Технологии в электронной промышленности №3'2011

Применение наноструктурированных материалов при изготовлении теплонагруженных печатных плат

Балашов Михаил

Жиликов Валентин

Казарьян Александр

Сахно Эдуард


С учетом уникальных электрофизических свойств наноструктурированных материалов показана целесообразность их применения на начальных стадиях изготовления теплонагруженных печатных плат, в том числе со встроенными резисторами в переходных отверстиях.

Теплонагруженные печатные платы изготавливают с использованием металлического основания, на которое с помощью стеклоткани, пропитанной смолами (T-preg), наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги с одной либо с двух сторон. Печатные платы с металлическим основанием (ППМО, в международной классификации IMPCB — Insulated Metal Printed Circuit Board) применяют в изделиях, где имеют место повышенные локальные или распределенные по всей площади тепловые нагрузки. Чаще всего это изделия следующих направлений электронной техники: светодиодная техника, силовая электроника, источники питания, автомобильная электроника [1, 2]. Коэффициент теплопроводности T-preg составляет λ = 1–5 Вт/м·К.

Развитие исследований и работ по технологии получения наноструктурированных материалов в виде тонких пленок и анализ их электрофизических характеристик [3, 4] позволили начать работы по использованию этих материалов для изготовления теплонагруженных печатных плат. Понятие «наноструктурированность пленок» относится не к их толщине, а к их строению [3]. К классу наноструктурированных материалов относится нитрид алюминия, который привлекает внимание разработчиков и технологов в области создания микроэлектронной аппаратуры благодаря сочетанию таких свойств, как большое удельное сопротивление (RS = 1014 Ом·см [5]), высокая теплопроводность (λ = 319 Вт/м·К [6]) и радиационная стойкость.

Наибольшее применение пленки нитрида алюминия получили в качестве защитных, изолирующих и буферных слоев в гибридных и полупроводниковых интегральных микросхемах. Многослойные теплоотводящие подложки, состоящие из диэлектрических слоев нитрида алюминия, нанесенных на металлическую основу, позволяют в широком диапазоне температур по эффективности теплоотвода превосходить оксид бериллия [4]. Стабильность свойств нитрида алюминия в условиях воздействия высоких температур и агрессивных сред обуславливает его широкое применение в датчиках различного назначения.

Наиболее перспективным методом получения пленок нитрида алюминия, по строению и свойствам близких к монокристаллическим, является реактивное ВЧ-магнетронное распыление. Этот способ позволяет в неравновесных условиях по нетангенциальному механизму выращивать слои нитрида алюминия с упорядоченным строением на подложках кристаллических и аморфных материалов при низких температурах, менее 573 К.

Широкое распространение изделий радиоэлектроники, где имеют место повышенные локальные или распределенные по всей площади тепловые нагрузки, а также рост степени интеграции гибридных интегральных схем вызывают обострение проблем теплоотдачи [7] и ставят задачу по ее улучшению. Решение, предложенное в [7], основано на формировании анодных оксидных пленок на алюминиевых сплавах. Образующиеся слои оксидных пленок алюминия, обладая высокими диэлектрическими характеристиками, имеют, к сожалению, невысокую теплопроводность (31,5 Вт/м·К).

Известна технология изготовления печатной платы с теплоотводом, при которой на основание печатной платы, выполненное из алюминиевой пластины, осаждают на вакуумных распылительных установках изоляционный слой из системы Al-O-N и токопроводящий слой, затем наносят фотомаску, гальванически усиливают толщину токопроводящего слоя, удаляют фотомаску и дифференциальным травлением формируют проводящий рисунок [8].

Разработан также способ изготовления печатных плат со встроенными резисторами, при котором в печатных платах, выполненных из материала FR-4, формируют отверстия, которые заполняют резистивной пастой, причем резистивная паста образует контакт с электрическими слоями печатной платы [9]. Недостаток способа — в плохой теплопроводности FR-4 (λ = 0,3 Вт/м·К [1]) и перегреве резисторов, находящихся в замкнутом объеме.

Поэтому представляет интерес задача создания технологии изготовления печатных плат со встроенными резисторами, которая позволила бы увеличить мощность теплового рассеяния встроенных в печатные платы резисторов, а также улучшить отвод тепла от элементов, монтируемых на печатной плате, при уменьшении габаритных размеров платы.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что используется металлическое основание, на которое в качестве изоляционного слоя наносится нитрид алюминия, встроенные резисторы размещаются в отверстиях с нанесенным изоляционным слоем нитрида алюминия на стенках отверстий, а токопроводящий слой осаждается на торцы встроенных резисторов [10].

Дальнейшее формирование проводящего рисунка схемы осуществляется либо комбинированным позитивным методом путем нанесения защитного рисунка с использованием фоторезиста, гальванического наращивания токопроводящего слоя на проводниках, контактных площадках, местах расположения торцов встроенных резисторов и стенках монтажных отверстий, осаждения защитного металлорезиста травления, удаления защитного рисунка и вытравливания токопроводящего слоя с пробельных мест, либо методом тентинг-технологии с предварительным наращиванием требуемого токопроводящего слоя по всей поверхности печатной платы, нанесением защитного рисунка на контактные площадки, проводники и места расположения торцов встроенных резисторов, вытравливания токопроводящего слоя с пробельных мест, удаления защитного рисунка, нанесения защитной паяльной маски, а на контактные площадки и стенки монтажных отверстий наносилось финишное покрытие.

Описание технологии

Технология изготовления теплонагруженных печатных плат по предлагаемому способу состоит из двух этапов. Первый этап представляет собой технологию, характерную для изготовления тонкопленочных микросхем. Он представлен на рисунке.

Этап тонкопленочной технологии

Рисунок. Этап тонкопленочной технологии

На первом этапе выполняются следующие операции: получение заготовки (1) из листа меди или алюминия, сверление монтажных отверстий и отверстий под встроенные резисторы (2), нанесение слоя нитрида алюминия (3), заполнение отверстий резистивной пастой для формирования встроенных резисторов (4), нанесение на поверхность платы, торцы встроенных резисторов и стенки монтажных отверстий тонкого токопроводящего слоя (5).

Второй этап, характерный для традиционной технологии изготовления печатных плат, может быть реализован в двух вариантах, о которых было сказано ранее.

Процесс изготовления двусторонних теплонапряженных печатных плат со встроенными резисторами реализуется в такой последовательности. Из листов металла с высокой теплопроводностью, например сплава алюминия марки Д16АТ или меди марки М1, на операции (1) нарезаются заготовки (6) нужного размера. В заготовках в соответствии с чертежом платы на операции (2) сверлятся монтажные отверстия (7) и отверстия под встроенные резисторы (8). Затем на операции (3) на поверхность заготовки с просверленными отверстиями осаждается слой нитрида алюминия (9) толщиной 5–8 мкм методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления на установке вакуумного напыления. Слой нитрида алюминия обладает высокими диэлектрическими свойствами: удельное сопротивление RS = 1014 Ом·см [5] и высокая теплопроводность λТ = 319 Вт/м·К [6]. Это позволяет эффективно отводить тепло от резистора и устанавливаемых на плату элементов в металлическое основание (6).

Отверстие (8), стенки которого покрыты слоем нитрида алюминия, заполняют резистивной пастой (10). Формируется резистор, сопротивление которого согласно [9] вычисляется по формуле:

R = 4Hρ/πD2,

где Н — толщина металлического основания, мм; D — диаметр отверстия, мм; ρ — удельное сопротивление резистивной пасты, Ом·мм.

Подбором толщины металлического основания Н, диаметра отверстия D и удельного сопротивления резистивной пасты ρ можно в широких пределах варьировать значение требуемого сопротивления.

При формировании резистора в отверстиях основания, выполненного из стеклотекстолита марки FR-4, как описано в [9], теплопередача от резистора в материал основания будет плохой, так как коэффициент теплопередачи стеклотекстолита FR-4 равен λ = 0,3 Вт/м·К [1]. В то же время у нитрида алюминия λ = 319 Вт/м·К, у металлического основания из меди λ = 384 Вт/м·К, а из алюминия — λ = 209 Вт/м·К [11]. Поэтому резисторы, размещенные в отверстиях основания из металла, могут рассеивать большую мощность, обеспечивая высокую теплонагруженность печатной платы.

Для обеспечения электрического контакта с элементами рисунка печатной платы на поверхность печатной платы стенки монтажных отверстий (7) и торцы резистора (10) осаждают пленку меди (11) на установке вакуумного напыления методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления. Осаждение меди на торцы резисторов обеспечивает надежный контакт резистора и проводящего рисунка схемы. Толщина пленки — 3–5 мкм. Она усиливается за счет гальванического наращивания токопроводящего слоя до толщины 25–30 мкм. С помощью фоторезиста формируется защитный рисунок, который защищает слой меди в монтажном отверстии (7) и над резистором (10) в процессе травления меди с пробельных мест при тентинг-процессе, либо он оставляет открытыми участки для гальванического осаждения меди и наращивания защитного металлорезиста травления по комбинированному позитивному методу.

Пробное изготовление плат осуществлялось с использованием базового (типового) технологического оборудования для изготовления двусторонних печатных плат, двух установок вакуумного напыления, реализующих метод реактивного ВЧ-магнетронного распыления, для реализации операций (3 и 5) и установки дозированной подачи резистивной пасты для операции (4).

Для эксперимента была выбрана плата с металлическим основанием из меди толщиной 2 мм с монтажными отверстиями диаметром 0,8 мм и отверстиями под резисторы диаметром 0,4 мм. Точность печатных плат соответствовала 3–4 классу. Размер печатных плат не превышал 130×130 мм и ограничивался размером места расположения мишени.

После загрузки платы в установку напыления производили осаждение нитрида алюминия на всю поверхность платы и стенки отверстия толщиной 5–8 мкм. Толщину измеряли в процессе напыления частотным методом.

Заполнение отверстий резистивной пастой производили на установке «ТРАССА-4304». Требуемый диапазон величин сопротивления резисторов обеспечивался необходимым диаметром отверстия и величиной удельного сопротивления резистивной пасты. Так, при диаметре отверстия 0,4 мм и удельном сопротивлении резистивной пасты 25 Ом·мм величина сопротивления резистора будет составлять R = 4Hρ/πD2 = 4×2×25/3,14×0,42 ≈ 400 Ом.

Нанесение токопроводящего медного слоя (11) производили на установке вакуумного напыления. Толщина слоя — 3–5 мкм. Контроль осуществлялся в процессе напыления частотным методом.

Далее платы обрабатывались по всему циклу в стандартных растворах на стандартном оборудовании.

Проведенные эксперименты и испытания подтвердили перспективность предлагаемой технологии при изготовлении теплонагруженных печатных плат со встроенными резисторами.

Литература

  1. Лысов В., Кочергин В. Печатные платы с металлическим основанием // Печатный монтаж. 2007. № 3.
  2. Марущенко Д. Печатные платы с металлическим основанием // Электроника: наука, технология, бизнес. 2009. № 7.
  3. Белянин А. Ф., Буйлов Л. Л., Одинцов М. А. и др. Многослойные теплоотводящие подложки на основе пленок поликристаллического алмаза и нитрида алюминия // Материалы 6-го Междунар. симпоз. «Тонкие пленки в электронике». Т. 2. Украина, Херсон, 1995.
  4. Сушенцов Н. И. Слоистые структуры на основе нитрида алюминия / Диссертационная работа. Йошкар-Ола, Марийский ГТУ, 1998.
  5. Добрынин А. В., Казаков Н. П., Найда Г. А. и др. Нитрид алюминия в электронной технике // Зарубежная электроника. 1989. Вып. 4.
  6. Свойства элементов. Ч. 2. Химические свойства. Справочник / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976.
  7. Косташ А. П., Голуб А. А. Изготовление теплопроводных печатных плат на алюминиевых подложках // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1992. № 4.
  8. Заявка 196 41 397 А1. Германия, МПК6 H 05 k 1/05. Siemens AG. № 196413974. Verfahren zum Herstellen einer warmeableitenden Leiterplatte/Reiter Martino, Wolkers Lutz, Brikholtz Peter. 27.9.1996.
  9. Заявка 100 15 269 А1. Германия, МПК7 H 05 k 1/16. Siemens AG. № 100 15 269. Innenlegende Widerstande in Borungen von Leiterplate/Grasser Eduard, Katzir Helmut. 28.3.2000.
  10. Патент 2386225 России. Способ изготовления печатных плат со встроенными резисторами / Э. А. Сахно, М. А. Балашов, В. В. Жиликов, С. И. Парута. 23.06.2008.
  11. Кухлинг Х. Справочник по физике / Пер. с нем. под ред. Е. М. Лейкина. М.: Мир, 1985.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо