Многослойная коммутационная плата СВЧ-гибридной интегральной микросхемы космического назначения и способ её получения (варианты)
MULTILAYER SWITCHING BOARD OF MICROWAVE-HYBRID INTEGRATED MICROCIRCUIT OF SPACE DESIGNATION AND METHOD FOR ITS PRODUCTION (VERSIONS)

Группа изобретений относится к электронной технике, а именно к области СВЧ микроэлектронике и может быть использовано при создании СВЧ и изготовлении гибридных интегральных схем (ГИС) с повышенной степенью интеграции и надежностью для бортовой аппаратуры космического назначения.
Из уровня техники известно техническое решение [Берлин Е.В., Сейдман Л.А. «СВЧ гибридная интегральная схема и способ ее изготовления» Патент RU 2287875C2], согласно которому для снижения потерь и повышения добротности в конструкции СВЧ ГИС предлагается применять адгезионные подслои на основе диэлектриков, полученных реактивным магнетронным распылением. Очевидно, что применение адгезионных слоев приводит также и к повышению надежности СВЧ ГИС.
К недостаткам известного технического решения относятся
– невысокая адгезионная прочность микрополосковых линий и микросварных соединений кристаллов, поскольку последняя определяется как величиной прочности при микросварке, так и адгезионной прочностью металла к подложке,
– низкая технологичность СВЧ ГИС, связанная с применением адгезионных слоев неметаллической природы и требуемого для реализации специализированного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является техническое решение, изложенное в [Волосов А.В., Бавижев М. Д., Котляров Е.Ю., Панасенко П.В. «Приемопередающий модуль Х диапазона на кремниевой коммутационной плате», Наноиндустрия. N 5 (82). 2018. С. 441–442, Волосов А.В., Бавижев М. Д., Котляров Е.Ю., Панасенко П.В. «Приемопередающий модуль Х диапазона на кремниевой коммутационной плате» Международный форум «Микроэлектроника–2017» 3 Международная научная конференция Республика Крым, г. Алушта, 02–07 октября 2017 г. «Электронная компонентная база и электронные модули» Техносфера, М., 2017. 496 с. С. 414–415]. Согласно известному техническому решению рассмотрен один из конструктивно–технологических вариантов и результаты экспериментальных исследований приемопередающего модуля Х–диапазона на кремниевой коммутационной плате. Система многуровневых межсоединений и интегрированные конденсаторы типа «металл – диэлектрик – металл» реализованы обычными методами кремниевой технологии.
К недостаткам известного технического решения относится невысокая адгезионная прочность микрополосковых линий и микросварных соединений кристаллов, поскольку последняя определяется исключительно как величиной прочности при микросварке, так и адгезионной прочностью металла к диэлектрическому слою.
Из уровня техники известно техническое решение, изложенное в [А.С.Тишин, Е.Ю. Котляров. Малогабаритный приемопередающий субмодуль Х–диапазона. Дата обращения 08.08.2016. conf59.mipt.ru>static/reports_pdf/2976.pdf]. Согласно известному техническому решению в основу приемопередающего модуля положена кремниевая коммутационная плата, выполненная по технологии TSV (Through Silicon Vias), обеспечивающей формирование сквозных металлизированных отверстий в кремнии, и сочетающая применение двух типов диэлектриков –диоксида кремния и бензоцикобутена. При этом металлизированные отверстия выполняют функции заземления и дополнительного теплоотвода.
К недостаткам известного технического решения относится
– невысокая адгезионная прочность микрополосковых линий и микросварных соединений кристаллов, поскольку последняя определяется исключительно как величиной прочности при микросварке, так и адгезионной прочностью металла,
– низкая технологичность, связанная с применением двух типов различных диэлектриков – органического и неорганического.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение адгезионной прочности монтажных соединений в коммутационной плате и технологичности коммутационной СВЧ–платы.
Технический результат достигается за счет  создания многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения содержащей диэлектрическую подложку, на которой размещены N чередующихся металлических и диэлектрических слоев с топологическим рисунком, активные элементы, размещенные на подложке и/или на диэлектрическом слое с монтажными площадками, межслойная коммутация осуществляется посредством электрически изолированного проводящего элемента в диэлектрическом слое и/или в/на диэлектрической подложке, выполненного на основе золота в форме микроминиатюрного анкера с образованием расширений–манжет, частично размещенных вне отверстия.
В частном варианте выполнения в качестве диэлектрической подложки используют высокоомный кремний.
В частном варианте выполнения диаметр расширений–манжет, размещенных на обратной поверхности подложки, рассчитывается из соотношения:
2w<a<2s; где
a – диаметр расширений–манжет;
2w – ширина СВЧ дорожки;
2s – диаметр кольцевой области подложки, свободной от металлизации экрана.
В частном варианте выполнения диаметр расширений–манжет, размещенных на подложке или между диэлектрическими слоями, рассчитывается из соотношения:
2w≤a<s, где
a – диаметр расширений–манжет;
2w – ширина СВЧ дорожки;
2s – диаметр кольцевой области подложки, свободной от металлизации экрана.
Заявленный технический результат достигается также за счет создания  первого варианта способа получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы, включающего последовательное формирование на диэлектрической подложке N чередующихся металлических и диэлектрических слоев с топологическим рисунком и монтаж активных элементов на подложке и/или на диэлектрическом слое с монтажными площадками, металлизацию формируют на основе золота межслойной коммутации электрическим изолированным проводящим элементом внутри подложки в форме микроминиатюрного анкера с образованием расширений–манжет, частично размещенных вне отверстия, при этом форму отверстия внутри и на подложке, соответствующего форме микроминиатюрного анкера, придают сквозным травлением высокоомного кремния в Бош–процессе с эффектом нотчинга до образования положительного клина травления.
В частном варианте выполнения после травления кремния осуществляют последовательно вакуумную металлизацию «вентильный металл–медь», формирование топологического рисунка, гальваническое осаждение золота до заполнения пустот и полирование.
В частном варианте выполнения после травления кремния металлизацию «вентильный металл–медь» проводят методом магнетронного распыления.
В частном варианте выполнения металлизацию «вентильный металл–медь» подложки осуществляют под углом не более 45 угловых градусов к нормали, образованной осью симметрии отверстий и плоскостью мишени.
В частном варианте выполнения вакуумную металлизацию «вентильный металл–медь» подложки осуществляют последовательно минимум в два этапа с разворотом подложки на 180 угловых градусов вокруг оси.
Заявленный технический результат достигается также за счет создания  второго варианта способа получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы, включающего последовательное формирование на диэлектрической подложке N чередующихся металлических и диэлектрических слоев с топологическим рисунком и монтаж активных элементов на подложке и/или на диэлектрическом слое с монтажными площадками, металлизацию формируют на основе золота межслойной коммутации электрическим изолированным проводящим элементом внутри диэлектрического слоя в форме микроминиатюрного анкера с образованием расширений–манжет, частично размещенных вне отверстия, при этом форму микроминиатюрного анкера придают последовательно формируя расширение–манжету у основания на основе металлизации на поверхности диэлектрического слоя толщиной не менее ½ от заданной, формированием диэлектрического слоя до заданной толщины, с последующей литографией и травлением глухих отверстий до металлизации, металлизацией образовавшихся глухих отверстий с последующим гальваническим осаждением золота до заполнения пустот и механической обработки полированием.
Заявленный технический результат достигается также за счет создания  третьего варианта способа получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы, включающего последовательное формирование на диэлектрической подложке N чередующихся металлических и диэлектрических слоев с топологическим рисунком и монтаж активных элементов на подложке и/или на диэлектрическом слое с монтажными площадками, металлизацию формируют на основе золота межслойной коммутации электрическим изолированным проводящим элементом на поверхности подложки и внутри диэлектрического слоя в форме микроминиатюрного анкера с образованием расширений–манжет, частично размещенных вне отверстия, при этом форму микроминиатюрного анкера придают последовательно формируя расширение–манжету у основания на основе металлизации подложки, диэлектрического слоя до заданной толщины, с последующей литографией и травлением глухих отверстий до металлизации, металлизацией образовавшихся глухих отверстий с последующим гальваническим осаждением золота до заполнения пустот и механической обработки поверхности.
В частном варианте выполнения механическую обработку поверхности проводят методом прецизионного шлифования абразивным материалом на основе карбида кремния с керамической связкой со скоростью вращения абразивного круга не более чем 40 м/с, размером зерна абразива не более 210 мкм, с нормальной пористостью структуры абразивного материала.
Признаки и сущность заявленного технического решения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг. 1 схематично представлено поперечное сечение металлизации в форме анкера внутри подложки при использовании высокоомного кремния со сформированным расширением–манжетой, где a – диаметр расширений–манжет; h – толщина подложки; 2s – диаметр кольцевой области подложки, свободной от металлизации экрана; 2w – ширина СВЧ дорожки.
На фиг. 2 схематично изображено поперечное сечение металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри диэлектрического слоя, где a – диаметр расширений–манжет; b – величина отступа от манжеты до экрана внутри диэлектрического слоя; h – толщина диэлектрического слоя; t – толщина металлизации; 2s – диаметр кольцевой области подложки, свободной от металлизации экрана; 2w – ширина СВЧ дорожки.
На фиг. 3 схематично представлено поперечное сечение многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС со сформированной в форме анкера металлизацией внутри и на подложке при использовании высокоомного кремния.
На фиг. 4 схематично представлено поперечное сечение многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС со сформированной в форме анкера металлизацией внутри диэлектрического слоя коммутационной платы.
На фиг. 5 схематично представлено поперечное сечение многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС со сформированной в форме анкера металлизацией на подложке.
На фиг. 6 (а–д) показана последовательность формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри подложки.
На фиг. 7 (а–е) показана последовательность формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри и на подложке при использовании высокоомного кремния.
На фиг. 8 (а–е) показана последовательность формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри диэлектрического слоя коммутационной платы.
На фиг. 9 (а–д) показана последовательность формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой на подложке.
На фиг. 3– 9 позиции обозначают следующее:
1 – кристалл, смонтированный на поверхности коммутационной платы СВЧ ГИС;
2 – место сварки металлизации в форме анкера с проволокой;
3 – место сварки металлизации контактных площадок кристалла с проволокой;
4 – сформированное расширение–манжета;
5 – подложка;
6 – металлизация, сформированная в форме микроминиатюрного анкера;
7 – гальванически осажденный металл на металлизацию, сформированную в форме микроминиатюрного анкера;
8 – мишень;
9 – диэлектрический слой;
10 – нормаль;
11 – отверстие;
12 – топологический рисунок;
13 – металлизация;
14 – гальванически осажденный металл после механической обработки.
Способ получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения в отношении последовательности формирования металлизации в форме микроминиатюрного анкера с расширением–манжетой внутри подложки, отражен на фиг. 6 (а–д),  где «а» – стадия формирования полиимидного покрытия на обратной стороне подложки, с последующим сквозным травлением высокоомного кремния в Бош–процессе с эффектом нотчинга до образования положительного клина травления и последующим удалением полиимидного покрытия, «б» – стадия осуществления вакуумной металлизации «вентильный металл–медь» методом магнетронного распыления под углом не более 45 угловых градусов к нормали, образованной осью симметрии отверстий на подложке  и плоскостью мишени, причем вакуумную металлизацию «вентильный металл–медь» подложки осуществляют последовательно минимум в два этапа с разворотом подложки на 180 угловых градусов вокруг оси, стадии «в» и «г» характеризуют формирование топологического рисунка, гальваническое осаждение золота до заполнения пустот в отверстиях с последующей механической обработкой поверхностей  методом прецизионного шлифования абразивным материалом на основе карбида кремния с керамической связкой со скоростью вращения абразивного круга не более чем 40 м/с, размером зерна абразива не более 210 мкм, с нормальной пористостью структуры абразивного материала в стадии «д».
Способ получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения в отношении последовательности формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри и на подложке при использовании высокоомного кремния, отражен на фиг. 7(а–е), где на стадии «а» формируется металлизация в форме анкера с расширением–манжетой  внутри подложки, на стадии «б» методом магнетронного распыления осуществляется процесс вакуумной металлизации с последующим формированием топологического рисунка и расширения–манжеты на подложке, затем наносится (стадия «в») диэлектрический слой и формируется топологический рисунок диэлектрического слоя, далее последовательно осуществляют вакуумную металлизацию «вентильный металл–медь», формирование топологического рисунка, гальваническое осаждение золота до заполнения пустот  с последующей механической обработкой поверхности методом прецизионного шлифования, в стадии «г», в стадии «д» методом магнетронного распыления осуществляется процесс вакуумной металлизации с последующим формированием топологического рисунка слоя, стадия «е» – монтаж кристалла с формированием микросварных проволочных соединений с контактными площадками многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС.
Способ получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения в отношении последовательности формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри диэлектрического слоя коммутационной платы, отражен на фиг.8 (а-е), где на стадии «а» на подложку методом магнетронного распыления осуществляется процесс вакуумной металлизации с последующим формированием топологического рисунка, на стадии «б» наносится диэлектрический слой и формируется его топологический рисунок с последующим процессом вакуумной металлизации и формированием расширения–манжеты, стадия «в» – нанесение диэлектрического слоя и формирование топологического рисунка диэлектрического слоя, далее (стадия «г») с помощью метода магнетронного распыления осуществляется процесс вакуумной металлизации с последующим формированием топологического рисунка, на стадии «д» осаждается гальваническое золото до заполнения пустот с последующей механической обработкой поверхности методом прецизионного шлифования, после чего на стадии «е» осуществляется монтаж кристалла с формированием микросварных проволочных соединений между контактными площадками кристалла и многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС.
Способ получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения в отношении последовательности формирования металлизации в форме анкера с расширением–манжетой на подложке, отражен на фиг.9 (а-д), где на стадии «а» на подложку  методом магнетронного распыления осуществляется процесс вакуумной металлизации с последующим формированием топологического рисунка c расширением–манжетой, на стадии «б» наносится диэлектрический слой и формируется его топологический рисунок с последующим процессом вакуумной металлизации  и формированием топологического рисунка  в стадии «в», далее на стадии «г»  осаждается гальваническое золото до заполнения пустот с последующей механической обработкой поверхности методом прецизионного шлифования, на стадии «д» осуществляется монтаж кристалла с формированием микросварных проволочных соединений между контактными площадками  кристалла и многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС.
Примером использования предлагаемого способа может служить создание многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения со структурой, сформированной на жестком основании (подложке), изготовленном из высокоомного кремния диаметром 76 мм с классом шероховатости поверхности не ниже 13 и комплексом чередующихся функциональных проводящих слоев и диэлектрических слоев, толщиной 40–100 мкм. В подложке формируются отверстия методом сквозного травления высокоомного кремния в Бош–процессе с эффектом нотчинга до образования положительного клина травления. Подготовка поверхности кремниевой подложки перед напылением функционального металлического слоя состоит из комплекса жидкостной химической обработки (гидромеханическая обработка, обработка в растворе Каро, обработка в аммиачно–перекисном растворе). Интервалы внутрикомплексного межоперационного простоя не превышали 30 минут. Формирование функциональных проводящих структур осуществляли методом магнетронного распыления тонких пленок. Процесс нанесения тонкопленочной проводящей структуры Cr–Cu производится за один цикл. Слой Au осаждается гальваническим методом, при формировании металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри и на поверхности подложки гальваническое золото осаждается до заполнения пустот. Получаемая топология сформирована с помощью фотолитографических процессов, включающих в себя для первого слоя металлической структуры нанесение позитивного фоторезиста центрифугированием, в то время как для последующих слоев проводящей структуры используется спреевое нанесение фоторезиста. После термообработки на пластине, с помощью соответствующего слою проводящей структуры фотошаблона методом экспонирования с зазором сформирована фоторезистивная маска (ФРМ). Металл, не закрытый ФРМ, удаляется методом жидкостного химического травления (ЖХТ). По окончании процесса ЖХТ, защитная ФРМ удаляется в органических растворителях (например, в ацетоне). В данной структуре диэлектрические слои (толщина одного слоя составляет от 40 до 100 мкм) реализуются формированием толстого полимерного покрытия из раствора. В данном примере толстым полимерным покрытием для формирования диэлектрического слоя платы является полипиромеллитимид. Топологический рисунок диэлектрического слоя на основе полипиромеллитимида формируется с использованием напыленной металлической маски с последующим жидкостным химическим травлением. Подготовка поверхности перед нанесением полимерного покрытия представляет собой последовательность из операций химической обработки в органическом растворителе, плазмохимической обработки в кислородной плазме и термической обработки. В случае с формированием слоя диэлектрика на основе полипиромеллитимида, толщина в 50 мкм получена дозированием раствора на подложку с последующим центрифугированием при 400 об/мин в течение 3 минуты с последующей термообработкой. Затем производится формирование металлической маски Cr–Cu, где толщина Cu составляет 1 мкм, с помощью процессов вакуумного напыления и фотолитографических процессов. Методом жидкостного химического травления удаляется материал диэлектрика из незакрытых маской зон. Маска удаляется методом плазмохимического травления или жидкостного химического травления.  Монтаж кристаллов на поверхность подложки с формированием микросварного соединения золотой проволокой между контактными площадками кристаллов и контактными площадками пластины с металлизацией в форме анкера с расширением–манжетой внутри и на поверхности подложки, таким образом обеспечивается повышение адгезионной прочности микросварного соединения к поверхности контактной площадки многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС.
Другим примером использования предлагаемого способа может служить создание многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы космического назначения со структурой, сформированной на жестком основании (подложке) изготовленного из AlN–керамики диаметром 76 мм с классом шероховатости поверхности не ниже 13 и комплексом чередующихся функциональных проводящих слоев и толстых полимерных диэлектрических слоев, толщиной 40–100 мкм. Подготовка поверхности AlN–основания перед напылением функционального металлического слоя состоит из комплекса последовательных процессов жидкостной химической (гидромеханическая обработка, обработка в хромовой смеси на основе серной кислоты, обработка в аммиачно–перекисном растворе) и плазмохимической обработки в кислородной плазме. Интервалы внутрикомплексного межоперационного простоя не должны превышать 30 минут. Формирование функциональных проводящих структур осуществляется методом магнетронного распыления тонких пленок. Процесс нанесения тонкопленочной проводящей структуры Cr–Cu производится за один цикл. Слой Au осаждается гальваническим методом, при формировании металлизации в форме анкера с расширением–манжетой внутри диэлектрического слоя гальваническое золото осаждается до заполнения пустот. После заполнения пустот методом прецизионного шлифования проводят обработку поверхности и планаризацию. Получаемая топология сформирована с помощью фотолитографических процессов, включающих в себя для первого слоя металлической структуры нанесение позитивного фоторезиста центрифугированием, в то время как для последующих слоев проводящей структуры используется спреевое нанесение фоторезиста. После термообработки на пластине, с помощью соответствующего слою проводящей структуры фотошаблона методом экспонирования с зазором сформирована ФРМ. Металл, не закрытый ФРМ, удаляется методом ЖХТ. По окончании процесса ЖХТ, защитная ФРМ удаляется в органических растворителях (например, в ацетоне). В данной структуре диэлектрические слои (толщина одного слоя составляет от 40 до 100 мкм) реализуются формированием толстого полимерного покрытия из раствора. В данном примере толстым полимерным покрытием для формирования диэлектрического слоя платы является полипиромеллитимид. Топологический рисунок диэлектрического слоя на основе полипиромеллитимида формируется с использованием напыленной металлической маски с последующим жидкостным химическим травлением. Подготовка поверхности перед нанесением полимерного покрытия представляет собой последовательность из операций химической обработки в органическом растворителе, плазмохимической обработки в кислородной плазме и термической обработки. В случае с формированием слоя диэлектрика на основе полипиромеллитимида, толщина в 50 мкм получена дозированием раствора на подложку с последующим центрифугированием при 400 об/мин в течение 3 минуты с последующей термообработкой. Затем производится формирование металлической маски Cr–Cu, где толщина Cu составляет 1 мкм, с помощью процессов вакуумного напыления и фотолитографических процессов. Методом жидкостного химического травления удаляется материал диэлектрика из незакрытых маской зон. Маска удаляется методом плазмохимического травления или жидкостного химического травления.  Монтаж кристаллов на поверхность подложки с формированием микросварного соединения золотой проволокой между контактными площадками кристаллов и контактными площадками пластины с металлизацией в форме анкера с расширением–манжетой внутри диэлектрического слоя, таким образом обеспечивается повышение адгезионной прочности микросварного соединения к поверхности контактной площадки многослойной коммутационной платы СВЧ ГИС.
Таким образом, предложена группа изобретений, включающая многослойную коммутационную плату СВЧ–гибридной интегральной микросхемы, обеспечивающую стабильность функционирования, повышенную степень интеграции и надежность в составе бортовой аппаратуры космического назначения и способ получения многослойной коммутационной платы СВЧ–гибридной интегральной микросхемы, обеспечивающий повышение адгезионной прочности монтажных соединений и ее технологичность.