Способ изготовления многослойных интегральных схем и многослойных печатных плат с использованием полимерной подложки

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при изготовлении гибридных интегральных схем и многослойных печатных плат (МПП) с применением полимерной подложки. Технический результат изобретения - повышение надежности МПП путем устранения вертикального сквозного припойного столбика, проходящего в пакете через соосные отверстия в пленках, при одновременном обеспечении надежного вертикального электрического соединения в пакете достигается за счет создания на двусторонних платах пакета МПП контактных площадок (КП), симметричных относительно КП смежных двусторонних плат. Технический результат усиливается тем, что КП изготавливают в виде несплошной области металла, на одной оси не находятся пары КП по крайней мере в последовательных уровнях соединений, хотя бы одна из соединяемых контактных площадок в каждой паре покрыта не припоем, а металлом, хорошо в нем растворяемом, сборку пакета из двусторонних пленочных плат осуществляют одновременно с любым жестким основанием. При этом диэлектрические прокладки между парами двусторонних плат могут быть исключены. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при изготовлении многослойных электрических структур, в том числе гибридных интегральных схем, многослойных печатных плат (МПП) и многослойных микроминиатюрных высокоиндуктивных элементов с применением полимерной подложки.

Известен способ изготовления многослойных гибких коммутационных плат путем осуществления электрического соединения между пленками в пакете через переходные сквозные отверстия заполнением образующегося канала припоем вакуумной пайкой [1]. Разновидностью способа является метод, предложенный авторами позднее [2].

Способ характеризуется чрезвычайно большой трудоемкостью по созданию переходных металлизированных отверстий в каждой пленке и надежностью столбика припоя, образующегося в канале из сквозных отверстий пакета плат. Последнее связано с отрывом столбика припоя по ряду причин: недостаточной смачиваемости припоя к применяемым материалам, больших внутренних напряжений, развивающихся в сплаве припоя с применяемыми материалами, возникновением несоосности отверстий от пленки к пленке как из-за неоднородности диаметра отверстия, так и из-за термического рассовмещения пленок.

Способ характеризуется и рядом других недостатков: малой плотностью проводников в слое из-за использования площади под сквозные отверстия и контактные площадки, а также большой рельефностью на поверхности пакета из-за жестких столбиковых соединений, на которых висят пленки, и зазора, возникающего между пленками и препятствующему их плоскостному прилеганию.

Лучшим решением отмеченных проблем служит известный способ [3], в котором для уменьшения возможности разрыва столбика припоя предложено изготавливать под каждым отверстием фигурную контактную площадку (КП), обеспечивающую, с одной стороны, создание зазора определенной величины для перетекания припоя при вакуумной пайке, с другой стороны - поддержку припоя на этой контактной площадке, создавая в столбике припоя как бы "арматуру". Образующаяся щель между стенкой отверстия диэлектрической подложки и столбиком припоя (из-за несмачиваемости) используется для размещения флюса, необходимого для возможного последующего ремонта изделия (текст приведен из патента).

Несмотря на явное упрочнение припойного столбика за счет такой его внутренней "арматуры", трудоемкость только по созданию фигурной конфигурации площадки над отверстием в фольгированной диэлектрической пленке (как специально отмечено в патенте - химическим травлением) настолько велика, что вызывает сомнение в его практическом использовании. Вместе с этим, как отмечают сами авторы патента, по-прежнему остается малая надежность сквозного припойного столбика для межсоединений в пакете.

Следует отметить, что способу характерны также те недостатки, которые присущи рассмотренному выше прототипу - низкая плотность проводников в слое из-за большой площади, отводимой под отверстия с фигурной контактной площадкой, и большая рельефность поверхности пакета из-за столбиковых соединений.

Учитывая непрерывную тенденцию к увеличению числа выводов БИС (процессоры, ПЛИС, АЦП и др.) до 450÷600 и более, уменьшению шага выводов до 0,2÷0,3 мм и значительному увеличению числа межсоединений до 3000÷4000 и более, становится понятно увеличение числа слоев в МПП до 10÷16 и выше. Последнее приводит к очень большой трудоемкости.

Задача, решаемая изобретением, - повышение надежности вертикального межсоединения между пленками пакета, повышение плотности проводников в каждом слое, устранение рельефа на поверхности пакета и снижение трудоемкости изготовления изделия.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности МПП с использованием полимерной пленки путем устранения вертикального сквозного припойного столбика, проходящего в пакете через соосные отверстия в пленках, при одновременном обеспечении надежного вертикального электрического соединения в пакете.

Указанный технический результат достигается тем, что, согласно изобретению, перед соединением двусторонних плат с электропереходами в пакет создают электрически связанные с проводниками схемы КП без отверстий, расположенные над или под КП без отверстий смежной платы, наносят припой на данные КП, собирают и термически прессуют пакет двусторонних плат с электропереходами, при этом КП без отверстий смежных двусторонних плат с электропереходами соединяются между собой, образуя вертикальные электропереходы с одной двусторонней платы с электропереходами на другую.

Технический результат достигается также тем, что КП без отверстий изготавливают в виде несплошной области металла, например КП с одним или несколькими выборками металла, в виде гребенчатой структуры или сетки.

Технический результат достигается также тем, что каждая соединяемая пара КП без отверстий смежных двусторонних плат с электропереходами не совпадает по оси с последующей парой соединяемых КП без отверстий, расположенных выше или ниже их в пакете плат.

Технический результат достигается также тем, что по крайней мере одна из соединяемых контактных площадок без отверстий в каждой паре изготовлена из металла, хорошо растворяемого в припое, например, из цинка, свинца, золота.

Технический результат достигается также тем, что сборку пакета из двусторонних плат с электропереходами осуществляют одновременно с любым жестким основанием, например металл, пластмасса, керамика.

Таким образом, каждый дополнительный отличительный признак изобретения позволяет в комплексе повысить качество изготовленных по способу МПП.

При сборке пакета КП без отверстий смежных двусторонних плат с электропереходами соединяются между собой, образуя электрические вертикальные связи с одной двусторонней платы с электропереходами на другую двустороннюю плату с электропереходами. При этом электропереходы с одной стороны каждой двусторонней платы пакета на другую формируются на этапе создания отдельных двусторонних плат.

В качестве припоя можно использовать, например, олово ПОС-61, ПОСК 50-18, а также паяльную пасту.

Создание несплошных КП, т.е. КП, которые имеют участки, занятые металлом, и участки, свободные от металла, например, в виде сетки, при их соединении удерживает припой от вытекания в стороны и закорачивания близко расположенных элементов; с другой стороны, это предотвращает полное вытеснение припоя с КП в результате их соединения прессованием пакета и уменьшение адгезии (сцепления) КП друг с другом при этом. В свою очередь, изготовление КП без отверстий по меньшей мере на одной из соединяемых двусторонних плат с электропереходами из металла, хорошо растворяющегося в припое (цинк, свинец, золото и др.) или покрытие КП таким металлом, позволяет уменьшить трудоемкость нанесения припоя и его количество на КП, увеличить смачиваемость КП припоем и как следствие этого увеличить адгезию соединяемых КП. Разнесение по оси пары соединяемых КП по крайней мере с последующей парой соединяемых КП, расположенной выше или ниже рассматриваемой пары в пакете, позволяет устранить рельеф на поверхности пакета, тем более что в данной конструкции отсутствуют столбики вертикальных межсоединений.

Сборка МПП одновременно с жестким основанием (в случае, когда не требуется гибкая МПП) упрощает процесс получения МПП на жестком основании.

Окончательный способ изготовления МПП выглядит следующим образом (см. чертеж): на металлизированной полимерной подложке изготавливают двусторонние платы с электропереходами через металлизированные отверстия (1) и в определенных местах на смежных сторонах плат изготавливают КП без отверстий (2), электрически соединенные с проводниками схемы. При необходимости изготавливают диэлектрические прокладки с отверстиями под соединение этих КП (3), наносят припой (4) по крайней мере на одну КП без отверстий в каждой паре, собирают двусторонние платы с электропереходами на клею в пакет самостоятельно или на жестком основании (5), нагревают и прессованием получают МПП, при этом все КП без отверстий одновременно соединяются с образованием вертикальной электрической связи. Образуется МПП с безрельефной поверхностью, на которой расположены площадки для монтажа ЭРЭ (6).

Пример 1 Классическим способом (метод И. Марлея и Г. Тролсена - New Beam-Lead Connection Method Roosts Semiconductor Memory Fields, Electronics, Vol. 42, #46, р.105, 1969) двойного последовательного напыления металлической меди на полиимидную пленку толщиной 40 мкм и двойной последовательной фотолитографии с предварительным химическим травлением пленки для создания в ней отверстий изготавливали двусторонние платы с электропереходами через металлизированные отверстия. Одновременно с этим на смежных сторонах соединяемых двусторонних плат с электропереходами изготавливали КП без отверстий, электрически связанные с проводниками. КП без отверстий имели размер ⊘ 0,800 мм, внутри них была сформирована сетка ячеек размером 0,1 х 0,1 мм и ребром 0,05÷0,1 мм. На одну из соединяемых КП в каждой паре (на одну из пленок) наносили слой цинка 3÷5 мкм, на другую - ПОС-61 толщиной 10÷15 мкм. Собирали двусторонние платы с электропереходами и прокладками на клею в пакет и помещали на стеклотекстолит, нагревали до 250÷270^oС и прессованием 0,5÷1,5 кг/см² получали МПП с соединенными КП без отверстий на смежных сторонах плат.

Пример 2 Методом по Пат. РФ 2138140 от 13.11.98, бюл. 26 20.09.99 г. изготавливали на металлизированной полиимидной пленке двусторонние платы с электропереходами, полученными механическим способом, т.е. без химического травления отверстий в пленке, при этом изготавливали КП без отверстий на смежных сторонах соединяемых двусторонних плат с электропереходами, соединенные электрически с проводниками схемы. КП без отверстий имели размер 0,4 х 0,4 мм и внутренние свободные от металла участки в виде круга диаметром 0,05 мм. На одну из соединяемых КП без отверстий в каждой паре наносили золото толщиной 3÷5 мкм, на другую - припой ПОСК 50-18 толщиной 10÷15 мкм. Собирали двусторонние платы с электропереходами на клею без прокладок в пакет и помещали на основание из сплава АМГ-3, анодированного на глубину 40 мкм; нагревали до 200÷230^oС и прессованием 0,3÷0,7 кг/см² получали МПП.

При изготовлении МПП таким способом, особенно в случае второго примера (высокая плотность проводников в каждом электрическом уровне) число слоев готовой МПП резко сокращается по сравнению с прототипом.

Так, функциональное устройство - автоматический компенсатор помех с применением двух ПЛИС и одного ЦСП фирмы Texas Instruments изготовлен в трех электрических уровнях (на двух полиимидных двусторонних платах с электропереходами - на одной использованы обе стороны для проводников; на другой - одна сторона для проводников, другая - только для КП вертикальных переходов, что позволило исключить диэлектрическую прокладку) вместо восьмислойной МПП по прототипу. Все испытания на механическую и электрическую прочность, климатическую и тепловую нагрузку, надежность и т.п. показали отсутствие отказов по вертикальным межсоединениям.

Источники информации: 1. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных микросхемах. П/ред. И.Н. Воженина. М., "Радио и Связь", 1985 г., с.189-191.

2. Патент РФ 2010462 "Многослойная печатная плата с компонентами". 30.03.94. Бюл. 6.

3. Патент РФ 2056704 "Способ изготовления многослойных печатных плат". 20.03.96. Бюл. 8.

Формула изобретения

1. Способ изготовления многослойных интегральных схем и многослойных печатных плат с использованием полимерной подложки, включающий формирование двусторонних плат с электропереходами, в том числе через металлизированные отверстия в контактных площадках, диэлектрических прокладок с отверстиями, нанесение припоя на контактные площадки, сборку двусторонних плат с электропереходами в пакет и термическое прессование пакета, отличающийся тем, что перед соединением двусторонних плат с электропереходами в пакет создают электрически связанные с проводниками схемы контактные площадки без отверстий, расположенные над или под контактными площадками без отверстий смежной платы наносят припой на данные контактные площадки, собирают и термически прессуют пакет двусторонних плат с электропереходами, при этом контактные площадки без отверстий смежных двусторонних плат с электропереходами соединяются между собой, образуя вертикальные электропереходы с одной двусторонней платы с электропереходами на другую.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки без отверстий изготавливают в виде несплошной области металла, например с одной или несколькими выборками металла, в виде гребенчатой структуры или сетки.

3. Способ по п. 1 или по 2, отличающийся тем, что каждая соединяемая пара контактных площадок без отверстий смежных двусторонних плат с электропереходами не совпадает по оси с последующей парой соединяемых контактных площадок без отверстий, расположенных выше или ниже их в пакет.

4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что по крайней мере одна из соединяемых контактных площадок без отверстий в каждой паре изготовлена из металла, хорошо растворяемого в припое, например, из цинка, свинца, золота.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что сборку пакета из двусторонних плат с электропереходами осуществляют одновременно с любым жестким основанием, например металл, пластик, керамика.

РИСУНКИ

Рисунок 1