Технология изготовления плат толстопленочных гибридных интегральных схем

Рис 7.10. Схема основных механизмов взаимного припекания твердых сфер (зерен), контактирующих в начальный момент в точке: о -- вязкое течение, б -- объемная днффузня; в -- объемная диффузия при наличии стока в области контакта г--поверхностная диффузия; д -- перенос вещества через газовую фазу: е -- прилеканне под влиянием прижимающих усилий

Реализация механизма переноса вещества за счет объемной самодиффузии может осуществляться двумя путями в зависимости от вида стока избыточных вакансий, которые образуются вблизи вогнутой поверхности перешейка. Если стоком вакансий является выпуклая поверхность частиц, то диффузионный поток атомов будет формироваться от нее, п=5 и рост площади контакта не сопровождается сближением центров (рис. 7.10, б). Если стоком избыточных вакансий является граница между частицами или дислокации в объеме частиц, то также л=5, а рост площади контакта сопровождается сближением центра частиц (рис. 7.10, в).

При переносе вещества вследствие диффузии атомов (и вакансий) по поверхности от выпуклых участков профиля поверхности контактирующих частиц к вогнутым участкам п=7. Рост площади контактного перешейка в этом случае не сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, г).

Перенос вещества через газовую фазу к перешейку происходит под влиянием разности равновесных давлений пара вблизи выпуклых и вогнутых участков профиля контактирующих частиц. В этом случае закон роста площади контактного перешейка определяется механизмами массопереноса в газовой фазе: при малых давлениях инертного газа (режим молекулярного пучка) 3, а при больших (режим диффузии) -- п=5. Процесс спекания не сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, д).

Под действием прижимающих усилий (в случае горячего прессования) перенос вещества к перешейку может осуществляться механизмом диффузии вдоль границы, разделяющей контактирующие частицы, что приводит к п--4. Этот процесс сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, с).

В реальных условиях при спекании порошков могут одновременно действовать несколько механизмов, тогда показатели степеней п и т в приведенных выше уравнениях будут представлять собой некоторые средневзвешенные величины. При этом следует иметь в виду, что кинетика взаимного припекания частиц сложной формы зависит от геометрии приконтактной. Рассмотренная модель первой, начальной, стадии перестает быть справедливой, когда образуется развитая система стыкующихся границ, и процесс спекания переходит во вторую стадию. К этому моменту радиус контактного перешейка достигает 0,2-- 0,3 радиуса спекающихся частиц, а усадка прессовки составляет 4--6 %.

На второй стадии спекания дальнейшее уплотнение прессовки связано с уменьшением размеров и трансформацией формы всех имеющихся в ней пор. Вначале они приобретают вид сообщающихся каналов, а затем происходят их интенсивное уменьшение, изоляция друг от друга и к концу промежуточной стадии наблюдаются изолированные поры, расположенные на границах зерен или внутри них. При равномерном распределении пор происходят равномерное уплотнение пористого тела и увеличение его механической прочности. Процесс уплотнения осуществляется под действием капиллярного давления, приложенного к участкам свободных поверхностей, обладающих малым радиусом кривизны Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. Вязкое течение среды, в свою очередь, осуществляется посредством «испарения» вакансий с поверхности пор в объем частиц с последующим оседанием их на прилегающих к поре границам, в том числе и дислокационных. Погло щение же вакансий дислокациями, например малоугловой границы, приводит к ее перемещению.

Диффузия вакансий к границам может происходить как через объем частицы, так и непосредственно в приграничном слое. Поскольку в приграничном слое периодичность кристаллической решетки нарушена, движение вакансий здесь происходит с меньшими энергетическими затратами и различие в коэффициентах поверхностной и объемной диффузии может достигать 2--4 порядков.

Для некоторых материалов, обладающих при температуре спекания относительно большим равновесным давлением пара, возможен также значительный перенос вещества через газовую фазу. Поскольку скорость процессов испарения во многом определяется характером дефектов и их распределением в кристаллической решетке зерен, интенсивность процесса спекания во много зависит от химической и термической предыстории компонентов шихты, главным образом определяющей их дефектность.

На второй стадии скорость усадки прессовки максимальна по сравнению с первой и третьей. Это обусловлено интенсивным ростом перешейков с образованием новых границ между частицами, удалением открытых пор, в результате чего происходит стыковка границ зерен, приводящая к увеличению размеров межзеренных контактов. Вторая стадия спекания является самой короткой во времени, но в течение ее достигается основное уплотнение прессовки.

На третьей, конечной, стадии процесса спекания происходит залечивание образовавшихся к концу промежуточной стадии части изолированных пор. Движущей силой процесса уплотнения на этой стадии является избыточная свободная энергия внутренних поверхностей пор. Внутри каждой из пор имеется отрицательное давление. Это давление эквивалентно некоторому равному ему по абсолютному значению положительному давлению, действующему на внешнюю поверхность заготовки. Сумма давлений от всех пор и вызывает уплотнение заготовки. Залечивание пор может происходить по различным механизмам в зависимости от соотношения между линейным размером поры R и характерным средним расстоянием I между источниками и стоками вакансий

По мере залечивания пор, роста контактов и формирования в образце сетки границ энергия поверхности исходных зерен частично переходит в энергию границ, которая также становится движущей силой процесса спекания. Под действием ее происходит движение границ зерен в направлении собственных центров кривизны, приводящее к укрупнению зерен, т. е. к рекристаллизации. В результате движения границ может происходить захват пор внутрь зерен, что будет приводить к образованию закрытой пористости. Залечивание этих пор может происходить по механизмам, рассмотренным выше, или за счет их движения как единого целого к поверхности образца. Сопутствующим этому процессу является процесс слияния пор (коалесценция), что нежелательно при получении однородных керамических изделий.

Таким образом, на третьей стадии спекания движущей силой процесса является избыточная свободная энергия поверхности пор и границ зерен. Уменьшение этой энергии может происходить при протекании трех процессов: рекристаллизации, залечивания отдельных пор и коалесценции пор, причем все эти три процесса являются конкурирующими. Благоприятным является процесс залечивания пор, так как это приводит к увеличению плотности и получению однородных изделий.

В результате рекристаллизации происходит укрупнение кристаллических зерен керамики Размер зерен может оказывать существенное влияние на структурно-чувствительные физико-химические и электрофизические свойства готовых изделий, поэтому важно уметь управлять процессом рекристаллизации при спекании.

Различают три стадии рекристаллизации: первичную, собирательную и вторичную. Первичная рекристаллизация наблюдается при сильной пластической деформации материала, в результате которой формируется ячеистая дислокационная структура и на ее основе образуются новые зерна центры первичной рекристаллизации Собирательная и вторичная рекристаллизация происходит вследствие миграции границ зерен. В реальных условиях при спекании керамики редко протекают все три стадии В зависимости от предыстории образца и условий нагрева могут реализоваться одна, причем любая, либо две стадии рекристаллизации. В частности, в ферритах, характеризующихся высокой хрупкостью, не наблюдается образования границ зерен из дислокационных скоплений.

Конечный размер зерен тем меньше, чем выше исходная пористость заготовки. Конкретное значение критической пористости (при которой начинается интенсивный рост зерен) зависит от природы спекаемого материала, что связано с энергией межзеренных границ. Длительному сохранению мелкозернистой структуры и замедлению скорости движения их границ способствует введение в шихту небольших добавок, не растворимых (или мало растворимых) в основном материале при температуре спекания мелкодисперсных включений примеси Эти включения, располагаясь по границам зерен, препятствуют движению границ, предотвращая собирательную и вторичную рекристаллизацию. Это способствует эффективному спеканию и получению высокоплотного материала. Наибольший практический интерес представляют изделия с однородной керамической структурой, характеризуемой минимальным значением дисперсии распределения кристаллических зерен по размерам.

Отметим, что третья стадия спекания является наиболее медленной и для получения беспористых материалов с высокой плотностью необходима продолжительная изотермическая выдержка. Эта стадия характеризуется уменьшением скорости усадки по сравнению со второй, так как процесс уплотнения лимитируется диффузионным рассасыванием изолированных пор.

Рассматривая процесс спекания в целом, следует подчеркнуть, что отчетливой границы между указанными тремя стадиями нет. И на промежуточной стадии уплотнение реальной заготовки в ее различных объемах может определяться процессами, характерными как для ранней, так и для поздней стадии. Сложность явлений, происходящих в порошковой прессовке при ее нагревании, не позволяет дать единое теоретическое описание процесса спекания. На данном этапе развития теории и практики вполне оправданным является феноменологическое описание процесса с последующим уточнением физического смысла эмпирических коэффициентов.

Интенсификация процесса спекания

Одним из важнейших способов интенсификации процесса спекания порошков являются введение в систему жидкой фазы и горячее прессование.

Механизм и кинетика процесса спекания в присутствии жидкой фазы зависят от многих факторов: состава и количества жидкой фазы, размера и конфигурации кристаллических зерен, характера смачиваемости их жидкой фазой, взаимной растворимости компонентов жидкой и твердой фаз и др.

Жидкая фаза в системе может появляться в результате добавления в шихту специальных легкоплавких добавок и путем образования эвтектик между компонентами шихты. На первой стадии процесса спекания в этом случае образовавшаяся между частицами жидкая прослойка играет роль смазки, облегчающей взаимное перемещение частиц и приводящей к уплотнению заготовки. Для получения удовлетворительных результатов вязкость жидкой фазы должна быть такой, чтобы уплотнение происходило в приемлемые сроки без деформации и коробления изделия под действием силы тяжести. Эта стадия может привести к полному завершению уплотнения, если объем жидкой фазы, присутствующей в системе притемпературе спекания, достаточен для заполнения промежутков между частицами Если вещество твердой фазы частично растворимо в жидкой, то на второй стадии спекания увеличение плотности заготовки происходит за счет процессов растворения и роста зерен твердой фазы. В этом случае при относительно малых количествах расплава в местах контактов частиц могут возникать достаточно большие давления и деформации частиц, вследствие чего участки зерен, находящихся в контакте, растворяются (за счет их более высокого химического потенциала) и осаждаются на периферийных частях В результате этого процесса центры зерен сближаются, а также происходит растворение более мелких зерен и рост за их счет крупных. Наконец, третья стадия приводит к завершению процесса путем обычного твердофазного спекания.

Другими важными путями интенсификации спекания являются повышенные температуры процесса, физическое и химическое активирование спекания.

Увеличение температуры спекания сопровождается ускорением массопереноса и, как следствие, более интенсивным спеканием. Однако при этом надо учитывать возможности диссоциации и увеличения летучести некоторых компонентов керамики, что может существенно ухудшить ее электрофизические свойства. Кроме того, при этом интенсифицируется рекристаллизация, а также происходит слияние мелких пор в крупные с образованием в некоторых случаях раковин, что нежелательно.

Физическое активирование достигается следующими методами: спеканием в переменном магнитном поле, спеканием предварительно деформированных материалов, воздействием ультразвуковых колебаний и др. В частности, воздействие ультразвука на кристаллическую структуру материала способствует интенсификации миграции дислокаций и ускорению диффузионных процессов. Это, в свою очередь, приводит не только к активизации и ускорению спекания, но и значительно повышает плотность и прочность керамики.

После очистки и отжига платы на нее накосят и вжигают поочередно с обеих сторон проводниковую пасту для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов (рис. 1, а), после чего формируют диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников (рис. 1, б). Верхние обкладки и пленочные перемычки (рис. 2.8, в) изготавливают из одной пасты. Последними формируют резисторы (рис. 1, г), имеющие самую низкую температуру вжигания. После обслуживания контактных площадок (верхние обкладки конденсаторов, резисторы и диэлектрик припоем не смачиваются, так как их изготавливают из паст, инертных к припою) производят лазерную подгонку резисторов (рис. 1, д). На рис. 1, е, ж представлены заключительные сборочные операции: установка выводов, монтаж навесных компонентов и герметизация опрессовкой С использованием пластмассы, после тего производят обрезание рамки и разъединение выводов. В том случае, когда какие-либо из пленочных элементов в толстопленочной ГИС отсутствуют (например, пленочные конденсаторы), технологический маршрут такой ГИС упрощается.

Рис. 1. Технологический маршрут изготовления топстопленочной ГИС:

1 - обожженная керамическая подложка с системой сквозных отверстий; 2 - навесной конденсатор; 3 - навесной транзистор с жесткими выводами; 4 - резистор; 5 - толстопленочный конденсатор 

Расчетная часть

1) Определение суммарного припуска на обработку поверхности заготовки:

Z=0,1мм

2) Определение исходной толщины заготовки

lУ = l + Z,

lУ = 0,6 + 0,1=0,7мм=0,0007м

3) Определение исходной массы заготовки

m У = lУ ·S·с,

m У = 0,7 ·0,06·0,048·2600=0,0052416кг=5,2416г=5241,6мг

4) Определение массы пластины или подложки после обработки поверхности

m = l ·S·с,

m = 0,6 ·0,00288·2600=0,0044928кг=4,4928г=4492,8мг

5) Определение количества плат, получаемых из одной подложки, или количества кристаллов, получаемых их одной пластины n.

n=18

6) Определение количества материала, необходимого для выпуска годового плана

6.1) определение количества подложек или пластин, запущенных на разделение

N1=N/(V2·n),

N1=500000/(0,81·18)= 34294,

6.2) определение количества заготовок, запущенных на обработку

N2=N1/V1,

N2=34 294/0,78=43967

7) Определение исходной массы материала

Mи = N2·mУ,

Mи = 43967·0,0052416=230.457427кг,

8) Определение полезной массы материала

Mп = (N·m)/n,

Mп = (500000·0,0044928)/18=124,8кг,

9) Определение коэффициента использования материала

Ким = Mп / Mи,

Ким = 124,8 / 230,457427=0.54153169.

Страницы: 1, 2