Мікроелектронні технології

COF-ТЕХНОЛОГІЯ НА ОСНОВІ БЕЗАДГЕЗИВНИХ АЛЮМІНІЙ-ПОЛІІМІДНИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ

Застосування в конструкціях сучасних електронних зборок та друкованих вузлів гнучких плат та гнучких кабелів (шлейфів) на основі мідь – поліімідних фольгованих діелектриків дозволило в основному вирішити проблему мінімізації обсягу сучасних напівпровідникових пристроїв у різних галузях науки та техніки. Реалізувати можливість тривимірного компонування електронних модулів загалом і детекторних модулів зокрема. Забезпечити можливість їх складання без «мертвого простору» з високою енергетичною та просторовою роздільною здатністю за допомогою COF-технологія (англ. Chip-on-Flex – кристал на гнучкій платі). Однак застосування як адгезивскладових, так і безадгезивних фольгованих мідь поліімідних плівок не дозволило повною мірою реалізувати переваги COF-технології при складанні детекторних модулів. Залишилися невирішеними деякі проблеми, притаманні традиційній COF-технології на основі мідь – поліімідних фольгованих діелектриків.

У цьому випадку для забезпечення надійного безкорозійного з’єднання з алюмінієвими контактними майданчиками мікросхем і сенсорів на мідні провідники гнучких плат і кабелів необхідне нанесення додаткових шарів нікелю та золота, що ускладнює та дорожчий процес формування гнучких комутувальних елементів. Крім того, формування ультразвуковим зварюванням міжз’єднань гнучких кабелів з сенсорами та мікросхемами за допомогою алюмінієвого дроту обмежує можливість зменшення габаритних розмірів (монтажної площі) та об’єму детекторних модулів і вимагає підвищеної точності та обережності при проведенні процесів збирання виробів, щоб не допустити деформації закороток між ними.

З цієї точки зору найоптимальнішим варіантом подальшого вдосконалення COF-технології складання в електронних пристроях є застосування безадгезивних алюміній – поліімідних лакофольгових діелектриків, тобто “алюмінієвої” COF-технології. Безадгезивні алюміній – поліімідні лакофольгові діелектрики мають усі ті переваги, які мають і безадгезивні мідь-поліімідні матеріали. Проте, ціла низка їхніх додаткових переваг у порівнянні з мідь — поліімідними фольгованими діелектриками дозволяє істотно розширити можливості COF-технології на сучасному етапі.

Основні переваги алюмінієво-поліімідних лакофольгових діелектриків:

• алюміній має високу корозійну стійкість;
• алюміній має радіаційну довжину майже в 6 разів, що перевищує радіаційну довжину міді (X_0Al » 8,9 см, X_0Cu » 1,43 см);
• незважаючи на те, що алюміній у порівнянні з міддю має меншу механічну міцність (σ_рА1 = (10-40)  ; σ_рCu = (16-45)), меншу теплопровідність (λ_ТА1 = 218 Вт/(м·К); λ_ТCu = 385 Вт/(м·К)), питомим електричним опором приблизно в 1,6 рази більшим питомого електричного опору міді (ρ_А1 = 0,028 мкОм·м; ρ_Cu = 0,017 мкОм·м), важливе значення має той факт, що алюміній майже в 3, 5 разів легше за мідь (γ_А1 = 2,7 г/см³, γ_Cu = 8,92 г/см³) і більше, ніж у 3,6 рази дешевше (на листопад 2021 р.);
• завдяки малій щільності алюмінію забезпечується велика електрична провідність на одиницю маси (тобто, при однаковому номіналі опору та однаковій довжині алюмінієві провідники майже вдвічі легші за мідні, незважаючи на більший поперечний переріз)

Таким чином, комутуючі елементи на основі алюмінієво-поліімідних лакофольгових діелектриків дозволяють ще більш мінімізувати масу речовини в обсязі детектування та розміри детекторних модулів, що особливо перспективно для детекторних систем з високою щільністю каналів інформації.

“Алюмінієва” COF-технологія складання легко адаптується до існуючого промислового автоматизованого обладнання ультразвукового зварювання алюмінієвих плоских виводів. При цьому забезпечується висока якість та надійність зварних з’єднань через те, що зварюються однорідні матеріали (алюмінієві контактні майданчики електронних компонентів та алюмінієві провідники комутувальних елементів).

Крім того, комутуючі елементи на основі безадгезивних алюміній – поліімідних діелектриків дозволяють значно покращити ємкісні характеристики електронних пристроїв. Завдяки ще одній позитивній властивості алюмінію – малій величині межі текучості (σ0,2 = 2 ) є можливість у процесі ультразвукового зварювання здійснювати безпосереднє наскрізні з’єднання плоских алюмінієвих виводів плат з контактними майданчиками сенсорів через глибокі (до 100 мкм) «колодязі» в полііміді. Це забезпечує зменшення вихідних ємкостей сенсорів у 5÷7 разів, що значно підвищує чутливість і роздільну здатність детектуючих систем.

Вперше для європейських експериментів у фізиці високих енергій удосконалена «алюмінієва» COF-технологія збирання була запропонована та успішно реалізована в експерименті ALICE (CERN) фахівцями, які наразі представляють компанію ТОВ «Науково-виробниче підприємство «ЛТУ». Для цього експерименту було розроблено та виготовлено понад 50 тисяч різних компонентів на основі алюміній – поліімідних безадгезивних лакофольгових діелектриків. Для складання детекторних модулів за участю харківських фахівців було створено складальні ділянки, на яких було зібрано значну частину стрипових та всі дрейфові детекторні модулі для експерименту ALICE, що забезпечило високу якість та надійність виготовленої продукції.

У 2018-2019 рр. ТОВ «Науково-виробниче підприємство «ЛТУ» розробило, виготовило та поставило в CERN комплекти гнучких плат для зовнішнього детекторного шару на основі монолітних активних піксельних сенсорів (MAPS) ALPIDE 4 експерименту ALICE ITS Upgrade.

«Алюмінієва» Chip on flex (COF) технологія компанії ТОВ «Науково-виробниче підприємство «ЛТУ» є перспективною для успішного застосування практично у всіх галузях спеціального приладобудування, у тому числі: для індивідуальної дозиметрії, матричної інтроскопії, медичної та промислової томографії, для фізичних експериментів , а також для використання в апаратурі військового та космічного застосування.