Гнучкий багатошаровий з’єднувальний шлейф

Реферат: Гнучкий багатошаровий з'єднувальний шлейф стосується розробки і виробництва апаратури на основі виробів мікроелектроніки і напівпровідникових приладів як побутового, так і спеціального призначення. Шлейф може бути широко використаний у виробництві багатошарових друкованих плат, а також комутаційних структур для багатокристальних модулів і довгих гнучких багатошарових з'єднувальних шлейфів для передачі аналогових і цифрових сигналів детекторних модулів. До конструкції запропонованого багатошарового з'єднувального шлейфа входять комутаційні шари, виконані з безадгезивних алюміній-поліімідних фольгованих діелектриків, в алюмінієвому шарі яких сформовані струмопровідні доріжки і пласкі контакти, а в шарі полііміду яких сформовані вікна для безпосереднього електричного і механічного з'єднання алюмінієвих контактів комутаційних шарів шлейфа з іншими приладами та платами. Комутаційні шари складені у вигляді пакета так, що між кожним комутаційним шаром розташований перфорований діелектричний шар, який являє собою сітку-прокладку з полііміду, в якій відкритий простір комірки сітки-прокладки складає не менше 70 % від площі такої комірки, а товщина сітки-прокладки складає не більше 50 мкм, при цьому комутаційний шар суміщений і скріплений з сіткою-прокладкою через отвори в сітці-прокладці з кроком 5-10 мм за допомогою адгезивного діелектричного матеріалу з величиною діелектричної проникності, меншою за діелектричну проникність полііміду. За допомогою запропонованого винаходу досягається UA 114831 C2 (12) UA 114831 C2 підвищення строку його експлуатації, забезпечення його високої електробезпеки та стійкості до дії високих температур, а також підвищення технологічності такого шлейфа. UA 114831 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується розробки і виробництва апаратури на основі виробів мікроелектроніки і напівпровідникових приладів як побутового, так і спеціального призначення і може бути широко використаний у виробництві багатошарових друкованих плат, а також комутаційних структур для багатокристальних модулів і довгих гнучких багатошарових з'єднувальних шлейфів для передачі аналогових і цифрових сигналів детекторних модулів. Відомий гнучкий шлейф, який виконаний за патентом РФ № 2312474 "Прецизионный гибкий шлейф и способ высокоплотного монтажа электронных приборов с помощью таких шлейфов" [1]. Згідно з описом цього винаходу, гнучкий шлейф є: гнучкою друкованою платою, у якої проміжок між сусідніми провідниками не перевищує 20 мкм, що дозволяє забезпечити щільність розміщення компонентів та контактних площинок для їх монтажу, що наближається до щільності розташування виводів сучасних HВІС. Такий результат досягається тим, що як матеріал підкладки використовують поліімідні, поліефірні і фторопластові плівки. Підкладки з поліімідної плівки дозволяють досягти високої термостабільності шлейфів і допускають використання різних методів монтажу. А фторопластові плівки найбільш придатні для використання шлейфів на їх основі для монтажу HВЧ-схем, оскільки мають невеликі втрати в НВЧ-діапазоні частот і дозволяють добитися постійного хвилевого опору шлейфів, що з'єднують НВЧ-модулі і прилади. Конструкція і розташування контактних площинок, призначених для монтажу електронних компонентів або підключення шлейфа до інших приладів або друкованих плат, а також матеріали і покриття, що використовуються при їх формуванні, дозволяють здійснювати міжкомірочне з'єднання високої щільності в електронній апаратурі. Для цього контактні площинки розташовують на протилежній стороні гнучкої підкладки і з'єднують з робочими провідниками через наскрізні металізовані отвори в підкладці. Зовнішні сторони контактних площинок лудять, наприклад покривають шаром сплаву олово-вісмут. На прилеглу до підкладки поверхню контактних площинок наносять шар матеріалу, що запобігає розтіканню припою, наприклад хрому, а з'єднання контактних площинок шлейфа з виводами електронних приладів здійснюють зварюванням-паянням за допомогою здвоєного електрода, інструменту для мікромонтажу, що підводиться до зворотної поверхні контактного майданчика через наскрізний отвір, що знаходиться над нею, в плівці. Ознаки цього гнучкого шлейфа-аналога, спільні з ознаками запропонованого гнучкого багатошарового з'єднувального шлейфа: - гнучка друкована плата; - фольговані поліімідні плівки; - вікна в поліімідному шарі; - контактні площинки для з'єднання з електронними приладами і платами. Недоліком такого гнучкого шлейфа, виготовленого з фольгованих діелектриків на основі лавсану, поліетилену, фторопласту тощо є те, що хоча вони і менш дорогі, але можливості монтажу компонентів з їх використанням обмежені низькими робочими температурами. В цьому випадку монтаж компонентів повинен здійснюватися із застосуванням низькотемпературної пайки або за допомогою електропровідних адгезивів. Крім того, при обробці таких діелектричних матеріалів не вдається повною мірою застосувати методи мікроелектронної технології, що ґрунтується на принципі інтегральної обробки матеріалів, і повністю виключити з технологічного процесу виготовлення гнучких плат і кабелів механічні операції формування наскрізних отворів. Також слід додати, що хоча матеріали типу лавсану і фторопласту характеризуються досить низькою діелектричною проникністю і, відповідно, забезпечують високі ємнісні характеристики комутуючих елементів на їх основі, вони не є радіаційностійкими і не можуть забезпечити високу надійність і строк експлуатації електронних виробів з жорсткими вимогами щодо радіаційної стійкості. В свою чергу, гнучкий шлейф на основі плівок полііміду відповідає жорстким вимогам щодо радіаційної стійкості, проте, через високі значення діелектричної постійної поліімідів (3,2-3,5) такий шлейф не може забезпечити задовільні ємнісні параметри комутуючих кіл. Найбільш близьким по технічній суті до запропонованого технічного рішення багатошарового гнучкого шлейфа, який прийнятий за прототип, є гнучкий багатошаровий шлейф (кабель), описаний в роботі: "DØ Layer 0 Conceptual Design Report. LAYFR Ø SILICON DETECTOR. Draft. Version 2.5" [2]. Згідно із змістом вказаної роботи, гнучкий шлейф являє собою гнучкий багатошаровий друкований кабель завдовжки до 360 мм з дуже малим кроком тонких мідних провідникових трас (50 мкм - 100 мкм), і застосовується для передачі аналогових сигналів від кремнієвих мікрострипових сенсорів на гібридні мікрозбірки для первинної обробки інформації. Як матеріал 1 UA 114831 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гнучкої основи комутуючих шарів використовується поліімід Kapton HN з діелектричною проникністю 3,5 на частоті 1 Мгц. Цей матеріал є стійким до жорсткого радіаційного випромінювання і має задовільні механічні і електричні властивості. Були досліджені конструкції, які дозволяють виготовляти надійні багатошарові гнучкі кабелі, а також відповідають вимогам до їх величин ємностей. З метою зниження вкладу в електричні ємності від сусідніх кабелів, між кабелями розташовується прокладка. Як прокладка була застосована поліімідна сітка, яка виготовлялася з листа полііміду з діелектричною постійною 3,5. Ефективна діелектрична проникність в поліімідній сітці може бути зменшена, якщо видалити більше матеріалу з сітки. Прототипи цієї сітки були виготовлені за допомогою лазера. Товщина листа полііміду, з якого вирізалася сітка, була вибрана не більше 200 мкм через механічні обмеження при складанні пакета кабелів. У кабелях мідні траси були позолочені і контактні площинки сформовані під зварювання алюмінієвим дротом. Важлива вимога - це величина ємності кабелів. Вимірювання прототипу гнучкого багатошарового кабелю підтвердили очікувані значення величини ємності кабелів - < 0,40 пФ/см. Ознаки гнучкого шлейфа-прототипу, спільні з ознаками запропонованого гнучкого багатошарового з'єднувального шлейфа: - гнучка друкована плата; - фольговані поліімідні плівки; - контактні площинки для з'єднання з електронними приладами і платами; - поліімідна сітка-прокладка. Недоліки гнучкого плейфу-прототипу: Недоліком такого гнучкого шлейфа, виготовленого з фольгованих міддю поліамідів, є те, що застосування фольгованих міддю поліімідних плівок, що містять адгезиви, не дозволяє повною мірою реалізувати переваги COF (Chip-on-flex)-технології при складанні детекторних модулів. Ультразвукове зварювання алюмінієвих контактних площинок кремнієвих сенсорів і мікросхем з покритими золотом мідними виведеннями гнучких кабелів з використанням алюмінієвого дроту вимагає застосування дуже високоточного і трудомісткого технологічного оснащення і значно ускладнює процес зварювання виводів кабелів з виводами двосторонніх сенсорів. Крім того, формування міжз'єднань гнучких кабелів із сенсорами і мікросхемами за допомогою дроту обмежує можливості зменшення габаритних розмірів і об'єму детекторних модулів, а також вимагає підвищеної точності і обережності при проведенні процесів складання виробів, щоб не допустити деформації алюмінієвих дротяних міжз'єднань і закороток між ними. Донедоліків фольгованих поліамідів, що містять адгезиви, можна також віднести досить малий діапазон їх робочих температур: -60 °C÷ +125 °C. Застосування адгезивів у фольгованих поліімідах також істотно ускладнює процес формування наскрізних отворів в системі "метал-адгезив-поліімід" для міжшарових з'єднань через необхідність використання складних і важкокерованих процесів відкривання "вікон" в адгезивних шарах. Крім того, мідь має радіаційну довжину майже в 6 разів меншу, ніж в алюмінію (Х0A1≈8,9 см, 3 3 X0A0≈1,43 см). Крім того, мідь майже в 3,5 разу важча за алюміній (γA1=2,7 г/см , γA0=8,92 г/см ) і приблизно в 2 рази дорожча порівняно з алюмінієм. В основу винаходу поставлена технічна задача створення удосконаленого багатошарового гнучкого шлейфа. Основним технічним результатом запропонованого винаходу є забезпечення високої стабільності електричних та фізико-механічних характеристик шлейфа. Додатковим технічним результатом є підвищення технологічності запропонованого гнучкого багатошарового з'єднувального шлейфа, спрощення технології його монтажу, а також підвищення його надійності в експлуатації. Суть запропонованого винаходу виражається наступною сукупністю суттєвих ознак, достатніх для досягнення заявленого технічного результату: багатошаровий гнучкий шлейф, який містить шари з гнучкого діелектричного матеріалу з струмопровідними доріжками на їх поверхнях, що являють собою комутаційні шари з монтажними контактними площинками, між якими розташовані діелектричні перфоровані прокладки, який відрізняється тим, що комутаційні шари виконані з безадгезивних алюмінійполіімідних фольгованих діелектриків, в алюмінієвому шарі яких сформовані струмопровідні доріжки і пласкі контакти, а в шарі полііміду яких сформовані вікна для безпосереднього електричного і механічного з'єднання алюмінієвих контактів комутаційних шарів шлейфа з іншими приладами та платами, при цьому комутаційні шари складені у вигляді пакету так, що між кожним комутаційним шаром розташований перфорований діелектричний шар, який являє собою сітку-прокладку з полііміду, в якій відкритий простір комірки сітки-прокладки складає не 2 UA 114831 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 менше 70 % від площі такої комірки, а товщина сітки-прокладки складає не більше 50 мкм, при цьому комутаційний шар суміщений і скріплений з сіткою-прокладкою через отвори в сітціпрокладці з кроком 5-10 мм за допомогою адгезивного діелектричного матеріалу з величиною діелектричної проникності, меншою за діелектричну проникність полііміду. Причинно-наслідковий зв'язок між зазначеними вище суттєвими ознаками винаходу й очікуваним технічним результатом обґрунтовується наступним. Висока стабільність електричних характеристик запропонованого шлейфа забезпечується за рахунок виключення дротяних міжз'єднань, зменшення об'ємно-габаритних параметрів, зниження ваги і, відповідно, зниження вкладу в сумарну електричну ємність шлейфа від сусідніх комутаційних шарів, а отже - зменшення шумів підсилювачів первинної обробки інформації. Крім того, використання безадгезивних лакофольгових діелектриків забезпечує стійкість запропонованого шлейфа до жорсткого радіаційного випромінювання. В свою чергу, висока стабільність фізико-механічних характеристик шлейфа забезпечується завдяки виконанню комутаційних шарів з безадгезивних алюміній-поліімідних фольгованих діелектриків та виключенню дротяних міжз'єднань. При цьому, при кріпленні сітки-прокладки до комутаційних шарів використовується адгезив підвищеної еластичності з діелектричною проникністю, що не перевищує діелектричну проникність полііміду. Вказаний адгезив наноситься через рівномірно розташовані отвори для кріплення в сітці-прокладці для точкового її кріплення до комутаційних шарів гнучкого шлейфа з кроком 5-10 мм. За рахунок високої еластичності і механічної міцності забезпечується підвищення стійкості шлейфа до механічних впливів і до температурних деформацій. Крім того, у запропонованому технічному рішенні усі міжелементні з'єднання здійснюються за допомогою алюмінієвої фольги. Цей матеріал має фізико-хімічні властивості, що перешкоджають корозії. Окисна плівка на алюмінії надійно оберігає його від подальшого окислення при дії довкілля і забезпечує виключення корозії зварних з'єднань. Підвищення технологічності запропонованого шлейфа забезпечується завдяки спрощенню технології монтажу багатошарового шлейфа за рахунок виключення дротяних міжз'єднань. Крім того, конфігурація комутаційних елементів в алюмінієвій фользі і вікон в полііміді виконується методами фотолітографії, що забезпечує високу точність отримання розмірів і дозволяє гранично мінімізувати проміжки між суміжними алюмінієвими провідниками. Процес травлення наскрізних вікон в шарі полііміду набагато спрощується, оскільки алюміній-поліімідний лакофольговий діелектрик виготовляється методом поливу на алюмінієву фольгу поліімідного лаку і не має адгезивних шарів. Крім того, в процесі складання і монтажу шлейфа повністю виключаються короткі замикання в струмопровідних колах, оскільки усі комутуючі елементи ізольовані один від одного шарами полііміду, а електричні і механічні зв'язки пласких виводів комутаційних шарів шлейфа з іншими платами і приладами здійснюються з допомогою точкового зварювання через вікна в полііміді. Також варто відзначити, що запропонована конструкція гнучкого багатошарового шлейфа забезпечує зменшення об'ємно-габаритних параметрів, зниження ваги, а також собівартості такого шлейфа. Досягнення технічного результату ілюструється таблицею значень основних параметрів запропонованого технічного рішення гнучкого шлейфа для конфігурації (два комутаційні шари і сітка-прокладка між ними) у порівнянні з прототипом. Таблиця 1 Параметри шлейфа Загальна товщина шлейфа, мкм Товщина полііміду комутаційного шару, мкм Товщина сітки-прокладки, мкм Відкритий простір сітки-прокладки, % Відносна діелектрична проникність сіткипрокладки Погонна ємність шлейфа, пФ/см Максимальна, радіаційна довжина шлейфа Х/Х0, % Технічне рішення Запропоноване Прототип 100 310 10 50 70 2 0,34 0,40 0,057 3 200 60 1,75 45 50 0,176 UA 114831 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким чином, запропоноване технічне рішення гнучкого багатошарового алюмінієвого шлейфа забезпечує в порівнянні з прототипом за інших рівних умов зменшення об'ємномасових характеристик гнучкого шлейфа і його товщини в три рази, зменшення радіаційної довжини шлейфового пакета в три рази, зменшення сумарної погонної ємності шлейфа на 15 %. Суть запропонованого винаходу детальніше пояснюється конкретними прикладами його виконання і посиланнями на графічні зображення, що додаються. На Фіг. 1 схематично зображений в розрізі гнучкий багатошаровий шлейф. На Фіг. 2 схематично зображений загальний вигляд сітки-прокладки. На Фіг. 3 схематично зображений загальний вигляд комутаційного шару. На Фіг. 4 наведена фотографія існуючих зразків запропонованого гнучкого багатошарового шлейфа, з'єднаних з кремнієвими сенсорами. Позиціями позначено: 1 - гнучкий багатошаровий шлейф; 2 - комутаційний шар; 3 - шар алюмінію; 4 - струмопровідні доріжки; 5 - пласкі монтажні контакти; 6 - шар полііміду; 7 - вікна в поліімідному шарі; 8 - сітка-прокладка; 9 - комірки сітки; 10 - отвори для кріплення. Можливість одержання заявленого технічного результату при здійсненні корисної моделі може бути підтверджена наступним. Гнучкий багатошаровий шлейф І (Фіг. 1, 2, 3, 4) містить комутаційні шари (2), виконані з безадгезивних алюміній-поліімідних фольгованих діелектриків, наприклад, типу ФДИ-А-24 (товщина алюмінію 14 мкм, полііміду - 10 мкм), в яких в шарі алюмінію (3) сформовані струмопровідні доріжки (4) і пласкі монтажні контакти (5), а в шарі полііміду (6) сформовані вікна (7) для безпосереднього електричного і механічного зв'язку пласких монтажних контактів (5) комутаційних шарів (2) з іншими приладами і платами, при цьому комутаційні шари (2) складені у вигляді пакета так, що між кожним комутаційним шаром (2) розташований перфорований діелектричний шар, яким є сітка-прокладка (8) з полііміду, наприклад, Kapton HN, у якій відкритий простір комірки сітки (9) складає не менше 70 %, а товщина сітки-прокладки (8) - не більше 50 мкм, при цьому сітка-прокладка (8) суміщена і скріплена з комутаційним шаром (2) адгезивним діелектричним матеріалом, наприклад поліімідним лаком АД-9103, через отвори для кріплення (10), що виконані рівномірно в сітці-прокладці (8) і кроком 5-10 мм. Для обґрунтування відповідності запропонованого багатошарового гнучкого шлейфа критерію "винахідницький рівень" був проведений аналіз загальнодоступних відомостей, була проаналізована уся сукупність ознак і окремо відмітні ознаки. Встановлено, що сукупність вищезгаданих відмітних ознак запропонованого технічного рішення не випливає явно з рівня техніки. Реалізація винаходу на існуючій елементній базі і технологічному устаткуванні істотних технічних труднощів не представляє. Можливість здійснення запропонованого багатошарового гнучкого шлейфа підтверджена на дослідних зразках, які піддавалися прискореним випробуванням в умовах дії форсованих навантажень. Дослідні зразки випробування витримали. При цьому зміна зовнішнього вигляду зразків і ознак критерію відмови не відмічена. На Фіг. 4 наведена фотографія виготовлених зразків запропонованих багатошарових гнучких шлейфів, з'єднаних з кремнієвими сенсорами, що дозволяє зробити висновок про відповідність заявленого рішення вимозі патентоздатності "промислова придатність". Джерела інформації: 1. Патент Российской Федерации "Прецизионный гибкий шлейф и способ высокоплотного монтажа электронных приборов с помощью таких шлейфов" //Бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам "Изобретения. Полезные модели", 2007, № 34. 2. "DØ Layer 0 Conceptual Design Report. LAYER Ø SILICON DHTRCTOR. Draft. Version 2.5" //URL: http://d0server1.final.gov/projects/run2b/Silicon/www/smt2b/Layer00/D0_L0_CDR_v2.5.pdf. 60 4 UA 114831 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Багатошаровий гнучкий шлейф, який містить шари з гнучкого діелектричного матеріалу з струмопровідними доріжками на їх поверхнях, що являють собою комутаційні шари з монтажними контактними площадками, між якими розташовані діелектричні перфоровані прокладки, який відрізняється тим, що комутаційні шари виконані з безадгезивних алюмінійполіімідних фольгованих діелектриків, в алюмінієвому шарі яких сформовані струмопровідні доріжки і пласкі контакти, а в шарі полііміду яких сформовані вікна для безпосереднього електричного і механічного з'єднання алюмінієвих контактів комутаційних шарів шлейфа з іншими приладами, при цьому комутаційні шари складені у вигляді пакета так, що між кожним комутаційним шаром розташований перфорований діелектричний шар, який являє собою сіткупрокладку з полііміду, в якій відкритий простір комірки сітки-прокладки складає не менше 70 % від площі такої комірки, а товщина сітки-прокладки складає не більше 50 мкм, при цьому комутаційний шар суміщений і скріплений з сіткою-прокладкою через отвори в сітці-прокладці з кроком 5-10 мм за допомогою адгезивного діелектричного матеріалу з величиною діелектричної проникності, меншою за діелектричну проникність полііміду. 5 UA 114831 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6