kb.
• Календарно-тематический план лекций по курсу кандидатского минимума "основы вычислительной, 101.24kb.
• Задачи раскроя-упаковки представляют собой важный прикладной раздел дискретной оптимизации., 32kb.
• Теоретические и технологические основы горячей штамповки порошковых карбидосталей конструкционного, 639.83kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины технологические основы создания машин природообустройства, 503.4kb.
• Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств общая характеристика, 145.04kb.
• Sokos Olympic Garden» компания «Диалог Информационные Технологии» провела семинар, 16.99kb.

На правах рукописи


Спирин Владимир Георгиевич


КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МИКРОСБОРОК ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ УПАКОВКИ


Специальность 05.27.01

Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Арзамас 2008


Работа выполнена на кафедре «Конструирование и технология

радиоэлектронных средств»

Арзамасского политехнического института (филиала)

Нижегородского государственного технического университета

им. Р.Е. Алексеева


Научный консультант: - доктор технических наук,

профессор Н.П. Ямпурин


Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор В.Н. Брюнин (г. Зеленоград)


- доктор технических наук,

профессор А.В. Назаров (г. Москва)


- доктор технических наук,

профессор М.Н. Пиганов (г. Самара)


Ведущая организация: НИИ Электромеханических приборов,

г. Пенза


Защита состоится “19” декабря 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 в ГУП НПЦ «Спурт» по адресу: 124460, г. Москва,

г. Зеленоград, 1-й Западный проезд, 4.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «Спурт».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.


Автореферат разослан “____”_______________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, В.Г. Петров

к.т.н., с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Создание надежных высококачественных радиоэлектронных средств (РЭС) при минимальных производственных затратах стало возможным благодаря современной технологии микроэлектроники. Основными конструктивными единицами РЭС в настоящее время являются полупроводниковая интегральная схема (ПИС) и микросборка (МСБ). Причем эти конструктивные единицы имеют различную степень интеграции находящуюся в диапазоне от 2 до 10.

Основным направлением развития микро- и наноэлектроники является повышение степени интеграции ПИС и МСБ. Согласно закону Мура, размеры элементов ПИС уменьшаются вдвое каждые 5 лет. Полупроводниковая промышленность РФ отстает от упомянутого закона Мура. Тем не менее в России к 2005 г. освоили размеры 0,3 мкм, что позволило создать 64-разрядный процессор с 3,4 млн. элементов в кристалле [1]. Несмотря на затяжной экономический кризис, размеры элементов ПИС в РФ, за последние 20 лет уменьшились в 5 раз. В то же время как номинальные размеры проводников и резисторов тонкопленочных МСБ на большинстве Российских предприятиях, за редким исключением, остались практически неизменными и составляют 0,2-0,3 мм. Следует отметить, что наша страна утратила свое лидирующее положение в производстве МСБ и микроблоков к концу 80-х годов ХХ века, когда в зарубежной печати появились сообщения по созданию многокристальных модулей с многоуровневой разводкой и размерами проводников 5-25 мкм [2, 3].

Увеличение степени интеграции ПИС неизбежно приводит к увеличению количества их выводов. Уже стало нормой количество выводов 68 и 84. Имеются сообщения о компонентах с числом выводов свыше 1000. На практике с ростом количества выводов компонентов растет площадь межсоединений коммутационной платы. Поэтому для повышения плотности упаковки плат современных цифровых устройств актуальным является создание многоуровневой тонкопленочной коммутации, а также повышение плотности межсоединений, что может быть достигнуто как за счет уменьшения ширины проводников, так и за счет уменьшения расстояния между ними.

Вопросы проектирования и технологии тонкопленочных МСБ рассмотрены в работах зарубежных и отечественных авторов: Г. Холлэнда, Р. Берри, П. Холла, М. Гарриса, Л. Майссела, Р. Глэнга, Б.Ф. Высоцкого, Л.А. Коледова, А.И. Коробова, О.Е. Бондаренко, В.Ф. Борисова, А.С. Назарова, А.В. Фомина, В.Н. Сретенского, Г.Я. Гуськова, Г.А. Блинова, И.Н. Воженина, В.П. Лаврищева, В.Н. Черняева, В.А. Волкова, Ю.П. Ермолаева, И.П. Бушминского, Л.Н. Колесова, З.Ю. Готра, И.Е. Ефимова, И.Я. Козыря, Ю.Н Горбунова и других.

Большинство миниатюрных аналоговых устройств, например, электронные блоки датчиков первичной информации, высокоразрядные АЦП и ЦАП, усилители и генераторы СВЧ выполняется в виде МСБ на основе тонкопленочной технологии. Технология тонкопленочных МСБ была разработана в 60-х годах ХХ века и по существу в России остается неизменной до настоящего времени. В качестве материалов подложек традиционно используются ситалл и поликор, которые по своим физическим свойствам, например, пористости, не способны обеспечить ширину линий менее 15-25 мкм.

Минимальный размер чип-резистора для поверхностного монтажа составляет 0,25х0,25 мм, то есть близок к размерам тонкопленочного резистора (ТПР). В то же время современные технологии и оборудование в России могут обеспечивать размеры ТПР до 1-3 мкм и пока этот потенциал не используется. В основном это связано с отставанием методов проектирования ТПР и МСБ в целом.

Поэтому появилась настоятельная необходимость анализа существующих конструкций и технологий тонкопленочных МСБ и создания новых конструктивно-технологических решений, которые бы способствовали разработки новых норм конструирования и изготовления МСБ.

Для того чтобы оценить прогресс развития конструкций используют удельные показатели качества. В связи с тем, что плотность упаковки является главным показателем уровня интеграции того или иного конструктива, то в данной работе в качестве основного критерия будет применяться именно это показатель. Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов [4].

Таким образом, научная проблема, которая решается в данной работе, заключается в устаревшем методологическом подходе к проектированию и производству тонкопленочных МСБ, который сдерживает рост их плотности упаковки. Решение проблемы особенно актуально для авиационной, космической и военной техники, где стоимость одного килограмма приборов достигает сотни тысяч и даже миллионы рублей. Актуальность работы подтверждается тем, что рассматриваемая проблема относится к приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в РФ до 2015 г., утвержденными 21.05.06 президентом РФ.

Объектом исследования являются тонкопленочные МСБ и гибридные интегральные схемы (ГИС). Учитывая, что в проектировании и производстве МСБ и ГИС применяют единые технологические и конструктивные решения, то в дальнейшем будем применять только термин МСБ как более распространенный.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкции тонкопленочных элементов, плат и МСБ.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и производства тонкопленочных МСБ высокой плотности упаковки, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии микро- и наноэлектроники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных элементов, плат и МСБ, выявить проблемы и разработать новые подходы к их решению.

2. Исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на сопротивление ТПР, на основании чего уточнить теоретическую модель сопротивления ТПР и его погрешности.

3. Разработать методы обеспечения качества тонкопленочных элементов, плат и МСБ при возрастании плотности упаковки.

4. Разработать конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат и МСБ.

5. Разработать методы и алгоритмы проектирования тонкопленочных МСБ с высокой плотностью упаковки.

6. Применить полученные методы и алгоритмы проектирования к разработке конструкций МСБ датчиков первичной информации.

Методы исследований. Для решения поставленных задач используются: математический аппарат численного и аналитического моделирования, методы теории допусков, теории вероятностей и математической статистики, математический аппарат теории цепей, методы теплового моделирования и расчета тепловых режимов конструкций МСБ, а также экспериментальные методы исследования.

Основные новые научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель ТПР, включающая в себя:
   

- систематические погрешности формирования физической структуры ТПР;

- контактное сопротивление;

- сопротивление электродов;

- систематическую погрешность, за счет исключения контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя.

2. Конструкция гребенчатого резистора.
   
3. Методы повышения качества тонкопленочных МСБ, включающие в себя:
   

- способ изготовления ТПР методом двойной фотолитографии;

- способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов;

- метод оценки качества тонкопленочной платы;

- метод определения погрешностей формирования структуры тонкопленочных элементов;

- устройство контроля качества сварных соединений.

4. Конструктивно-технологические варианты многоуровневых плат, включающие в себя:
   

- платы с толстопленочной полимерной изоляцией;

- платы с подложкой из кремния.

5. Методы проектирования тонкопленочной МСБ, включающие в себя:
   

- интегрально-групповой метод компоновки;

- метод расчета стационарного теплового режима;

- метод проектирования топологии платы.

Научная новизна полученных результатов заключаются в следующем:

1. На основе проведенного анализа современного состояния теории и практики проектирования, а также технологии тонкопленочных МСБ выявлены основные проблемы и показаны пути их решения. Показано, что основной проблемой, которая сдерживает рост плотности упаковки МСБ в настоящее время, является не столько уровень технологии и оборудования, а устаревшие модели, методы и алгоритмы проектирования и производства тонкопленочных МСБ. Сформулированы основные методы повышения плотности упаковки тонкопленочных МСБ.
   
2. Разработана теория ТПР с размерами менее 50 мкм, основные положения которой заключается в следующем. Уточнены математические модели сопротивления ТПР и его погрешности для диапазона частот до 300 МГц. В новые модели дополнительно входят систематические погрешности формирования удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины, сопротивление электродов, систематическая погрешность за счет исключения контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя. Разработана модель контактного сопротивления ТПР, в которую входят сопротивления резистивной, адгезионной и проводящей пленки конструкции контакта. Отличие от известных моделей состоит в непосредственном расчете сопротивления участков контакта.
   

Предложена конструкция гребенчатого ТПР, которая защищена двумя патентами РФ. Особенностью данной конструкции является то, что прямоугольные резистивные элементы находятся между двумя встречно расположенными гребенчатыми электродами, а контактные площадки резистора расположены на минимальном расстоянии от электродов. Впервые разработаны модели сопротивления электродов для прямоугольного и гребенчатого ТПР. Впервые исследовано влияние контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоев на сопротивление ТПР. Установлено, что при К_ф > 10 и К_ф < 0,1 контактные площадки перекрытия могут быть исключены из конструкции резистора без ухудшения точности получения сопротивления.

3. Разработаны методы повышения качества тонкопленочной платы, суть которых состоит в следующем. Разработан способ изготовления ТПР методом двойной фотолитографии, который защищен патентом РФ. Отличие этого способа от известных состоит в том, что при второй фотолитографии фоторезистом защищают все проводники, резистивные элементы и контактные площадки, за исключением небольших участков контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя. Разработаны способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов, которые в отличие от известных способов не ухудшают плотность упаковки и не повышают себестоимость изготовления МСБ. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы. Отличие данного метода от известных решений состоит в том, что он определяет не только качество изготовления платы, но и качество проектирования ее топологии и комплекта фотошаблонов. Разработаны методы и алгоритмы оценки погрешностей параметров физической структуры ТПР. Предлагаемые методы и алгоритмы в отличие от известных позволяют определять сопротивление электродов прямоугольного и гребенчатого ТПР и систематическую погрешность удельного поверхностного сопротивления. Разработанные алгоритмы имеют более высокую точность оценки погрешностей формирования структуры ТПР.
   
4. Разработаны конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат с толстопленочной полимерной изоляцией. Отличительной особенностью этих плат является то, что выводы компонентов присоединяются непосредственно к контактным площадкам того или иного уровня коммутации. В результате образуется небольшое число межуровневых соединений, которые осуществляются либо с помощью проволочных перемычек, либо припоем. Выводы компонентов и проволочные перемычки присоединяются к контактным площадкам, расположенным на втором и последующих уровнях, с помощью ультразвуковой сварки или пайки.
   

Разработаны конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат с подложкой из кремния. Отличие этих плат от известных решений состоит в формировании слоя диэлектрика из диоксида кремния толщиной 4-5 мкм за счет термического окисления кремния и ионно-плазменного напыления диоксида кремния на пластину. Кроме того, на одной или обеих поверхностях плат формируют ТПР. В двусторонней плате при металлизации отверстий методом HAL используется защитный слой пленки хрома. Отличительными особенностями платы с тремя уровнями коммутации является: формирование общей шины, как на диэлектрики, так и на кремнии; использование общей шины в качестве экрана, а самой платы в качестве несущей конструкции. Впервые разработаны методы монтажа многоуровневых плат с подложкой из кремния.

5. Разработаны методы проектирования топологии тонкопленочных МСБ. Впервые разработан интегрально-групповой метод компоновки МСБ. Разработан метод расчета стационарного теплового режима тонкопленочной платы. Отличие от известных методов состоит в замене параметра «допустимая удельная мощность рассеяния» на параметр «тепловое сопротивление кондуктивного тракта» и переход от плоской тепловой модели к объемной. Объемная тепловая модель, состоит из правильной усеченной пирамиды и трех параллелепипедов. Разработан метод проектирования топологии МСБ. Отличие от известных методов состоит в алгоритме расчета размеров ТПР и алгоритме проверочного расчета тепловых режимов компонентов и ТПР.
   
6. Впервые разработаны топологии многоуровневых плат тонкопленочных МСБ:
   

• МСБ с интегрально-групповым методом компоновки;
  
• двухуровневых плат с толстопленочной полимерной изоляцией;
  
• кремниевой двухуровневой платы с металлизацией переходных отверстий методом HAL;
  
• кремниевой трехуровневой платы с выполнением общей шины и экрана на кремнии.
  

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечены: использованием известных положений фундаментальных наук, строгими математическими доказательствами, адекватностью разработанных моделей реальным физическим и технологическим процессам; подтверждены совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, не противоречащими исследованиям других авторов. Полученные результаты базируются на хорошо отработанных в промышленности типовых технологических процессах микроэлектроники и подтверждаются успешной апробацией на научно-технических конференциях и публикацией основных положений в ведущих научно-технических журналах. Многие технические решения внедрены в производство и учебный процесс, а также защищены а.с. СССР и патентами РФ.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1. Повышена плотность упаковки тонкопленочных МСБ за счет:

- уменьшения топологических норм проектирования тонкопленочных элементов в 5-20 раз;

- увеличения на два порядка диапазона отношения сопротивлений R_макс/R_мин, изготавливаемых на одной плате;

- выбора и разработки конструкций ТПР с минимальной площадью и высокой точностью изготовления;

- разработкой конструктивно-технологических вариантов плат с многоуровневой разводкой.

2. Предложенные автором методы, модели и алгоритмы позволяют повысить качество МСБ и снизить себестоимость их изготовления.

3. Теоретические и научные результаты работы доведены до инженерных решений в виде методов проектирования и конкретных конструктивов тонкопленочных МСБ. Сформулированы основные требования и нормы конструирования для нового стандарта по тонкопленочным МСБ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде стандарта предприятия, конструкторских и технологических документов, изобретений, учебных пособий, лекций внедрены на предприятиях и в высших учебных заведениях: Арзамасском ОАО НПП «Темп-Авиа», Чебоксарском НПП «Элара», Пензенском НИИ Электромеханических приборов, Нижегородском НПП «Салют-27», Арзамасском политехническом институте (филиале НГТУ), Нижегородском государственном техническом университете, Пензенском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях (НТК):

• НТК "Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении", г. Н. Новгород, 1997г.
  
• Всероссийской НТК, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ: "Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении", г. Арзамас, 1998г.
  
• Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород – Арзамас, НГТУ – АФ НГТУ, 2003г.
  
• НТК «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», г. Арзамас, 2004г.
  
• НТК «Проблемы современной микроэлектроники», с. Б. Болдино, 2004г.
  
• LX научной сессии, посвященной дню радио, Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, МТУСИ, 2005г.
  
• Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород – Арзамас, НГТУ – АФ НГТУ, 2007г.
  
• V межрегиональной научно-практической конференции «Современные информационные и телекоммуникационные технологии в образовании, науке и технике», Арзамасский филиал Современной гуманитарной академии, 2008г.
  
• Международной НТК «Пассивные электронные компоненты-2008», г. Н. Новгород, ОАО НПО «ЭРКОН».
  
• Международной НТК «Информационные системы и технологии-2008», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
  
• 63-й научной сессии, посвященной дню радио, Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, МТУСИ, 2008г.
  
• 9-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии-2008», Одесский национальный политехнический университет.
  
• Международном симпозиуме «Надежность и качество», ПГУ, г. Пенза.
  
• 8-м международном симпозиуме «Интеллектуальные системы-2008», », МГТУ им. Баумана, г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
  
• 18-й Всероссийской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика-2008», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
  
• 7-й Международной НТК «Авиация и космонавтика-2008», г. Москва, МАИ.
  

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 73 научных работы, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 38 научных статей и 10 тезисов докладов. 29 статей опубликованы в центральных и зарубежных периодических изданиях и сборниках научных трудов. Из них 10 статей опубликовано в научно-технических журналах РФ, рекомендованными ВАК Минобразования: «Проектирование и технология электронных средств», «Датчики и системы», «Известия вузов. Электроника», «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Нано- и микросистемная техника», «Вестник МАИ» и 8 статей опубликовано в Украинском рецензируемом научно-техническом журнале «Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре», включенном в список ВАК Украины.

Новизна и практическая значимость результатов выполненных исследований подтверждены 9-ю изобретениями, в том числе 3-мя авторскими свидетельствами СССР, 2-мя положительными решениями на получение патента РФ, 4-я патентами РФ. Кроме того, материалы исследований, связанных с диссертацией, представлены в 14 отчетах по НИР и ОКР.

Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 222 наименований и приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 214 страниц. Диссертация содержит 69 рисунков и 54 таблицы.