Микроэлектроника, 3D-технологии печатных плат и финансовые проблемы

13 июля 2016
Интервью с Андреем Буянкиным, главным специалистом и заместителем главного конструктора ОКР АО «Концерн «Вега» (на фото справа), и Сергеем Пурыжинским, директором Экспериментально-технологического центра и главным конструктором ОКР АО «МРТИ РАН»

– Как давно компания начала заниматься внутренним монтажом (3DMS)? Это была инициативная работа или требования заказчика?
– Мы не первые, кто занимается этой проблемой. Первые попытки разработать технологию внутреннего монтажа были предприняты около 20 лет назад. Были опробованы различные варианты. Какие-то из них нашли за рубежом практическое воплощение, например, в компаниях IBM, Nuvotronics, Kyocera, Murata. Мы занимаемся около двух лет разработанной нами технологией 3DMS. Инициатива по проектированию модулей на базе технологии 3DMS исходила от ОАО «Концерн «Вега». Эту инициативу поддержал и профинансировал Минпромторг РФ.
 
– В чем изюминка технологии вашего метода внутреннего монтажа?
 
– Особенность технологии 3DMS заключается в использовании методов микроэлектроники в изготовлении печатных плат. Наши предшественники работали с платами, на которых слои создавались методами масочного производства. Кристаллы непосредственно устанавливались в тело платы, что не давало возможности получить устойчиво воспроизводимые результаты и перейти к серийному производству.
Новизна нашей идеи в том, что мы подошли к созданию этой технологии с точки зрения микроэлектроники. Мы применили современные методы – прецизионную фотолитографию, вакуумное напыление для создания и травления диэлектрических и проводящих слоев. Это позволило нам, во-первых, формировать проводники малой ширины, вплоть до 10 мкм. Во-вторых, повысить точность, воспроизводимость и качество создаваемых изделий, а значит, перейти к массовым процессам. Технология 3DMS позволяет в пять–шесть раз уменьшить габариты изделия, что очень важно для ряда приложений.
 
– Есть ли аналоги технологии 3DMS в мире или России?
 
Насколько нам известно, прямых аналогов нет. Мы нашли никем не занятую нишу между технологиями микроэлектроники и печатных плат. В настоящее время мы патентуем некоторые свои идеи. И хотя стоимость патентования довольно высока, мы считаем, что игра стоит свеч.
 
– Расскажите немного подробнее о процессе производства – в чем его отличие от традиционных способов изготовления?
 
В соответствии с традиционными способами, сначала изготавливается печатная плата с разводкой проводников, на которую затем устанавливаются электронные компоненты.
В отличие от традиционной, наша технология включает в себя изготовление самой многослойной платы с последующим монтажом компонентов, причем часть пассивных компонентов, например резисторы, конденсаторы и индуктивности формируются в процессе изготовления платы. Мы формируем резисторы методами вакуумного напыления и фотолитографии.
Преимущества использования напыляемых тонких пленок по сравнению с фольгой на печатных платах состоят в возможности формировать более узкие проводники с высокой точностью. Появляется возможность устанавливать и коммутировать бескорпусные элементы при изготовлении платы. Высокотеплопроводная подложка позволяет повысить удельную мощность устройств и уменьшить габариты. Чтобы сократить неблагоприятное воздействие при формировании многослойной платы на бескорпусные компоненты, кристаллы устанавливаются на этапе монтажа.
В процессе изготовления многослойной платы формируются окна под кристаллы, коммутация выводов кристаллов осуществляется в верхнем слое платы. При установке кристалла при необходимости имеется возможность скорректировать его положение относительно проводников в полуавтоматическом режиме. Однако учитывая, что размер контактных площадок кристалла, как правило, не менее 50×50 мкм, а минимальная ширина проводников составляет 10 мкм, к полуавтоматической установке кристалла придется редко прибегать. К тому же, в настоящее время мы работаем над повышением точности собственного метода установки кристаллов.
Еще раз отмечу одно из преимуществ нашего метода – традиционным способом на печатных платах невозможно сформировать проводник столь малой ширины: мы делаем платы до 7-го класса точности. На рисунке 1 приведен пример установки кристаллов на плату, установка СВЧ-кристалла и его коммутация.
 
 
Рис. 1
На рисунке 2 схематично показан монтаж платы. Видно, что рядом с интегрированным в плату кристаллом установлен стандартный компонент для поверхностного монтажа. Изготовленную таким образом плату можно рассматривать как микроэлектронную сборку. Ее можно использовать и как самостоятельную, конструктивно законченную плату, а можно установить как компонент на стандартную печатную плату.
 
Рис. 2.
 
– Какой материал для изготовления плат используется в технологии 3DMS?
 
– Подложка платы изготавливается из нитрида алюминия. По сравнению со стандартным FR4, этот материал обладает лучшими электрическими и тепловыми свойствами – у него в несколько раз выше диэлектрическая проницаемость и значительно лучшая теплопроводность. Мы потратили довольно много времени, выбирая материал и изготовителя. В вашем журнале напечатана статья о наших исследованиях плат с такой подложкой.
Большая диэлектрическая проницаемость используемых нами плат позволяют работать в СВЧ-области. На рисунке 3 показан пример СВЧ-приемника, изготовленного на четырехслойной плате на нашем опытном производстве. Сигнал частотой 36 ГГц передается практически без потерь по проводникам длинной примерно 15 мм.
Рис. 3
 
Высокая теплопроводность 150–200 Вт/(м∙К) по сравнению со стандартными печатными платами, у которых этот показатель составляет 0,1–0,5 Вт/(м∙К), помогает изготавливать силовые модули с высокой плотностью тока. Однажды по просьбе потенциального заказчика из Германии мы изготовили плату источника питания для работы в условиях повышенной температуры. Наш источник выдержал все испытания, и заказчик предложил нам изготовить большое количество таких плат. Но тогда мы не могли осилить такой заказ, да и сейчас пока не можем. Но об этих проблемах я расскажу чуть позже.
 
– Вы используете бескорпусные компоненты. Можно ли в этом случае изготавливать изделия для жестких условий эксплуатации с повышенным уровнем климатических и механических воздействий и для работы в условиях зашумленной электромагнитными помехами среды?
 
– Бескорпусные элементы располагаются внутри слоев многослойной платы и герметизируются влагозащитными пленками. При этом повышается стойкость к работе в жестких условиях эксплуатации и в агрессивных средах, т.е. наш модуль представляет собой монолитный корпус. Поскольку коэффициент теплового расширения бескорпусных элементов близок к таковому у используемой подложки, повышается устойчивость к перепадам температур и механическим воздействиям на плату. Мы испытывали платы на виброустойчивость и одиночные удары вплоть до 1000g.
Что касается электромагнитных помех, то они легко экранируются напыленными проводниками требуемой толщины вокруг кристаллов. Применяются те же методы контроля качества, что и в микроэлектронике при создании тонкопленочных структур.
 
– Выходит, у новой технологии нет недостатков?
 
– Недостатки, конечно, есть. К ним относится, например, низкая ремонтопригодность. Но с этим недостатком можно бороться – необходимо осуществлять контроль работоспособности кристаллов до установки в плату, контроль качества, выдержку технологии монтажа и т.д. К тому же, поскольку надежность компонентов достаточно высока, а плотность монтажа печатной платы велика и ремонт весьма трудоемок, проще заменить неработающую плату, чем заниматься ее ремонтом.
Другой недостаток заключается в трудности приобретения некоторых видов бескорпусных компонентов. Однако это, скорее, организационная трудность, а не недостаток технологии. И эту трудность вполне по силам преодолеть. К тому же, некоторые бескорпусные компоненты, например СВЧ-компоненты, можно легко приобрести.
Третий, пожалуй, самый большой недостаток – это высокая стоимость производственного оборудования. Например, стоимость универсального установщика компонентов составляет 500 тыс. евро. Да и другое оборудование недешево. Однако у нас есть идеи, как существенно сократить затраты.
 
– Перечислите основное технологическое оборудование, необходимое для реализации технологии 3DMS.
 
– Поскольку основу наших приборов составляют тонкопленочные структуры, требуются вакуумные напылительные установки для создания проводящих, резистивных и диэлектрических слоев. Необходимо иметь высокоточное фотолитографическое оборудование для формирования рисунков в слоях. Требуется сборочное оборудование, измерительные комплексы для замера параметров, установки для микрошлифования. В каждом изделии заложен свой набор технологий, и их сочетание позволяет создавать различные приборы.
 
– Где можно применить эту довольно дорогостоящую технологию?
 
– Все приложения, где важны массогабаритные показатели. Конечно, это авиакосмические и военные изделия. Для них стоимость не является определяющей. Но мы не собираемся ограничиваться только ими – хотим выйти и на открытый рынок. Платы, изготовленные по нашей технологии, найдут применение в промышленных приложениях, в закрытых конструктивах, где невозможна вентиляция, и потому на первый план выходит теплопроводность платы. Эти платы подойдут и для беспилотных летательных аппаратов гражданского назначения, портативных изделий. Возможно, пригодятся наши разработки и в медицине – в носимых индивидуальных приборах. В первую очередь, речь идет о зондах, где размеры играют критически важную роль.
 
– Технология новая, опыта работы с ней нет, в вузах о ней не рассказывают. Где брать кадры?
 
– Что касается технологических кадров, проблема серьезная, и речь не только о нашей технологии. Мы, к сожалению, очень отстали по уровню технологии и технологическому оборудованию. Студенты вузов обучаются на устаревшем оборудовании по старым технологиям. Современное передовое оборудование институтам взять неоткуда, ознакомление идет только по книгам и журналам. Оптимальное обучение технологов должно проходить непосредственно на передовых производствах, а их у нас очень мало. Когда закончится оснащение нашего опытного производства, мы будем готовы проводить обучение у себя.
 
– Вот мы и перешли к главному вопросу – когда планируется начало производства?
 
– По плану, к концу 2016 г. мы должны завезти все оборудование и запустить участки. В 2017 г. планируется доработать, внедрить технологии и создать опытные образцы. В конце 2017 г. должен начаться переход на мелкосерийное производство. Таковы планы. Но, увы, боюсь, что они выглядят чересчур оптимистично. Производственные помещения общей площадью 3 тыс. кв. м в основном подготовлены, вы их видели, но на сегодняшний день оплачено примерно 50% оборудования, а кризис и отсутствие средств вызывают серьезные опасения. Будет очень обидно, если внедрение нашей технологии приостановится. В настоящее время мы идем вровень с лучшими западными достижениями в этой области и ни в чем им не уступаем. Задержка во внедрении приведет к тому, что мы опять окажемся в роли догоняющих.
Я уже приводил пример, когда из-за отсутствия производственных мощностей мы не смогли выполнить большой заказ. Технология 3DMS проверена, есть функционирующие опытные образцы, созданные на полуавтоматическом оборудовании. Мы уверены, что 3DMS оправдает инвестиции, и готовы сотрудничать со всеми заинтересованными сторонами.
 Читатели, заинтересованные в сотрудничестве с героями нашего интервью,
могут связаться с Сергеем Пурыжинским по почте s.pury@list.ru
Интервью подготовил Леонид Чанов