
A. Novikov
University of Rostock, Institute of Electronic Appliances and Circuits, Department Electronic Systems Safety and Reliability, Albert-Einstein-Str., 2, 18059 Rostock, Germany, andrej.novikov@uni-rostock.de
1. Микро- и наноинтеграция в микросистемной технике
Область микросистемной техники переживает в последние 10-15 лет бурное развитие. Новые технологические возможности привели к разработке и практическому применению многообразных микросистем. Наряду с многофункциональностью микросистем и объединением всевозможных технологий изготовления сохраняется тенденция к дальнейшей миниатюризации. В области микроэлектроники данная тенденция уже привела к применению в современных процессорах ведущих фирм-производителей наноструктур с размерами менее 50 нм. Миниатюризация электронных модулей заметно отстает от полупроводниковых технологий. Хорошим показателем для сравнения является шаг компонента FlipChip, который на данный момент составляет 50 мкм. Подобный разрыв не может быть устранен с помощью классических технологий межсоединений. В связи с этим необходим переход от метода сокращения минимальных структур соединений по принципу „Bottom-Up“ к изготовлению соединений по принципу „Top-Down“ с применением наноструктурированных материалов, которые обладают наибольшим потенциалом для интеграции.
Задача технологии соединений заключается в обеспечении надежного механического и электрического контакта между различными компонентами системы и адекватный перенос их функций в макромир. В то же время технология соединения оказывает решающее влияние на степень интеграции отдельных компонентов системы.
2. Модификация материалов с помощью углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки являются популярным материалом и находят широкое применение в области электроники. С одной стороны это объясняется их уникальными характеристиками, а с другой стороны хорошо отработанной технологией их изготовления. Нанотрубки являются коммерческим продуктом и предлагаются в виде порошка с различной модификацией трубок (SWCNT и MWCNT)1. В зависимости от модификации диаметр нанотрубок составляет от 1 до 200 нм, а их длина достигает 30 мкм. Длинные трубки могут быть использованы как отдельный элемент конструкции для создания электрического контакта между соседними компонентами или структурами (рис. 1). Более короткие нанотрубки могут быть применены как наполнитель других контактных материалов, как например электропроводящих клеев или припоев. За счет наполнения могут быть существенно улучшены такие характеристики материалов, как электро- и теплопроводность, механическая прочность. При наполнении важно учитывать максимально допустимое процентуальное содержание при котором достигается значительное улучшение характеристик, но при этом несущественно изменяются параметры последующих технологических процессов. С помощью нанотрубок можно также создавать каркас наноразмерного соединения при необходимости сохранять определенную геометрию контакта.
Рис. 1 CNT на контактной площадке компонента [1]
3. Создание новых наноструктурированных материалов для технологии пайки
Согласно общепринятому определению наноструктурированные материалы или наноматериалы характеризуются не только геометрическими размерами менее 100 нм хотя бы в одном направлении, но также и изменением физических свойств по сравнению с материалом большего объема. При переходе границы в 100 нм и ниже материал может изменять физические свойства. Известным эффектом является уменьшение температуры плавления материала. Данный эффект проявляется не только для кластеров и наночастиц, но также и для ультратонких пленок (рис. 2 и 3). Подобные пленки могут быть и использованы для низкотемпературного монтажа электронных компонентов и при изготовлении из бессвинцового припоя представляют собой экологически чистую альтернативу свинецсодержащему припою без изменения параметров технологического процесса. Паяное соединение после изготовления обладает повышенной надежностью, так как в процессе плавления создается материал большего объема с более высокой температурой распайки.
Рис. 2 Слой олова толщиной 50 нм [2]
Рис. 3 Изменение температуры плавления частиц олова при уменьшении их диаметра [3]
Эффекта понижения температуры плавления можно достичь с помощью модификации стандартного материала для монтажа электронных компонентов – паяльной пасты, которая в серийном производстве наносится на контактные площадки печатной платы методом трафаретной печати. Стандартная паяльная паста состоит из порошка припоя с размером частиц от 35 до 45 мкм, флюса, связующих добавок и растворителей. В процессе пайки происходит плавление порошка припоя и смачивание контактных поверхностей расплавленным припоем. Путем уменьшения диаметра частиц порошка припоя ниже 100 нм можно создать паяльную пасту с более низкой температурой
плавления (рис. 4). После соединения отдельных частиц припой вновь приобретает свойства, характерные для материала большего объема. Вследствие повышенной реактивности порошка припоя и связанного с ней быстрого окисления частиц необходимо применение высокоактивного флюса.
С помощью гальванического осаждения металла сквозь пористый слой (напр. керамики или полимера) можно создать конcтрукционный элемент с наноразмерами, так называемый «наногазон» (рис. 5). Минимальная толщина отдельных столбиков зависит от диаметра пор шаблона при осаждении и может составлять 50 нм. В зависимости от комбинации материалов и внешних параметров процесса соединения (температуры и давления) возможно как геометрическое соединение (временное соединение), так и сплошное соединение (постоянное соединение) компонентов с «наногазоном» в зоне контакта. Кроме того за счет большой поверхности «наногазон» может применяться также в качестве теплоотвода или в качестве чувствительного элемента химического сенсора.
Рис. 4 Паяльная паста с наночастицами [4]
Рис. 5 «Наногазон» из золота [5]
4 Выводы
В связи с дальнейшей миниатюризацией и функционализацией электронных модулей необходим новый подход для создания электропроводящих контактов. Применение наноструктурированных материалов открывает новые возможности для монтажа и контактирования отдельных компонентов микросистем, которые заключаются не только в уменьшении размеров соединений, но также и в управлении свойствами материалов.
Первые разработки материалов для применения в технологии соединения прошли испытания и некоторые из них уже предлагаются на рынке. При разработке новых материалов необходимо уделять особое внимание вопросу обеспечения надежности готовых соединений.
Первые разработки материалов для применения в технологии соединения прошли испытания и некоторые из них уже предлагаются на рынке. При разработке новых материалов необходимо уделять особое внимание вопросу обеспечения надежности готовых соединений.
Источники:
[1] S. Hermann, R. Ecke, F. Schindler-Saefkow, T. Winkler, B. Pahl: „Carbon Nano Tubes für nanoskalige Niedertemperaturverbindungen“, Abschlusspräsentation MNI-MST, Berlin, 2008
[2] A. Novikov: “Mikro- und Nanointegration von Verbindungsstrukturen der Elektronikmontage”, PLUS 03/08, Leuze Verlag, 2008
[3] S.L. Lai, J.Y. Guo, V. Petrova, G. Ramanath, L.H.: “Size-Dependent Melting Properties of Small Tin Particles: Nanocalorimetric Measurements,” Allen: Phys. Rev. Lett. 77, 99 (1996)
[4] N.C. Lee: “Pb-Free Nanosolder Project”, Productronica, Munich, 2007
[5] S. Fiedler, M. Zwanzig, R. Schmidt, E. Auerswald, M. Klein, W. Scheel, H. Reichl: „Evaluation of Metallic Nano-Lawn Structures for Application in Microelectronic