Микроэлектронные технологии

COF-ТЕХНОЛОГИЯ НА ОСНОВЕ БЕЗАДГЕЗИВНЫХ АЛЮМИНИЙ-ПОЛИИМИДНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Применение в конструкциях современных электронных сборок и печатных узлов гибких плат и гибких кабелей (шлейфов) на основе медь — полиимидных фольгированных диэлектриков позволило в основном решить проблему минимизации объема современных полупроводниковых устройств в различных отраслях науки и техники. Реализовать возможность трехмерной компоновки электронных модулей вообще и детекторных модулей в частности. Обеспечить возможность их сборки без «мертвого пространства» с высоким энергетическим и пространственным разрешением с помощью COF‑технология (англ. Chip-on-Flex – кристалл на гибкой плате). Однако, применение как адгезивсодержащих, так и безадгезивных фольгированных медью полиимидных пленок не позволило в полной мере реализовать преимущества COF-технологии при сборке детекторных модулей. Остались нерешенными некоторые проблемы, присущие традиционной COF-технологии на основе медь — полиимидных фольгированных диэлектриков.

В этом случае для обеспечения надежного безкоррозионного соединения с алюминиевыми контактными площадками микросхем и сенсоров на медные проводники гибких плат и кабелей необходимо нанесение дополнительных слоев никеля и золота, что усложняет и делает дороже процесс формирования гибких коммутирующих элементов. Кроме того, формирование ультразвуковой сваркой межсоединений гибких кабелей с сенсорами и микросхемами с помощью алюминиевой проволоки ограничивает возможность уменьшения габаритных размеров (монтажной площади) и объема детекторных модулей и требует повышенной точности и осторожности при проведении процессов сборки изделий, чтобы не допустить деформации алюминиевых проволочных межсоединений и закороток между ними.

С этой точки зрения наиболее оптимальным вариантом дальнейшего совершенствования COF-технологии сборки в электронных устройствах является применение безадгезивных алюминий — полиимидных лакофольговых диэлектриков, то есть, «алюминиевой» COF-технологии. Безадгезивные алюминий – полиимидные лакофольговые диэлектрики обладают всеми теми достоинствами, которыми обладают и безадгезивные медь-полиимидные материалы. Однако, целый ряд их дополнительных преимуществ по сравнению с медь — полиимидными фольгированными диэлектриками, позволяет существенно расширить возможности COF-технологии на современном этапе.

Основные преимущества алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков:

• алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью;
• алюминий имеет радиационную длину почти в 6 раз превышающую радиационную длину меди (X_0Al » 8,9 см, X_0Cu » 1,43 см);
• несмотря на то, что алюминий по сравнению с медью обладает меньшей механической прочностью (σ_рА1 = (10-40)  ; σ_рCu = (16-45)  ), меньшей теплопроводностью (λ_ТА1 = 218 Вт/(м·К); λ_ТCu = 385 Вт/(м·К)), удельным электрическим сопротивлением примерно в 1,6 раза большим удельного электрического сопротивления меди (ρ_А1 = 0,028 мкОм·м; ρ_Cu = 0,017 мкОм·м), важное значение имеет тот факт, что алюминий почти в 3,5 раза легче меди (γ_А1 = 2,7 г/см³, γ_Cu = 8,92 г/см³) и более, чем в 3,6 раза дешевле (на ноябрь 2021 г.);
• благодаря малой плотности алюминия обеспечивается большая электрическая проводимость на единицу массы (то есть, при одинаковом номинале сопротивления и одинаковой длине алюминиевые проводники почти в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение).

 

Таким образом, коммутирующие элементы на основе алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков позволяют еще более минимизировать массу вещества в объеме детектирования и размеры детекторных модулей, что особенно перспективно для детекторных систем с высокой плотностью каналов информации.

«Алюминиевая» COF-технология сборки легко адаптируется к существующему промышленному автоматизированному оборудованию ультразвуковой сварки алюминиевых плоских выводов. При этом обеспечивается высокое качество и надежность сварных соединений из-за того, что свариваются однородные материалы (алюминиевые контактные площадки электронных компонентов и алюминиевые проводники коммутирующих элементов).

Кроме того, коммутирующие элементы на основе безадгезивных алюминий — полиимидных диэлектриков позволяют значительно улучшить емкостные характеристики электронных устройств. Благодаря еще одному положительному свойству алюминия – малой величине предела текучести (σ_0,2 = 2  ) -имеется возможность в процессе ультразвуковой сварки осуществлять непосредственное сквозные соединения плоских алюминиевых выводов плат с контактными площадками сенсоров через глубокие (до 100 мкм) «колодцы» в полиимиде. Это обеспечивает уменьшение выходных емкостей сенсоров в 5÷7раз, что значительно повышает чувствительность и разрешающую способность детектирующих систем.

Впервые для европейских экспериментов в физике высоких энергий усовершенствованная «алюминиевая» COF-технология сборки была предложена и успешно реализована в эксперименте ALICE (CERN) специалистами, которые в настоящее время представляют компанию ООО «Научно-производственное предприятие «ЛТУ». Для этого эксперимента было разработано и изготовлено более 50 тысяч различных компонентов на основе алюминий — полиимидных безадгезивных лакофольговых диэлектриков. Для сборки детекторных модулей при участии харьковских специалистов были созданы сборочные участки, на которых была собрана значительная часть стриповых и все дрейфовые детекторные модули для эксперимента ALICE, что обеспечило высокое качество и надежность изготовленной продукции.

В 2018-2019 г.г. ООО «Научно-производственное предприятие «ЛТУ» разработало, изготовило и поставило в CERN комплекты гибких плат для внешнего детекторного слоя на основе монолитных активных пиксельных сенсоров (MAPS) ALPIDE 4 эксперимента ALICE ITS Upgrade.

«Алюминиевая» Chip on flex (COF) технология компании ООО «Научно-производственное предприятие «ЛТУ» перспективна для успешного применения практически во всех областях специального приборостроения, в том числе: для индивидуальной дозиметрии, матричной интроскопии, медицинской и промышленной томографии, для физических экспериментов, а также для использования в аппаратуре военного и космического применения.