|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы щую роль, в будущем они, видимо, займут такое же место в производстве микроэлектронной аппаратуры, какое сейчас занимают печатные платы из текстолита. Гибкая полиимидная пленка обладает высокой прочностью на растяжение, отличными изоляционными свойствами (ег=3,5; §6=3-10~ на частоте 1 кГц); электрической прочностью (150...275-10 В/м), химической стойкостью, несгораемостью. Она имеет высокую радиационную и наиболее высокую среди полимеров температурную устойчивость (не теряет гибкости при температурах жидкого азота и выдерживает температурные воздействия до --400° С). Она обладает хорошим набором технологических свойств, делающих ее незаменимой в процессах, связанных с вакуумным осаждением металлических пленок и фотолитографией: отсутствие газовыделения в вакууме до температур 200...250° С, устойчивость к воздействию кислот и способность к травлению в сильных щелочных средах. Полиамиды - это синтетические органические полимеры, содержащие в молекуле СО , ,N-, где А - остаток молекулы полиимида (не сле- имидную группу -д ; дует путать с полиамидами, содержащими в молекуле амидные группы -СО - - NH-). Это твердые вещества белого или желтого цвета, обладающие высокой термостойкостью, радиационной стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Помимо использования в электронной технике полиимиды нашли большое применение в электротехнической промышленности, авиации и космической технике в виде пленок, лаков, волокон, клеев. Полиимиды - представители целого ряда поли- ! меров, которые разработаны за последние три десятилетия в связи с развитием космонавтики, ракетной техники, строительством сверхзвуковых самолетов и глубо-ководных устройств. Общий принцип строения таких полимеров состоит в сцеплении ароматических и гетероциклических колец, которые кроме углерода включают атомы и других химических элементов, например азота или кислорода. Полиимиды образуются при поликонденсации тетракарбоновых кислот или их производных: с диаминами. Наиболее важный из полиимидов. тот, который обычно и используют в [ технике в настоящее время, образуется при поликоиденсации диангидрида тетра-карбоновой (пиромеллитовой) кислоты с ароматическим диамином, например с диами- , нодифилиловым эфиром. После специальной термической обработки он образует показанную на рис. 5.17, а, б структуру. При формировании таких полимеров образуется структура связи молекул, похожая на лестничную. В ней разрыв одной связи хотя и приводит к дефекту в цепи полимера, но не вызывает расщепления полимера на более короткие цепн. В этом причина выдающихся механических свойств Рис. 5.17. Структурная формула (а) и упрощенная лестничная схема (в) полиимида 176 и термостойкости полиимида. Полиимидная пленка не претерпевает существенных изменений структуры и формы в течение 100 ООО ч при нагрузке 85 Н/мм и температуре 200 ° С. Пленка выдерживает восьмилетнее применение при 250° С и не становится хрупкой. Она может выдерживать без разрушения кратковременное повышение температуры даже до 400 ° С. Полиимид - это материал трудновос-пламеняющийся и самогасящийся. Весь этот букет выдающихся свойств высоко ценится конструкторами. В перспективе возможно создание органических полимеров, выдерживающих кратковременное воздействие температуры 600, 700 и даже 900 ° С. Полиимиды очень дороги. Их получают из соединений, синтез которых сложен, проводится во много стадий и требует применении труднодоступных исходных веществ. Конструктивно-технологические варианты многоуровневой разводки гибридных ИС с использованием полиимидного лака представлены на рис. 5.12, а с использованием полиимидных пленок - на рис. 5.16. Многоуровневая разводка с использованием толстых пленок реализуется в двух конструктивно-технологических вариантах: в виде нескольких чередующихся проводящих и изолирующих слоев, расположенных на одной или двух сторонах монолитной керамической подложки, и в виде нескольких керамических слоев с нанесенными на них коммутационными системами толстопленочных проводников и контактных площадок, сквозных, заполненных проводящим материалом отверстий для электрической связи между слоями. Первый из этих вариантов изображен на рис. 5.18. Такие многоуровневые толстопленочные структуры получают последовательным нанесением и вжиганием проводящих и изолирующих слоев. Изолирующие слои необходимо изготовлять беспористыми для устранения коротких замыканий металлизации. Для повышения выхода годных применяют двукратную печать материала изолирующего слоя. При этом уменьшаются паразитные емкости за счет увеличения толщины диэлектрика. Плотность толстопленочного монтажа ограничивается технологическими возможностями формирования соседних отверстий в изолирующем слое для переходов. В процессе создания многоуровневых коммутационных плат могут формироваться также толстопленочные резисторы и конденсаторы. Многослойные керамические подложки формируются из нескольких слоев необожженной алюмооксидной керамики толщиной при- Рис. 5.18. Фрагмент толстопленочной многоуровневой разводки: /- сечение проволочной перемычки; 2- слой припоя; 3- верхний луженый (третий) слой проводников; 4, 6- изоляционные слои; 5, 7- второй и первый проводящие слои; Л- керамическая подложка; 9- навесной компонент олстопленочной гибридной БИС; 10- выводы навесного компонента  мерно 100 мкм, на поверхность которых последовательно наносят пасту для коммутационных проводников (рис. 5.19 ,а). После опрес-совки и обжига многослойного пакета образуется монолитная структура, внутри и на поверхности которой расположены коммутационные проводники (рис. 5.19, б, в). Межслойные соединения формируются через сквозные отверстия в керамических слоях при заполнении проводящей пастой в процессе получения коммутационных проводников слоя. Увеличение степени интеграции до 10... 10* элементов на кристалл, повышение их быстродействия до 10~... 10~c, увеличение до нескольких десятков и даже сотен числа внешних выводов поставило перед конструкторами микроэлектронной аппаратуры необходимость обеспечения плотнейшей упаковки кристаллов полупроводниковых СБИС, в которой для уменьшения задержки сигнала кристаллы следует расположить ка( можно ближе друг к другу. Рис. 5.19. Конструкция миогослойиой коммутацией ной керамической платы: а - набор слоев керамики в многоуровневой керамической ПЛ9 б-верхний слон с коммутацией и контактными площадка( для навесных компонентов; в - расположение контактных переж дов 8 1Еромежуточных слоях коммутационной платы  
Проблема размещения в малом объеме большого количества кристаллов, каждый из которых имеет множество внешних выводов, сопряжена с решением принципиально новых конструкторско-технологических вопросов: во-первых, нужно в небольшом объеме расположить тысячи соединительных проводников, по которым подается электропитание и распределяются информационные сигналы между кристаллами; во-вторых, электрофизические свойства этой системы проводников должны быть такими, чтобы передаваемые по ним сигналы искажались как можно меньше. Добиться этого по мере увеличения скорости переключения и уменьшения размеров схем становится все труднее. Наконец, в-третьих, система плотно упакованных кристаллов СБИС выделяет значительное количество тепла, которое необходимо отводить. Во многих случаях проблема теплоотвода оказывается наиболее сложной. Самая совершенная технология, позволяющая создавать высокую плотность разводки и размещать большое количество кристаллов микросхем в малом объеме, окажется бесполезной, если не обеспечить отвод выделяемого кристаллами тепла без опасности их перегрева и потери работоспособности. Считается, что при воздушном охлаждении цифровой МЭА тепловой поток на уровне кристалла не должен превышать 2 Вт/см, на уровне платы - 0,5 Вт/см. С увеличением числа выводов на кристалле СБИС и числа кристаллов на единице площади платы главной становится проблема присоединения, подвода проводников к этим выводам. Сигнальные проводники должны проводиться между контактными площадками для присоединения выводов кристаллов и между сквозными отверстиями для соединения слоев. Размещение нескольких проводников между соседними отверстиями позволяет повысить плотность монтажа, но одновременно усложняет технологию изготовления и процесс конструирования платы с многоуровневой разводкой. 5.5. РЕКОРДНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ДОСТИГНУТЫЕ ПРИ СОЗДАНИИ МНОГОУРОВНЕВОЙ РАЗВОДКИ Конструктивно-технологический вариант тонкопленочной многоуровневой разводки с использованием полиимидных коммутационных плат на жестком алюминиевом основании позволяет разместить до 120 бескорпусных цифровых БИС с 48 выводами, используя 10 уровней тонкопленочных сигнальных проводников шириной до 70 мкм с минимальным диаметром переходных отверстий 50 мкм. Такая многоуровневая плата цифровой аппаратуры на жестком алюминиевом основании показана на рис. 5.20, ее вертикальная структура показана на рис. 5.16, г. Коммутационные тонкопленочные проводники шириной 50... 100 мкм, а также переходы с одного уровня на другой выдерживают ток силой до 2,5 А, платы работоспособны при низкой (77К) и сравнительно высокой (470К) температурах.  DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDODDDDDDDDDD-DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDiDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD Рис, 5.20. Общий вид конструкции гибридной многоуровневой БИС на металлическом анодированном основании с полиимидными коммутационными платами н бескорпусными цифровыми полупроводниковыми БИС с гибкими выводами: /~ контактные площадки BHenjHiix выводов гибридной БИС; 2- посадочное место; 3- полупроводниковая БИС иа гибком полиимидном носителе  Рнс. 5.21. Многоуровневая система разводки на основе керамической платы: /- сигнальная цепь; 2- кристалл полупроводниковой СБИС; 3- контактная площадка; 4- контактный шарик припоя; 5- перераспределяюшин слой; 6- (/-слой сигнальных проводников. 7- х-слон сигнальных проводников; 8- слой проводников с опорным напряжением: 9- штыри внешних выводов гибридной БИС Столь же высокие результаты получены при отработке конструктивно-технологического варианта гибридных СБИС на основе многоуровневых керамических коммутационных плат. Основу этого варианта составляет керамическая подложка размерами 90X90X5 мм (рис. 5.21), которая содержит внутри себя сложную, но компактную сеть коммутационных проводников, шин питания и межуровневых соединений (рис. 5.22). На лицевой верхней стороне подложки выполнены посадочные места для установки от 100 до 133 кристаллов быстродействующих полупроводниковых СБИС на биполярных транзисторах со временем переключения логических схем, входящих в эти кристаллы, около 1,1 не. В общей сложности для присоединения этих кристаллов с жесткими выводами методом перевернутого кристалла на плате сформировано около 12-10 контактных площадок. На нижней стороне платы укреплены 1800 штырьковых контактных выводов, через которые подается питание на кристаллы, вводятся и выводятся сигналы для связи с другими модулями через панель. Жесткие шариковые выводы кристаллов СБИС так же, как и система штырьковых внешних выводов многоуровневой керамической платы, имеют вид двумерных матриц с целью уменьшения занимаемой ими площади. Керамическая подложка содержит 33 слоя проводников; слои соединяются между собой с помощью более чем 35-10 сквозных контактных отверстий. Из указанного числа проводящих слоев в подложке 16 отведены под сигнальные проводники, прокладываемые по осям X или У. Проектные нормы предусматривают расположение сквозных контактных отверстий в Узлах прямоугольной сетки с шагом 0,5 мм. Между соседними 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |