Способ изготовления многослойных гибридных керамических плат с переходными металлизированными отверстиями
METHOD FOR MANUFACTURING MULTILAYER HYBRID CERAMIC BOARDS WITH TRANSITION METALLIZED HOLES

Изобретение относится к области лазерной технологии, в частности, к области микроэлектроники и может быть использовано для создания многослойных гибридных керамических плат высоких, сверхвысоких и крайне высоких частот (ВЧ, СВЧ и КВЧ) диапазона с переходными металлизированными отверстиями.
Известен способ металлизации отверстий в диэлектрической подложке [1], основанный на последовательном формировании отверстий в подложке лазером, обработку их поверхности в растворе активации, химическую и гальваническую металлизацию отверстий, при этом формирование отверстий и обработку их поверхности в растворе активации проводят одновременно при размещении подложки до совпадения поверхности подложки с зеркалом раствора, для чего используется керамическая подложка, которую погружают в раствор активатора и прошивают (прожигают) лазером отверстия. Однако этот способ недостаточно высокого качества изготовления поверхности металлизированных переходных отверстий вследствие воздействия химических реактивов на материал подложки.
Известен способ изготовления гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ на керамических подложках для приемопередающих устройств космической связи [2], основанный на прошивке отверстий в подложках лазером, их металлизации и последующем двухстороннем напылении на подложку слоев металлов, при этом на подложку с двух сторон наносят слой полиоргансилоксановой жидкости, затем лазером прошивают отверстия, отмывают подложку от остатков жидкости и производят химическое осаждение золота на поверхность отверстий, затем химическое осаждение никеля и вновь химическое осаждение золота, причем все процессы химического осаждения ведут в ультразвуковой ванне, после чего на обе стороны подложки напыляют нужные слои металлов. Для реализации этого способа используется керамическая подложка, на которую наносится с двух сторон слой полиоргансилоксановой жидкости. Прошивка отверстий производится импульсным лазером, при этом полиоргансилоксановая жидкость взаимодействует с расплавом керамики и выполняется прошивка отверстий. Однако известный способ изготовления ГИС СВЧ на керамических подложках является недостаточно точным за счет того, что жидкостью покрывается вся плата и есть вероятность, что края отверстий будут неточными, что неприемлемо на сверхвысоких частотах. Кроме того, вследствие неравномерности толщины покрытия по глубине отверстия этим способом невозможно применение химической металлизации для глубоких отверстий малого диаметра.
Известен способ изготовления микроплат с переходными металлизированными отверстиями, предназначенный для создания микроплат СВЧ диапазона длин волн с переходными металлизированными отверстиями (МПО), который является наиболее близким по решаемой задаче и технической реализации и принят в качестве прототипа [3]. Известный способ основан на лазерном формировании отверстий в подложке из керамики, ее очистке, металлизации отверстий и двухстороннем напылении проводящих слоев, гальваническом осаждении слоев металлов и формировании топологического рисунка методом фотолитографического травления, последующем нанесении сначала на подложку с лицевой стороны защитного поглощающего слоя суспензии на основе оксида алюминия, затем прошивании лазером отверстий, очищении подложки и металлизации отверстий в одном вакуумном технологическом цикле с одновременным напылением проводящих слоев ванадия и меди на лицевую и обратную стороны подложки методом магнетронного распыления, затем формировании топологического рисунка путем создания маски из негативного фоторезиста на двух сторонах подложки методом вытягивания и гальванического осаждения в окна маски слоев меди и золота с последующим травлением слоев ванадия и меди со свободного поля поверхности микроплаты.
Недостатком известного способа, принятого в качестве прототипа, является недостаточно высокая надежность соединений в микроплатах за счет того, что при отмывке, часть жидкости остается в пористой структуре керамики, что в дальнейшем негативно влияет на характеристики платы, которые очень чувствительны к загрязнениям на сверхвысоких частотах, еще одним недостатком известного способа, принятого в качестве прототипа, является некачественная адгезия металлических слоев ванадия и меди по всей площади подложки, за счет того, что подложка отличается от первоначальной качественной поверхности из-за нанесения суспензии и последующей отмывки. Кроме того, еще одним недостатком известного способа является применение навесных резисторов для создания топологии ГИС, поскольку данные компоненты имеют небольшую мощность рассеивания и менее прецизионные, чем пленочные резисторы, полученные с помощью магнетронного распыления.
Техническим результатом является обеспечение возможности создания многослойной структуры с заданным количеством электронных радиоэлементов и переходными металлизированными отверстиями, соединяющими лицевую и противоположную стороны подложки, повышение надежности соединений в микроплатах, улучшение адгезии металлизированных слоев к подложке, за счет резистивного подслоя.
Сущность заявленного способа изготовления многослойных гибридных керамических плат с переходными металлизированными отверстиями состоит в том, что предварительно до напыления в вакууме металлизированного слоя ванадий-медь-хром и металлизации переходных отверстий, прожигания лазером переходных отверстий, проводят напыление резистивного слоя, после чего под переходные отверстия формируют посредством литографии окружности, прожигают лазером размеченные по контурам отверстия, затем последовательно проводят напыление в вакууме проводящего слоя ванадий-медь-хром, после чего формируют топологию лицевой стороны подложки, при этом прикрывают от запыления лицевой стороны подложки фольгой и проводят напыление в вакууме проводящего слоя ванадий-медь-хром на обратную сторону подложки с последующим запылением переходных металлизированных отверстий.
2
Гибридная интегральная схема - интегральная схема, в которой присутствуют, как пленочные элементы, так и навесные элементы (диоды, транзисторы, резисторы и др.). Одним из лучших оснований (подложка) для формирования плат для ВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонов, является керамика, т.к. она обладает высокими прочностными свойствами, химической стойкостью к воздействию кислых и щелочных реагентов, высокими диэлектрическими характеристиками, сохранением свойств при резких перепадах температуры, низким газовыделением при температурах до 1500°С и др. После определения марки керамики происходит нанесение тонких резистивных и проводящих слоев в вакууме с помощью магнетронного, электронно-лучевого, термического, катодного и других способов нанесения. После получения данных слоев с помощью литографии формируется топология будущей схемы. Для соединения двух сторон платы используют переходные металлизированные отверстия. Они могут формироваться разными способами. Наилучший способ - прожигание отверстий лазером, т.к. данный способ позволяет сформировать отверстия диаметром до 100 мкм с ровным краем, что является обязательным условием в ВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонах. После формирования отверстий необходимо покрыть их слоем металла, что можно сделать разными способами. Наиболее предпочтительный способ - вакуумное напыление, которое покрывает равномерным слоем керамику и с адгезией к подложке более 50 кгс/см. После этого происходит покрытие платы гальваническим осаждением. Последним этапом происходит монтаж навесных элементов.
Заявляемое изобретение поясняется Фиг. 1, на которой, для наглядного пояснения технологического процесса изготовления платы, приведена подложка с переходным металлизированными отверстия и напыленными в вакууме резистивным и металлическими слоями. На Фиг. 1 представлена схема подложки из керамики (1), на которую сначала наносят резистивный слой (2) в вакууме с помощью магнетронного распыления, формируют литографией окружности под переходные отверстия (3), наносят металлизированные слои ванадий (4), меди (5), хром (6) с помощью электронно-лучевого распыления.
Заявленный способ изготовления многослойных гибридных керамических плат с переходными металлизированными отверстиями реализуется (Фиг. 1) предварительной очисткой подложки. Толщина подложки от 0,25 мм до 2 мм. После чего на очищенную подложку наносится резистивный слой методом магнетронного распыления с номиналом сопротивления пленки от 10 до 3000 на квадрат. Толщина наносимой пленки не более 1 мкм. после чего формируют окружности под отверстия с помощью литографии и пленочные резисторы. После этого с помощью электронно-лучевого напыления формируют металлизированный слой ванадий-медь-хром, толщина подслоя ванадия до 1 мкм, толщина меди от 5 до 12 мкм, толщина хрома до 1-2 мкм. После этого формируется топология схемы с помощью литографии на одной из сторон подложки. После чего для защиты от подпыления закрывается топология схемы фольгой и происходит напыление проводящих слоев ванадий 1 мкм, медь 5-7 мкм, хром 1-2 мкм на чистую сторону подложки и на сформированные отверстия.
Реализация заявленного способа поясняется конкретными примерами апробации.
Пример 1.
Подложка из поликора ВК-100 размером 30x24x0,25 мм покрывалась резистивным слоем методом магнетронного распыления на установки МЭШ-60 составом РС-5406 с сопротивлением пленки 50 . После этого методом фотолитографии формировались окружности под отверстия для прошивки их лазером, а также резисторы. Далее Nd:YA импульсным лазером модели МЛ1-1 формировались отверстия в подложке. Резистивные окружности имеют темный цвет, что приводит к лучшему поглощению лазерной энергии и повышает качество отверстий. Далее на установке электронно-лучевого напыления УВН-74 формируются металлические слои с обеих сторон подложки ванадия-меди-хрома. Толщина слоя ванадия - 1 мкм, слоя меди - 5-12 мкм, слоя хрома - 1 мкм. После этого происходило формирование на лицевой стороне подложки нужной топологии. Затем на установке УВН-74 напылялся металлический слой ванадия-меди-хрома. Лицевая часть подложки закрывалась тонким слоем фольги, чтобы избежать нежелательного подпыления сформированной топологии при напылении металла на противоположную сторону подложки. После этого стравливалась пленка хрома и подложка гальванически покрывалась золотом..
Пример 2.
Подложка из нитрида алюминия размером 60x48x1 мм покрывалась резистивным слоем методом магнетронного распыления на установки МЭШ-60 составом РС-3710 с сопротивлением пленки 100 . После этого методом фотолитографии формировались окружности под отверстия для прожигания их лазером, а также резисторы. Далее Nd:YA импульсным лазером модели МЛ1-1 формировались отверстия в подложке. Далее на установке электронно-лучевого напыления УВН-74 формируются металлические слои с обеих сторон подложки ванадия-меди-хрома. Толщина слоя ванадия - 1 мкм, слоя меди - 5-12 мкм, слоя хрома - 1 мкм. После этого происходило формирование на лицевой стороне подложки нужной топологии. Затем на установке УВН-74 напылялся металлический слой ванадия-меди-хрома. Лицевая часть подложки закрывалась тонким слоем фольги, чтобы избежать нежелательного подпыления сформированной топологии при напылении металла на противоположную сторону подложки. После этого стравливалась пленка хрома и подложка облуживалась припоем ПОСК 50-18.
Пример 3
Подложка из ситалла СТ-50 размером 60x24x0,6 мм К-50С покрывалась резистивным слоем методом магнетронного распыления на установки МЭШ-60 составом К-50С с сопротивлением пленки 500 . После этого методом фотолитографии формировались окружности под отверстия для прожигания их лазеров, а также резисторы. Далее Nd:YA импульсным лазером модели МЛ1-1 формировались отверстия в подложке. Далее на установке электронно-лучевого напыления УВН-74 формируются металлические слои с обеих сторон подложки ванадия-меди-хрома. Толщина слоя ванадия - 1 мкм, слоя меди - 5-12 мкм, слоя хрома - 1 мкм. После этого происходило формирование на лицевой стороне подложки нужной топологии. Затем на установке УВН-74 напылялся металлический слой ванадия-меди-хрома. Лицевая часть подложки закрывалась тонким слоем фольги, чтобы избежать нежелательного подпыления сформированной топологии при напылении металла на противоположную сторону подложки. После этого стравливалась пленка хрома и подложка гальванически покрывалась гальваническим серебром.
Как показывают приведенные выше примеры, заявленный способ позволяет с большой точностью и высокой надежностью изготавливать многослойные керамические платы с переходными металлизированными отверстиями, улучшает адгезию металлизированных слоев за счет резистивного подслоя, позволяет формировать пленочные сопротивления, которые являются более прецизионными и могут рассеивать большую мощность.
Список использованных источников информации.
1. Патент РФ №1820831 (с 27.05.1997 из А.С.- SU 914918550 от 12.03.1991); МПК: Н05К 3/18(3/42).
2. Патент РФ №2242823; МПК: H01L 21/84; C25D 5/34(5/20).
3. Патент РФ №2697814; МПК: H05K 3/42 (прототип).