PECVD : nowa technologia tworzenia warstw ochronnych

Nanopowłoki są stosowane jako samodzielna metoda lub w połączeniu z innymi technologiami hermetyzacji i ochrony układów. Powłoki te mogą wykazywać korzystne właściwości materiałowe, w tym wysoką gęstość, hydrofobowość, przyczepność do różnych materiałów podłoża (w tym metalu, szkła, tworzyw sztucznych itp.) oraz tworzenie jednorodnych, pozbawionych otworów warstw. Jednocześnie, powłoki te muszą być nakładane w sposób umożliwiający uniknięcie wpływu na zarządzanie ciepłem, komunikację bezprzewodową czy połączenia elektryczne. Autorzy artykułu ‘Engineered Reliability – Safeguarding Electrical Components and Products with Nano-coating Technology’ przedstawili innowacyjną technologię tworzenia nanopowłok i przeprowadzili cykl testów z warstwami nanopowłok osadzanymi plazmowo.

Proces PECVD

Termin chemiczne osadzanie z fazy gazowej (chemical vapor deposition, CVD) obejmuje szeroką gamę procesów, z których większość wykorzystuje ciśnienie mniejsze niż ciśnienie otoczenia do osadzania cienkowarstwowych materiałów stałych na różnych podłożach. Związki chemiczne (tzw. prekursory) wprowadzane są do komory powlekania w postaci gazu, aktywowane w celu uzyskania większej reaktywności, a następnie osadzane na danym podłożu w postaci cienkiego filmu zabezpieczającego.

Najczęstszymi typami CVD jest powlekanie termiczne i plazmowe, różniące się przede wszystkim sposobem aktywacji prekursorów. Termiczne CVD do aktywacji prekursora wykorzystuje ciepło, a następnie osadza warstwę ochronną w procesie zwanym pirolizą, który jest stosowany również w innych procesach nakładania powłok (takich jak Parylen).

Proces chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomagany plazmą (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) do jonizacji gazu w celu osadzania wykorzystuje plazmę, która jest wysokoenergetycznym stanem gazowym (Rysunek 1). Gaz aktywowany plazmą pozwala na zamknięcie obwodu elektrycznego między elektrodami i przepływ elektronów. Do zapłonu/aktywacji i podtrzymywania plazmy służy generator, w których jako źródło plazmy wykorzystywane są częstotliwość radiowa (RF), prąd stały (DC) i mikrofale (MW) (istnieją także inne typy, takie jak gorący żarnik, hot filament,  HF, stosowany w przemyśle narzędziowym). Po zapłonie plazmy następuje osadzanie na powierzchni podłoża w wyniku reakcji chemicznych zachodzących między aktywnymi energetycznie cząsteczkami gazu i jonami. Rodzaj zastosowanego źródła plazmy ma wpływ na związki chemiczne powstające w plazmie, rodzaj tworzonych osadów oraz rodzaj podłoży, na których można tworzyć powłoki zabezpieczające. Na przykład plazma, której źródło stanowi prąd stały, musi osadzać się na podłożach przewodzących, podczas gdy plazma tworzona falami RF może osadzać się na podłożach izolacyjnych, bez negatywnego wpływu na powlekane podłoża.

Procesy plazmowe lub termiczne CVD wiążą się z kompromisami w zakresie szybkości osadzania, jednorodności powłoki, poziomu ochrony i ograniczeń geometrycznych powlekanych produktów. Przebiegające przy niskich ciśnieniach i wysokich temperaturach procesy termicznego CVD umożliwiają uzyskanie bardzo jednolitych warstw i są powszechnie stosowane w produkcji urządzeń elektronicznych. Proces PECVD o dużej intensywności, niskim ciśnieniu i wysokiej mocy RF pozwala na szybkie tworzenie warstw ochronnych, często jednak odbywa się to kosztem jednorodności utworzonego filmu lub kierunkowości osadzania.

Proces PECVD ma wiele zalet, w tym obniżoną temperaturę roboczą, możliwość szybkiej zmiany warunków osadzania, przy jednoczesnej obróbce plazmowej, poprawiającej przyczepność powłoki. Dzięki zastosowaniu etapu aktywacji plazmowej, powłoka może dokładniej przylegać do trudnych podłoży. Inne zalety procesów PECVD w porównaniu z termicznym CVD to także krótszy czas osadzania, możliwość osadzenia wielu  chemikaliów po kolei (ochrona warstwowa) oraz możliwość wykorzystania maskowania w przypadku komponentów krytycznych.

Rysunek 1. Przebieg procesu chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą.

Tradycyjne powłoki konforemne są często nakładane metodami natryskiwania, zanurzania lub pędzla, co oznacza konieczność utworzenia stosunkowo grubej warstwy ochronnej, mierzącej zwykle kilkaset μm. Jako grubsze, warstwy te wymagają dodatkowego czasu na utwardzenie, podczas gdy folie osadzane metodą CVD są cieńsze i problem ten nie występuje. Na przykład, Parylen osadzany w procesy termicznego CVD tworzy warstwę mieszczą się w zakresie od 10 do 50 μm, doskonale chroniącą układ nawet w najtrudniejszym środowisku. W procesie PECVD warstwy są osadzane w zakresie grubości od nanometra do mikrona: wiele aplikacji wymaga cieńszych powłok ochronnych ze względu na lepsze odprowadzanie ciepła, minimalną interferencję z sygnałami komunikacji bezprzewodowej, ograniczenie procesu maskowania, wspierającego proces powlekania, a ostatecznie niższe koszty.

Konformalne procesy powlekania często wymagają jakiejś formy maskowania, która jest metodą zapobiegania migracji powłoki do określonych, chronionych stref na danej płytce. Obszary te mogą obejmować złącza lub krytyczne elementy elektryczne, w przypadku których powłoka jest niepożądana lub może zakłócać działanie urządzenia.

Cieńsze powłoki umożliwiają lutowanie później dodanych komponentów również na obszarach PCB pokrytych warstwą ochronną, bez konieczności ich maskowania przed nałożeniem powłoki ochronnej. Podobnie, złącza elektryczne - przewód-płytka czy płytka-płytka - mogą tworzyć połączenie elektryczne przez powłokę bez potrzeby maskowania, trawienia lub czyszczenia (w zależności od grubości powłoki ochronnej).

W przypadku wielu warstw ochronnych o niewielkiej grubości defekty fizyczne, takie jak pęknięcia lub otwory, mogą łatwo rozprzestrzeniać się na ich całej grubości. Jednak w celu zwalczania tych problemów, powłoki tworzone w procesie PECVD mogą wykorzystywać wiele różnych chemikaliów, osadzanych po kolei w strukturze warstwowej. W tradycyjnym procesie, w którym dozowane materiały są w stanie ciekłym jest o wiele trudniejsze, ponieważ często prowadzi to do częściowego rozpuszczania się spodnich warstw. Rysunek 2 przedstawia fotografię zrobioną mikroskopem elektronowego (SEM) struktury warstwowej poszczególnych warstw  PECVD. Mikrografia przedstawia dwie naprzemienne osadzone związki chemiczne w dziewięciowarstwowym stosie.

Rysunek 2 Krzemowe struktury testowe zabezpieczone w procesie PECVD.

Jak twierdzą autorzy artykułu – i oczywiście popierają to wynikami przedstawionych testów - PECVD oferuje wiele zalet w porównaniu z innymi technikami tworzenia powłok cienkowarstwowych, zwłaszcza w zakresie niezawodności. Testy utworzonej z wielu warstw powłoki cienkowarstwowej wykazało znaczne zmniejszenie wymaganej grubości w porównaniu z zabezpieczeniami jednowarstwowymi, przy identycznych parametrach. Proces PECVD umożliwia osiągnięcie takich wyników dzięki możliwości szybkiego przełączania się między chemikaliami w jednym urządzeniu produkcyjnym. Tak utworzone wielowarstwowe powłoki PECVD mogą zapewnić skuteczną ochronę przed wilgocią, solą, wilgocią i innymi trudnymi warunkami środowiska. Co więcej, wykorzystanie PECVD umożliwia uproszczenie procesu i redukcję kosztów związanych z maskowaniem.

Źródło: Engineered Reliability – Safeguarding Electrical Components and Products with Nano-coating Technology

Autorzy: Daniel Pulsipher (Director, Plasma Coatings), Richard Weiland (Director, Nano-coating Applications).