Экологически чистая технология печатных плат и больших гибридных ИС
Анализ в области разработки и производства радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) показывает, что в иерархии её построения [1] на первой ступени межсо-единений используют сверхбольшие и сверхскоростные интегральные схемы (СБИС и ССИС, соответственно) — результат грандиозных успехов полупроводниковой технологии. Не меньшего успеха достигли на второй и третьей ступенях межсоединений — за счёт разработки высокоинтегрированных гибридных и больших гибридных интегральных схем (ГИС, БГИС). Тем не менее, последняя ступень межсоединений — печатная плата (ПП) оказалась весьма консервативной частью конструктива РЭА и остаётся практически без изменений. И если в аппаратуре военного назначения, особенно бортовой (в которой, как правило, используют бескорпусную элементную базу), ПП заменяют на БГИС, то в наземной и, тем более, в бытовой аппаратуре ПП доминируют.
Этому было несколько причин. Прежде всего, производство ПП (как массовое производство) непрерывно совершенствовалось в области механизации операций и снижения издержек с целью уменьшения цены готовых плат.
С другой стороны, применение СБИС с большим числом выводов (более 300) и малым их шагом (менее 0,5 мм) привело к увеличению числа межсоединений в устройстве, что потребовало повышения класса точности ПП, а также разработки конструкции и технологии многослойных печатных плат (МПП).
Несмотря на, казалось бы, благополучное решение поставленных перед разработчиками ПП технических задач, на данный момент в конструкции и технологии имеют место серьёзные недостатки. Особенно важно то, что ПП подошли к пределу своих технических возможностей, достигаемых современной технологией, и дальнейшее развитие требует принципиально нового подхода.
Экологический аспект
Фольгированный стеклопластик имеет слой меди толщиной от 20 до 50 мкм. На конечном этапе изготовления ПП проводники и контактные площадки занимают не более 25–30% поверхности, а 70–75% металла переходит в раствор в виде химических отходов. В первом приближении это составляет 0,5...1,0 кг с 1 м2 поверхности. Следует добавить сюда отходы от химической металлизации отверстий в жёстких платах (или отходы от химического травления полиимида в гибких платах). Если учесть химические отходы от проявления и удаления пленочного фоторезиста (толщиной 25...60 мкм), то можно представить себе величину затрат на возведение и эксплуатацию очистных сооружений.
Переходные металлизированные отверстия и класс точности
Известно, что площадь, отводимая под переходные металлизированные отверстия, может достигать 20...30% от общей поверхности платы. С целью увеличения числа проводников в слое стремятся уменьшить диаметр отверстия. Однако, уменьшение его до размеров менее 0,3 мм существенно усложняет процесс механического сверления и уменьшает надёжность электроперехода.
С другой стороны, тенденция к увеличению числа выводов у корпусов СБИС (по данным фирмы JCE в ежегодном отчёте STATUS-98 к 2001 году будут выпускаться микросхемы с более чем 650 выводами, а к 2010 — с 1200 вывода-ми) требует существенного уменьшения шага сетки ПП. Последнее ставит задачу снижения толщины медной фольги до 5...10 мкм. Однако, получение такого материала с равномерными характеристиками, особенно на большой поверхности, — очень трудоёмкий процесс, так как он связан с изготовлением специального носителя для фольги и перенесением её с носителя на диэлектрик. Для гибкого диэлектрика требуется нанесение медного слоя через разделительный барьер на медную или алюминиевую фольгу (18...25 мкм), прессование на неё полимерного материала (через клеевой слой), последующее снятие (перед использованием) фольги-протектора и её утилизация.
Следует отметить факт конъюнктурного замалчивания этих трудностей в литературе, сообщающей о достижениях в области изготовления МПП на таком материале. Как выход из этого положения, понятно использование многослойной конструкции плат, в которой число слоев достигает 10...12, а иногда и более, что, естественно, увеличивает трудоёмкость и цену изделия. По этой причине перейти на серийное, а тем более, на массовое производство ПП высокого (выше 4-го) класса точности не представляется возможным. Только отдельные фирмы, оснащённые передовым оборудованием, выпускают малые партии МПП 4-го и редко 5-го классов точности.
Проблема отвода тепла от кристаллов БИС
Как было отмечено выше, наряду с ростом числа выводов СБИС, мощность, выделяемая на кристалле, увеличивается до десятков Вт, что, естественно, связано с проблемой отвода тепла от кристалла. Стандартная конструкция ПП не позволяет осуществить отвод тепла непосредственно к корпусу аппаратуры, поэтому используют принудительную конвекцию воздуха, а для больших кристаллов (например, процессоров) устанавливают персональные микровентиляторы. В бытовой аппаратуре с этим мирятся, тогда как для специальной аппаратуры, с её высокими требованиями надёжности и жёсткими условиями эксплуатации, с этим мириться недопустимо.
Пути решения проблемы
Впервые с критикой ПП в 1979 г. выступил Чарльз Лассен в статье «Требуется новая технология межсоединений» [2], где обстоятельно рассмотрел состояние дел и перспективы развития этой проблемы. Это направление получило дальнейшее развитие в работах Джерри Лаймена [3], который предвидел трансформацию ПП в БГИС.
Несомненным успехом в альтернативном противостоянии ПП и БГИС было предложение, выдвинутое в 1968 году американцами Марлеем и Тролсеном о применении полиимидной пленки для создания на её основе гибких ГИС и соединительных шлейфов [4]. Однако, перенос из технологии ПП принципа сквозных отверстий создал ряд технических проблем, ставших причиной очень большой трудоёмкости изготовления [5].
Большой опыт, накопленный нами в этой области (один из авторов участвовал в 70-80 гг. в претворении в жизнь технологии Марлея и Тролсена в разработках НПО «Элас», выполненных под руководством академика Г.Я. Гуськова), позволил разработать принципиально новый процесс изготовления жёстких и гибких ПП и БГИС, устраняющий отмеченные недостатки.
Метод позволяет не использовать фольгированный стеклопластик, исключить из конструкции сквозные отверстия, а из технологического цикла, соответственно, исключить химические процессы: травление толстого слоя меди, металлизацию палладием и медью сквозных отверстий, химические процессы травления отверстий в гибкой полиимидной плёнке.
Всё это открывает возможность создания экологически чистого производства ПП и БГИС без необходимости возведения очистных сооружений.
Метод основывается на авторских оригинальных технических решениях, защищённых патентами и авторскими свидетельствами, для большинства технологических операций.
По новой технологии вместо фольгированного стеклопластика предложено использовать любую полимерную плёнку, металлизированную в вакууме тонким (2...3 мкм) слоем меди. Формирование электрических переходов с одной стороны на другую осуществляется механически на станках с ЧПУ. Следует отметить, что этот метод формирования электроперехода неограниченно расширяет номенклатуру используемых материалов, так как, кроме полиимида, практически ни один полимер не поддаётся химическому травлению (как, например, полиэтиленовая и фторопластовая пленки).
Полученная двусторонняя гибкая схема припрессовывается на любое жёсткое основание: пластмассу, картон, композиционный материал, металл.
Высокая плотность проводников в слое достигается за счёт отсутствия переходных отверстий, получаемых травлением, с их контактными площадками и процесса осаждения меди реверсированным током из специального электролита, обеспечивающего минимальное боковое разрастание элементов (20...40%) [6].
Конструктивно-технологические показатели процесса и самих печатных плат представлены в табл. 1.
| Характеристики | Стандартные ПП | Гибкие ПП на фольгированном полиимиде | ПП по проекту |
| Пример материала ПП | Стеклотекстолит 1,0...2мм | Полиимид фольгированный, толщ.40 мкм | Фторопластовая пленка, толщ. 20 мкм |
| 1. Возможность выбора материала | Ограничена фольгированным стеклотекстолитом | Ограничена фольгированным с одной стороны полиимодом | Нет ограничений; возможно прменение любого полимерного материала |
| 2. Особенности технологического процесса | Сверление отверстий, их химическая металлизация. Химическое травление толстого слоя меди с поверхности (до 800 г меди с 1 м2) | Химическое травление полимерной пленки в местах отверстий. Химическое травление меди с поверхности (до 350г меди с 1 м2) | Травлению подвергается только тончайшая пленка меди, нанесенная в вакууме (до 6 г меди с 1 м2) |
| 3. Экологичность производства | Большой расход органических и неорганических веществ, требуется утилизация отходов — кислот, солей (до 800...1000 г/м2). Обязательно наличие очистных сооружений. | Большой расход химических веществ — органических травителей, кислот, солей и т.п. (300...400 г/м2). Обязательно наличие очистных сооружений. | Не требуются очистные сооружения. Достаточно цеховой установки сухой утилизации отходов |
| 4. Минимальная ширина проводников и зазоров, мкм | 150 | 100 | 50 |
| 5. Минимальный диаметр переходного отверстия, мкм | 300 | 100 | 20 (электропереход) |
| 6. Минимальный размер КП под переходное отверстие, мкм | 600×600 | 500×500 | 100×100 |
| 7. Потери поверхности из-за использования сквозных отверстий, % | до 30 | до 30 | — |
| 8. Величина бокового разрастания проводника, % | >100 | >100 | 20...30 |
| 9. Плотность проводников в слое, мм-1 | 2...3 | 3...4 | 6...8 |
| 10.1. Тепловое сопротивление системы «кристалл-плата-окружающая среда» в естественных условиях, °C/Вт |
10...20 |
нет данных |
0,5...1,2 (металл-подложка) |
| 10.2. Тепловое сопротивление системы «кристалл-плата-окружающая среда» с принудительным воздушным охлаждением, °C/Вт | 6...12 | нет данных |
0,1...0,4 (металл-подложка) |
Следует особо отметить преимущество одностороннего расположения электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в новой конструкции плат, что делает чрезвычайно удобным их групповой монтаж, а также значительно облегчает прозвонку цепей (известно, в какую долю цены обходится электрическая проверка многослойных плат с двусторонним расположением ЭРЭ). В то же время, обратная сторона основания может быть использована для расположения другой гибкой платы, что особенно важно в случае их электрической связи (функционального взаимодействия). В этом случае не требуется объединительная плата для их коммутации через дополнительные разъёмы (соединить можно одним или несколькими шлейфами).
Двусторонняя гибкая плата, или БГИС, является базовым элементом построения многослойной структуры. Вертикальная электрическая связь между отдельными платами осуществляется в процессе монолитизации пакета при его прессовании к основанию. Учитывая высокую плотность проводников в каждом электрическом уровне, число слоёв готовой МПП значительно сокращается по сравнению с типовой МПП.
Совместимость процесса с существующей технологией ПП
Сравнительный анализ технологических операций производства ПП по проекту и стандартной технологии показывает, что значительная часть оборудования, применяемого для изготовления ПП традиционным способом, может быть использована по прямому назначению при переходе на новую технологию. Среди них: оборудование для двустороннего экспонирования, нанесения слоя защиты, прессования; гальванические установки, сверлильное оборудование.
Поэтому для участков (цехов), оснащенных современным прогрессивным оборудованием, при переходе на новую технологию больших капитальных затрат не предвидится.
Следует отметить, что производство ПП 5-го и выше класса точности потребует для фотолитографических (жидкостных) операций наличие чистых комнат, как это имеет место при изготовлении БГИС. Экономическую эффективность нового технологиче-ского процесса хорошо иллюстрирует расчёт условной годовой прибыли, выполненный всего лишь на разнице себестоимости продукции (традиционной и новой) без учёта других составляющих (накладных, торговых затрат и т. п.). Данные приведены в табл. 2 (при расчёте объём годового выпуска ПП был принят за 10 000 м2).
Таблица 2
| Традиционная технология | Технология по проекту | ||
| Цена 1 кв.м стеклотекстолита | 450 | Цена 1 кв.м металлизированного полимера по РОЗНИЧНОЙ цене | 450 |
| Цена расходуемых химических веществ на травление меди с кв.м | 60 | Цена расходуемых химических веществ на травление меди с кв.м | 1,5 |
| Цена химических веществ (Pd, Cu) для химической металлизации отверстий на 1 кв.м | 40 | — | |
| Затраты на очистные сооружения на 1 кв.м | 450 | Затраты на очистные сооружения на 1 кв.м | 4,5 |
| Заработная плата (на 1 кв.м) | 15000 | Заработная плата (на 1 кв.м) | 7544 |
| ИТОГО | 16000 | ИТОГО | 8000 |
Годовая прибыль за счёт разницы в себестоимости при переходе на новую технологию составляет: (16000 — 8000) х 10 000 = 80 000 000 рублей, или около 3,0 млн. долларов США (по курсу на 01.01.99).
При этом по традиционной технологии в год:
- переходит в раствор 0,8 кг/м2 ґ 10 000 м2 = 8 000 кг (8 тонн!) меди;
- расходуется 3 г/м2 ґ 10 000 м2 = 30 кг палладия;
- расходуется огромный объём химических веществ.
В настоящее время разработчики нового процесса осуществляют контакты с деловыми партнёрами для инвестирования средств в отработку серийной технологии изготовления ПП для РЭА нового поколения. По всем вопросам связанным с экологически чистой технологией печатных плат и больших гибридных ИС обращаться в лабораторию микроэлектроники ВНИИРТ.
Литература
- Икэгама А. Комбинации материалов и технологических процессов изготовления гибридных ИС // Денси дзайрё. — 1984. — т. 23. — С. 20–21.
- Лассен Ч. Требуется новая технология межсоединений // Электроника. — 1979. — № 20. — С. 24–35.
- Лаймен Дж. Особенности конструкции печатных плат и соединителей, используемые в технологии монтажа на поверхность // Электроника. — 1986. — № 11. — С. 55–61.
- Marley J., Trolsen Y. New Beam-Lead Connection Method Roosts Semiconductor Memory Fields, Electronics, Vol. 42, #46, p. 105, 1969.
- Воженин И.Н. и др. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных ИС. — М.: Радио и Связь. — 1985. — С. 137–141.
- Хамаев В.А., Буравцев С.В. Высокоточное формирование медных проводников гибридной ИС электроосаждением // Техника средств связи. Сер. ТПО. — 1985. — Вып. 3. — С. 35–41.
Авторы: В. Хамаев, Н. Самарцев. ВНИИРТ, лаборатория микроэлектроники
Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru