Компоненты электронной техники

Полузаказная интегральная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов ( в том числе матричных).

Система условных обозначений микросхем. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы разрабатываются и выпускаются предприятиями - изготовителями в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько микросхем, которые, в свою очередь, подразделяются на типономиналы. К серии микросхем относят совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Как правило, с течением времени состав перспективных серий расширяется. Тип интегральной микросхемы - интегральная микросхема конкретного функционального назначения и определенного конструктивно-технологического и схемотехнического решения, имеющая свое условное обозначение. Под типономиналом интегральной микросхемы понимается микросхема конкретного типа, отличающаяся от других микросхем того же типа одним или несколькими параметрами. Группа типов микросхем - совокупность типов микросхем в пределах одной серии, имеющих аналогичное функциональное назначение и принцип действия, свойства которых описываются одинаковым или же близким составом электрических параметров.

Условные обозначения микросхем

Все многообразие выпускаемых серий микросхем согласно принятой системе условных обозначений по конструктивно-технологическому исполнению делится на три группы: полупроводниковые, гибридные, прочие. К последней группе относят пленочные микросхемы, которые в настоящее время выпускаются в ограниченном количестве, а также вакуумные и керамические. Указанным группам микросхем в системе условных обозначений присвоены следующие цифры: 1, 5, 7 - полупроводниковые (обозначение 7 присвоено бескорпусным микросхемам); 2, 4, 8 - гибридные; 3 - прочие микросхемы.



По характеру выполняемых функций микросхемы подразделяются на подгруппы (генераторы, модуляторы, триггеры, усилители, логические схемы и др.) и виды (преобразователи частоты, фазы, длительности, напряжения и др.). Классификация наиболее популярных микросхем по функциональному назначению приведена в таблице 6.1.

По принятой системе, обозначение микросхемы должно состоять из четырех элементов. Первый элемент - цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Второй элемент - две-три цифры, присвоенные данной серии как порядковый номер разработки. Таким образом, первые два элемента составляют три-четыре цифры, определяющие полный номер серии микросхемы. Третий элемент - две буквы, соответствующие подгруппе и виду (табл. 6.1). Четвертый элемент - порядковый номер разработки микросхемы в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку микросхем. Он может состоять как из одной цифры, так и из нескольких.

В качестве примера рассмотрим условное обозначение полупроводниковой микросхемы серии 1554ИР22. Из условного обозначения следует, что эта микросхема - регистр с порядковым номером 554 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 22 выполнена по полупроводниковой технологии.

Пример условного обозначения полупроводниковой микросхемы: обозначение - ИЕ (счетчик) с порядковым номером серии 554 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 7. Полное обозначение микросхемы 1554ИЕ7.

В последнее время при четырехзначном номере серии первую цифру порядкового номера серии устанавливают в зависимости от функционального назначения микросхем, входящих в серию. Например, цифра 0 определяет, что данная серия микросхем предназначена для работы в составе бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Цифра 1 ставится на аналоговых микросхемах, цифра 4 - микросхемам ОУ, цифра 5 - цифровым микросхемам, цифра 6 - серии микросхем памяти, цифра 8 - сериям МП.

Если в конце условного обозначения стоит буква, то она определяет технологический разброс электрических параметров данного типономинала.

На микросхемах, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения ставится буква К, например: К1533ИР22.

Для характеристики материала и типа корпуса перед цифровым обозначением серии могут быть добавлены следующие буквы: Р - пластмассовый корпус типа ДИП; М - металлокерамический корпус типа ДИП и т.д.

Основные электрические параметры микросхем

Цифровые микросхемы развивались в следующей последовательности: резистивно-транзисторная логика (РТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (ТТЛШ), интегрально-инжекционная логика (И2Л). В этих определениях слово "логика" подразумевает понятие "электронный ключ".

Все перечисленные выше логические микросхемы выполнены на базе биполярных транзисторов. Наряду с ними широкое распространение получили цифровые микросхемы на МОП - структурах (на транзисторах p- и n-типов с обогащенным каналом, КМОП - схемы на дополняющих транзисторах). Серии РТЛ, РЕТЛ промышленностью в настоящее время не выпускаются, но еще используются только для комплектации серийной РЭА. Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на КМОП-структурах, так как они отличаются более высоким уровнем интеграции и обладают большим функциональным разнообразием.

Можно выделить три этапа развития микросхем, входящих в состав стандартных серий для создания цифровых устройств различного назначения.

I этап (1969 - 1975 гг.). В состав стандартных серий входили микросхемы малой степени интеграции, выполняющие простейшие логические функции, например серия К155.

II этап (1976 - 1980 гг.). Появились серии с улучшенными характеристиками, такие как 531, 555, 500, К561, К1561 и другие, что привело к ограниченному применению серий 131, 158, 137, 187.

III этап (1981 - 1987 гг.). Разработка микросхем большой степени интеграции, микропроцессорных комплектов, запоминающих устройств, полузаказных БИС на основе матричных кристаллов.

Параметры микросхем конкретной серии в основном определяются параметрами базовых элементов логики. К основным параметрам относятся: быстродействие; потребляемая мощность (Рпот); помехоустойчивость Uпом; коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) Краз; коэффициент объединения по входу Коб. Быстродействие определяется динамическими параметрами цифровых микросхем, к которым относятся: t1,0 - время перехода сигнала на выходе микросхемы из состояния логической "1" в состояние логического "0"; t0,1 -время перехода из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня; t1,0здр - время задержки распространения при включении; t1,0зд -время задержки включения; t0,1здр - время задержки распространения при выключении; t0,1зд - время задержки выключения; tздрср - среднее время задержки распространения сигнала; fр - рабочая частота. Среднее время задержки распространения tэдрср = 0,5(t1,0здр + t0,1здр) является усредненным параметром быстродействия микросхемы, используемым при расчете временных характеристик последовательно включенных цифровых микросхем. На рис. 6.1 показаны уровни отсчета, определяющие параметры быстродействия цифровых микросхем.

В зависимости от технологии микросхем, мощности, потребляемые при состоянии логического нуля и при состоянии логической "1" могут отличаться. Поэтому, мощность, потребляемая логическими элементами в динамическом режиме, определяется как

Рпотср = 0,5(Р0пот + Р1пот),

где Р0пот - мощность, потребляемая микросхемой при состоянии выхода "0", Р1пот - мощность при выходном состоянии "1".

Некоторые логические элементы кроме статической средней мощности характеризуются мощностью, потребляемой на максимальной частоте переключения, когда токи в цепях питания возрастают во много раз. К таким схемам относятся микросхемы КМОП технологии, которые потребляют микроамперы, если нет переключающих сигналов.

Допустимый уровень напряжения помехи логического элемента определяется уровнем входного напряжения, при котором еще не происходит ложное срабатывание микросхемы.

В статическом режиме помехоустойчивость определяется по низкому U0пом и высокому U1пом уровням. Значения U0пом и U1пом определяют с помощью передаточных характеристик (рис. 6.2.). Как следует из рис. 6.2, напряжение помехи по высокому уровню определяется как разность минимального напряжения высокого уровня U1вхmin и напряжения в точке перегиба верхней кривой (точка В). Параметр U0пом определяется как разность напряжения низкого уровня U0вхmax.

Помехоустойчивость в динамическом режиме зависит от длительности, амплитуды и формы импульса помехи, а также от запаса статической помехоустойчивости и скорости переключения логического элемента.

Коэффициент разветвления по выходу Краз определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. С увеличением нагрузочной способности расширяются возможности применения цифровых микросхем и уменьшается число корпусов в разрабатываемом устройстве. Однако при этом ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие микросхемы и возрастает потребляемая мощность.

Коэффициент объединения по входу Коб определяет максимальное число входов цифровых микросхем.

15. Гибридные и простые интегральные схемы

Реализация принципов, идей, методов полупроводниковой микроэлектроники привела к созданию БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Однако не все устройства можно изготовить с помощью полупроводниковой технологии.

Параллельно с полупроводниковым развился и совершенствовался другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основанный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно толстых (10 - 50 мкм) пленок. Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигналов, а реализация пленочных активных элементов оказалась невозможной из-за низкой воспроизводимости их характеристик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными элементами и пленочной коммутацией позволила создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей. Интегральные микросхемы, в которых на ряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонко- или толстопленочной технологии, содержатся имеющие самостоятельное конструктивное исполнение полупроводниковые активные компоненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовлены по полупроводниковой технологии, называют гибридными интегральными микросхемами (ГИС).

ГИС по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов); позволяют использовать любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

Если для создания микроэлектронного изделия необходимы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия - рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными входными цепями.

Подложки ГИС

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и служат теплоотводом. Материал подложки должен обладать следующими свойствами и характеристиками: 1) высоким сопротивлением изоляции и электрической прочностью; 2) большим коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи теплоты от тепловыделяющих элементов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу микросхемы; 3) достаточной механической прочностью; 4) устойчивостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок; 5) стойкостью к воздействию нагрева в процессе нанесения тонких пленок и термообработки толстых пленок; 6) способностью к механической обработке (резке и т.д.).

Структура материала подложки и состояние ее поверхности влияют на параметры пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, т.к. микронеровности уменьшают толщину резисторных и диэлектрических пленок. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Толстые пленки имеют толщину 10 - 50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных ИМС могут иметь микронеровности до 1 - 2 мкм.

Элементы ГИС

ГИС состоит из изолирующего основания (подложки), на поверхности которого размещены пленочные элементы (резисторы, конденсаторы, спирали индуктивности, проводники и контактные площадки), а также навесные бескорпусные миниатюрные активные (транзисторы, диоды, полупроводниковые ИМС и БИС) и пассивные (конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.) компоненты. Для защиты ГИС помещают в корпус.

Пленочные резисторы. Пленочный резистор располагают на поверхности диэлектрической подложки, конструктивно он состоит из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок. Размеры контактной области должны выбираться такими, чтобы при наихудших сочетаниях геометрических размеров резистивного слоя и контактных площадок резистивная и проводящая пленки перекрывались, обеспечивая малое переходное сопротивление контакта в низкоомных резисторах. В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные материалы - керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Cr и SiO). Широко распространены пленки хрома и тантала. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получают высоомные резисторы. Для изготовления толстопленочных резисторов применяют пасты, состоящие из порошка стекла, наполнителя и органической связки. Наиболее широко используют свинцовые и цинковые боросиликатные стекла. В качестве наполнителя резистивных паст применяют серебро, палладий и их сплавы.

Подгоняемые резисторы. Применяют плавную и ступенчатую подгонку сопротивления резисторов. Плавная подгонка обеспечивает точность до сотых долей процента, ступенчатая - до единиц процентов.

Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных резисторов осуществляют, изменяя или удельное поверхностное сопротивление, или форму резистивной пленки. Удельное поверхностное сопротивление изменяют путем термического, химического или механического воздействия на материал пленки. Форму резистивной пленки корректируют путем удаления части резистивного материала.

Ступенчатая подгонка сопротивления осуществляется удалением металлических перемычек в подгоночных секциях.

Наиболее распространен способ плавной подгонки, связанный с изменением геометрии резистора лазерным лучом. В процессе подгонки часть пленки удаляется и сопротивление увеличивается. При лазерной подгонке сначала производят грубую подгонку выжиганием пленки поперек, затем точную - вдоль резистора; выжигание резистивной пленки под углом позволяет совместить грубую и точную подгонку.

Пленочные конденсаторы. Такие конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Конструктивно эти конденсаторы представляют собой трехслойную структуру металл - диэлектрик - металл (МДМ) и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала.

К конструкции конденсаторов предъявляются следующие конструктивно-технологические требования: минимальные габариты; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технических процессов изготовления конденсаторов с технологическими процессами изготовления других элементов ГИС.

Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие - диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и сопротивление изоляции; малые - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости и диэлектрические потери, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхем.

Диэлектрик конденсатора формируется методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления.

Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния SiO и германия GeO, оксиды алюминия Al2O3, тантала Ta2O5, титана TiO2 и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция. При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость.

Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, хорошую адгезию, обладать низкой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.

Подгоняемые конденсаторы. Иногда возникает необходимость конструирования пленочных конденсаторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления, а также конденсаторы, емкость которых может изменяться в определенных пределах. Подгонка может осуществляться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения емкости. Конструкция подгоняемого конденсатора имеет подгоночные секции. Подгоночные секции можно произвольно размещать по сторонам верхней обкладки. При подгонке возможно увеличение емкости конденсатора с помощью проволочных перемычек. Добавочная емкость определяется площадью обкладки дополнительно подключаемой секции.

Пленочные индуктивные элементы. Такие элементы широко распространены в аналоговых ИМС. Индуктивные элементы входят в состав колебательных контуров автогенераторов, полосовых фильтров, цепей коррекции частотных характеристик и т.д. Толщина пленочной спирали зависит от рабочей частоты и определяется глубиной проникновения электромагнитной волны в материал пленочного проводника. Для изготовления пленочных спиралей применяют материалы с высокой электропроводностью.

Элементы коммутации. Такие элементы (проводники и контактные площадки) служат для электрического соединения компонентов и элементов ГИС между собой, а также для присоединения к выводам корпуса.

Электрофизические свойства коммутационных проводников и контактных площадок определяются свойствами применяемых материалов, к которым предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов микросхем. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото - нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки.

Пленочные переходные контакты. Контактный узел двух пленочных элементов ГИС обладает определенным сопротивлением, зависящим от геометрии и размеров контакта, электропроводности контактирующих материалов, удельного переходного сопротивления контакта.

Под удельным переходным сопротивлением понимают сопротивление единицы площади контактного перехода току, протекающему по нормали к слоям контакта. Это сопротивление обусловлено рассеянием носителей тока на неоднородностях в месте соприкосновения двух металлических материалов; скачкообразным изменением атомной и электронной структуры, а также наличием инородных включений в месте контакта. Следовательно, значение удельного переходного сопротивления существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также условий и способа их формирования.

Компоненты ГИС

Компоненты ГИС могут иметь жесткие и гибкие выводы. Недостатком компонентов с гибкими выводами является трудность автоматизации процессов их монтажа и сборки. Применение компонентов с шариковыми выводами затрудняет контроль процесса сборки. Приборы с балочными выводами дороги, но позволяют автоматизировать сборку, контролировать ее качество, увеличить плотность монтажа.

Технологические маршруты производства тонкопленочных ГИС

Совокупность технологических операций, составляющих технологический маршрут производства тонкопленочных ГИС, включает в себя подготовку поверхности подложки, нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию ГИС от внешних воздействий. Важное значение при создании ГИС имеют контрольные операции, а также подготовка производства: изготовление комплекта масок и фотошаблонов, контроль компонентов ГИС и исходных материалов.

Нанесение пленок на подложку ГИС осуществляется:

а) термическим испарением материалов в вакууме с конденсацией паров этих материалов на поверхность подложки;

б) ионным распылением мишеней из наносимых материалов с переносом атомов мишеней на поверхность подложки;

в) химическим осаждением пленок в результате протекания химических реакций в газовой фазе над поверхностью подложки с образованием пленкообразующего вещества с последующим его осаждением на подложку.

Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы: масочный (соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски); фотолитографический (пленку наносят на всю поверхность подложки, после чего вытравливают с определенных участков); электронно-лучевой (некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки путем испарения под воздействием электронного луча); лазерный (аналогичен электронно-лучевому, только вместо электронного применяют луч лазера). Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их сочетания.

Масочный метод. Самым простым методом получения заданной конфигурации пленочных элементов является масочный, при котором нанесение каждого слоя тонкопленочной структуры осуществляется через специальный трафарет. При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев ГИС: напыление резисторов, проводников и контактных площадок; межслойной изоляции; второго слоя для пересечения проводников; нижних обкладок конденсаторов; диэлектрика; верхних обкладок конденсаторов; защитного слоя. Пленка из напыляемого материала осаждается на подложке в местах, соответствующих рисунку окон в маске. В качестве материала съемной маски используют ленки бериллиевой бронзы толщиной 0,1-0,2 миллиметра, покрытую слоем никеля толщиной около 10 мкм.

Нанесение пленок через съемные маски осуществляют термическим испарением в вакууме либо ионно-плазменным распылением.

В результате коробления маски в процессе напыления пленки между маской и подложкой образуется зазор, приводящий к подпылу. Кроме того, размеры окон в маске при многократном напылении уменьшаются. Все это обуславливает меньшую точность данного метода по сравнению с фотолитографическим.

Несмотря на недостатки масочный метод является самым простым, технологичным и высокопроизводительным.

Метод фотолитографии. Этот метод позволяет получить конфигурацию элементов любой сложности и имеет большую точность по сравнению с масочным, однако он более сложен.

Существует несколько разновидностей фотолитографии. Метод прямой фотолитографии предусматривает нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента, формирования на ее поверхности фоторезистивной контактной маски, вытравливание через окна в фоторезисте лишних участков пленки. Контактная маска из фоторезиста или другого материала, более стойкого к последующим технологическим воздействиям, воспроизводит рисунок фотошаблона из пленки.

Экспонированный фоторезист удаляется (растворяется) после чего пленка резистивного материала стравливается с участков, не защищенных фоторезистом. Далее на подложке в вакууме наносится сплошная пленка алюминия. После фотолитографии и травления алюминия проводящая пленка остается в областях контактных площадок и проводников. При этом сформированные на предыдущем этапе резисторы не повреждаются. После нанесения поверх проводящих элементов и резисторов защитного слоя стекла проводится еще одна, третья фотолитографическая обработка, в результате которой стекло удаляется из областей над контактными площадками, а также по периметру платы.

Метод обратной (взрывной) фотолитографии отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется контактная маска, затем наносится материал пленочного элемента, после чего производится удаление контактной маски.

При фотолитографическом методе для изготовления ГИС, содержащих резисторы и проводники, используют два технологических маршрута. Первый вариант - напыление материала резистивной и проводящей пленок; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя. Второй вариант - после проведения первых двух операций, тех же что и в предыдущем варианте, сначала осуществляют фотолитографию и травление одновременно проводящего и резистивного слоев, затем вторую фотолитографию для стравливания проводящего слоя в местах формирования резистивных элементов, после чего следует нанесение защитного слоя и фотолитография для вскрытия окон в нем над контактными площадками.

При производстве пленочных микросхем, содержащих проводники и резисторы из двух различных (высокоомного и низкоомного) резистивных материалов, рекомендуется такая последовательность операций: поочередное напыление пленок сначала высокоомного, затем низкоомного резистивных материалов; напыление материала проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; фотолитография низкоомного резистивного слоя; фотолитография высокоомного резистивного слоя; нанесение защитного слоя.

Комбинированный метод. При совмещении масочного и фотолитографического методов для микросхем, содержащих резисторы, проводники и конденсаторы, используют два варианта:

1) напыление резисторов через маску, напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; поочередное напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсатора; нанесение защитного слоя;

2) напыление резистивной пленки и проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсатора; нанесение защитного слоя.

Для схем, не содержащих конденсаторов, применяют один из трех вариантов:

1) напыление через маску резисторов и проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя;

2) напыление резистивной пленки; фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок; нанесение защитного слоя;

3) напыление резистивной пленки, а также контактных площадок и проводников через маску; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя.

Технологические маршруты производства толстопленочных ГИС

После очистки и отжига платы на нее наносят и вжигают с обеих сторон проводниковую пасту для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов, после чего формируют диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников. Верхние обкладки и пленочные перемычки изготавливают из одной пасты. Последними формируют резисторы, имеющие самую низкую температуру вжигания. После обслуживания контактных площадок производят лазерную подгонку резисторов. Заключительные сборочные операции: установка выводов, монтаж навесных компонентов и герметизация опрессовкой с использованием пластмассы, после чего производят обрезание рамки и разъединение выводов.

Нанесение тонких пленок в вакууме

Наиболее распространенными методами получения тонких пленок различных материалов в вакууме являются методы термического испарения и ионного распыления.

К процессам термического испарения относится испарение: а) из резистивных испарителей, включая взрывное испарение с применением вибропитателей; б) из тиглей с радиационным и высокочастотным индукционным нагревом; в) с помощью электронно-лучевых испарителей (за счет сфокусированного луча). К процессам ионного распыления относится: а) катодное (диодная система); б) ионно-плазменное (триодная система); в) с помощью сфокусированных ионных пучков; г) магнетронное.

Достоинствами метода термического испарения материалов и их конденсации в вакууме являются: реализация высоких скоростей осаждения материалов в высоком вакууме, простота, отработанность технологических операций и наличие современного высокопроизводительного оборудования.

Основными достоинствами методов ионного распыления материалов являются: возможность распыления практически всех материалов современной микроэлектроники, в том числе различных соединений (нитридов, оксидов и т.д.) при введении в газоразрядную плазму реакционно-способных газов (реактивное распыление); высокая адгозия получаемых пленок к подложкам; однородность пленок по толщине; очистка поверхности подложек с помощью ионной бомбардировки как перед, так и в процессе осаждения пленки.

Метод термовакуумного напыления. Метод основан на создании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его на поверхности подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Пленка при конденсации формируется из отдельных атомов или молекул пара вещества. Процесс термовакуумного напыления состоит из четырех этапов: 1) образование пара вещества; 2) перемещение частиц пара от источника к подложкам; 3) конденсация пара на подложках; 4) образование зародышей и рост пленки.

В данном случае равномерность толщины пленок по площади подложек будет неудовлетворительной. Толщина пленки максимальна в центре подложки, то есть на участке, расположенном непосредственно над испарителем и убывает к периферии подложки. Равномерность можно повысить за счет увеличения расстояния между испарителем и подложкой, но при этом уменьшается скорость напыления. Высокой равномерности толщины пленок на больших поверхностях добиваются, применяя приемные устройства сферической формы или динамические системы приемных устройств, вращающиеся относительно неподвижных испарителей. Равномерность толщины пленок в большой партии подложек достигается в установках с подколпачными устройствами, обеспечивающими равномерное вращение подложек, закрепленных вертикально на образующих цилиндрах, вокруг испарителей, расположенных по центральной оси цилиндра. Применяются также динамические системы, в которых испарители и подложки располагаются с внешней стороны барабана. Преимуществами динамических систем являются: высокая равномерность толщины распыляемых пленок, качественное нанесение пленок на подложки, имеющие сложный вертикальный профиль, ступеньки и узкие канавки; уменьшение расстояния между испарителем и подложками и увеличение за счет этого скорости осаждения пленок.

Метод ионного распыления. Источником иона служит самостоятельный тлеющий разряд либо плазма несамостоятельного разряда (дугового или высокочастотного) инертных газов (обычно высокой чистоты аргона). Существует большое разнообразие процессов ионного распыления, отличающихся характером напряжения питания (постоянное, переменное, высокочастотное), способом возбуждения и поддержания разряда, числом и конструкцией электродов и т.д.

При бомбардировке положительными ионами инертного газа поверхность катода одновременно подвергается воздействию молекул остаточных активных газов. Это приводит к образованию оксидных пленок на катоде, которые резко снижают скорость распыления (часть оксида переносится на подложку). На поверхности подложки вместе с распыленными атомами присутствуют и отрицательно заряженные активные ионы остаточных газов, которые также способствуют формированию оксидных пленок.

Нанесение толстых пленок

Толстопленочные ГИС выполняют методом трафаретной печати последовательным нанесением на керамическую подложку различных по составу паст и их последующим вжиганием, в результате образуется прочная монолитная структура с толщиной пленки 10-70 мкм.

Функциональные материалы придают пленкам необходимые физические свойства. В процессе вжигания эти частицы должны оставаться в твердой фазе и равномерно распределяться в стекле по объему формируемого элемента.

В зависимости от состава функциональной составляющей различают проводниковые, резистивные и диэлектрические пасты.

Проводниковые пасты содержат порошок благородных металлов (серебро, смесь серебро-палладий, золото), который составляет 70-80 % от общей массы твердой фазы пасты. Палладий вводят для снижения коррозии и миграции, а также уменьшения стоимости пасты. Проводниковые пасты должны обеспечить низкое электрическое сопротивление проводников, способность их к пайке.

В резистивных пастах количество функционального материала определяется удельным сопротивлением. Наибольшее применение нашли резистивные пасты на основе палладия и соединений рутения. В первой из них свойства резистора определяются оксидом палладия, образующимся во время вжигания.

Более высокой стабильностью сопротивления, меньшей чувствительность к колебаниям температуры вжигания обладают резисторы, выполненные на основе диоксида рутения. Поэтому резистивные пасты на основе соединений рутения становятся преобладающими в толстопленочной технологии.

Диэлектрические пасты применяют для изготовления конденсаторов.

Нанесение паст производится на установке трафаретной печати продавливанием пасты через отверстие сетчатого трафарета.

Для изготовления толстопленочных ГИС требуется комплект трафаретов для нанесения определенного пленочного слоя: проводникового, одного или нескольких резистивных, изолирующих и т.д. Каждому трафарету соответствует определенный фотошаблон.

Основным элементом трафарета является сетка из нейлона или нержавеющей стали с размером ячейки 80-240 мкм. Выбор размера ячейки определяется требованиями толщины и ширины пленочных элементов. Сетка натягивается на держатель - алюминиевую рамку, зажимается и обрезается по краям. Размер рамки должен обеспечить расстояние 25-50 мм от краев рисунка схемы до краев трафарета. На натянутую сетку наносится слой фоточувствительной эмульсии. Методом фотолитографии формируется необходимый рисунок. После травления образуются окна в эмульсионном слое, обнажающие сетку, через которые при нанесении будет продавливаться паста.

Очищенная подложка устанавливается в держатель подложки установки трафаретной печати, сверху помещают держатель трафарета с требуемым трафаретом. На него подают соответствующую пасту и с помощью ракеля наносят ее на подложку. Ракель заполняет пастой отверстия в трафарете, прогибает его до соприкосновения с подложкой и продавливает пасту через отверстия в трафарете. Благодаря свойству тиксотропности слой нанесенной пасты не расплывается по подложке, сохраняя рисунок, заданный трафаретом. От материала и формы рабочей части ракеля зависит качество трафаретной печати. Рабочую часть ракеля изготавливают из уретана или полиуретана. В течение рабочего хода ракель должен плотно прилегать к трафарету, обеспечивая постоянство давления, оказываемого на пасту, что достигается благодаря держателю ракеля.

Кроме трафаретной печати можно наносить резистивные пасты под давлением с помощью пневматического дозатора.

После нанесения производится сушка и вжигание пасты. При сушке (120-2000 С) происходит удаление летучих органических растворителей. Лучше использовать инфракрасную сушку. При других методах сушки на поверхности слоя пасты может образоваться корка, препятствующая выходу летучих веществ, вследствие чего после вжигания пленка может быть пористой и содержать раковины.

Сборка ГИС заключается в установке на подложку навесных компонентов и их электрическом присоединении к пленочным проводникам. В качестве навесных компонентов используют полупроводниковые бескорпусные ИМС и БИС, а также различные электрорадиоэлементы.

Пленочные конденсаторы занимают большую площадь на подложке, требуют нескольких циклов нанесения и вжигания. Трудоемкость изготовления толстопленочных конденсаторов ограничивают их применение, поэтому в толстопленочных ГИС чаще применяют навесные конденсаторы. В толстопленочных ГИС обычно используют пленочные резисторы.

Дискретные полупроводниковые компоненты толстопленочных ГИС имеют балочные, гибкие проволочные и жесткие выводы. Монтаж навесных компонентов на подложку производят методом пайки мягким припоем или с помощью токопроводящих клеев.

Изготовленную толстопленочную ГИС устанавливают в корпус и герметизируют. Надежность ГИС, стабильность ее параметров обеспечиваются на всех этапах изготовления.

16. Микросборки. Коммутационно - печатные их элементы

Коммутационная плата микросборки представляет собой миниатюрный аналог многослойной печатной платы. На поверхности коммутационных плат монтируются компоненты микросборки - бескорпусные интегральные микросхемы (кристаллы), микроплаты с группой интегральных тонкопленочных резисторов (согласующих входы и выходы ИМС), одиночные объемные миниатюрные конденсаторы (в качестве развязывающих элементов). Высокая плотность монтажа требует и высокого разрешения коммутационного рисунка. В отличие от печатных плат его получают путем осаждения тонких пленок в вакууме с последующей фотолитографией, или с использованием толстопленочной технологии. Коммутационные проводники должны находиться на нижних уровнях платы, а на поверхность должны выходить только монтажные площадки для сварки или пайки выводов (перемычек) компонентов.

В зависимости от материала изолирующих слоев и способа их формирования коммутационные платы можно разделить на четыре типа: а) тонкопленочные с использованием осаждения в вакууме; б) тонкопленочные с использованием окисления алюминия в электролите (анодирование); в) толстопленочные; г) на основе многослойной керамики.

Тонкопленочные платы.

Формирование слоев (уровней) платы выполняется на общей подложке из электроизолирующего материала (ситалл, поликор и др.) путем повторяющихся циклов "осаждения тонкой пленки в вакууме - фотолитография".



Из рис. 34 следует, что осажденный сплошной слой электропроводящего металла (чаще всего алюминия) после фотолитографии превращается в систему проводников, перпендикулярных плоскости чертежа. В этой системе предусматриваются расширенные площадки для контактных переходов на следующий уровень. В осажденном затем в вакууме изолирующем слое с помощью фотолитографии получают окна для контактных переходов, и вновь осаждается электропроводящий слой, в котором фотолитографией формируют систему проводников, ортогональных к нижележащим. При этом через окна в изолирующем слое создается контактный переход. Эти циклы повторяются вплоть до последнего, верхнего уровня металлизации. В последнем изолирующем слое вскрываются лишь окна над монтажными площадками: площадками для электромонтажа компонентов и периферийными площадками для монтажа микросборки в целом в модуле следующего уровня (например, на печатную плату ячейки).

Нетрудно заметить, что с первого же цикла обработки в многоуровневой системе возникает и развивается рельеф, создающий ступеньки в изолирующих и проводящих слоях (на рис. 34 отмечены кружками). Эти участки являются потенциальной причиной отказа: в первом случае пробоя изоляции, во втором разрушения проводника.

Тонкопленочные платы на основе анодированного алюминия.

Сохранение плоскостности покрытий на каждом этапе обработки обеспечивает применение в качестве изолирующих слоев окиси алюминия (Al2O3), получаемой путем окисления алюминиевого покрытия в электролите. В зависимости от режимов электролитического окисления (анодирования) можно с малой скоростью роста получить пленку Al2O3 с высокими электрическими свойствами, или ускоренно получить пленку с пониженными электрическими свойствами. В первом случае плотную пленку получают на мягких режимах (малые плотности тока) и используют для изоляции смежных уровней проводников. Во втором случае пористую пленку формируют на форсированных режимах (высокие плотности тока) и используют для изоляции соседних проводников одного уровня, причем снижение пробивной напряженности пленки компенсируется увеличением толщины (точнее - ширины) пленки (Uпр.=Епр.*d). На рис. 35 показано содержание одного (первого) цикла обработки. После осаждения на подложку 1 сплошного слоя алюминия 2 на поверхности формируют фотомаску 3, рисунок которой соответствуют рисунку промежутков между будущими проводниками. Выполнив на мягких режимах избирательное анодирование алюминия, получают тонкий (~0,2мкм) и плотный слой 4 Al2O3 (рис. 6.35,а). Далее (рис. 35,б) фотомаску удаляют и выполняют анодирование на форсированных режимах на всю толщину пленки 5 (маской при этом служит тонкий плотный слой окисла). Путем фотолитографии (рис. 35,в) удаляют участки тонкого окисла, не защищенные фотомаской 6, для создания контактных переходов и напыляют (рис. 35,г) следующий сплошной слой алюминия 7 (второй уровень металлизации). Затем описанный цикл повторяется.

На поверхности полностью изготовленной платы должен находиться слой плотного окисла, удаленный лишь с монтажных площадок.

Толстопленочные платы.

Для пояснения сущности процесса можно воспользоваться рис. 33. Вместо циклов "осаждение тонкой пленки в вакууме - фотолитография" в данном случае используются циклы "нанесение пасты через трафарет - сушка - вжигание", а подложку заменяют на керамическую - термостойкий прочный материал.

Для формирования многоуровневой системы используют два вида паст: проводящую и диэлектрическую. Поскольку толщина межслойной изоляции в 2-3 раза превышает толщину проводящего слоя, для получения качественных контактных переходов производят предварительно одно- или двукратное нанесение проводящей пасты в окна изолирующего слоя по циклу "нанесение пасты через трафарет - сушка" (без вжигания). На заключительном этапе изготовления платы аналогичный прием используется для формирования монтажных площадок, которые впоследствии обслуживаются с помощью лудящих паст.

Следует подчеркнуть, что в многоуровневых системах вжигание паст в керамику происходит лишь на границе нижнего проводящего и нижнего изолирующего слоев с подложкой. Прочность сцепления последующих слоев друг с другом обеспечивается за счет расплавления в них низкотемпературного стекла и затем отвердения.

Платы на основе многослойной керамики.

В отличие от предыдущих типов плат, все слои которых формируются на общей подложке, в данном случае каждый проводящий слой наносится на собственную индивидуальную подложку из необожженной ("сырой") керамики. Впоследствии отдельные листы керамики с проводящим рисунком собираются в пакет.

Исходными заготовками являются листы пластичной керамики толщиной 0,1мм, полученные методом экструзии (выдавливанием пластичной керамической массы через щелевидный фильер). В отдельных листах керамики пробивкой или сверлением получают базовые отверстия, а затем (базируя листы по этим отверстиям) - отверстия под контактные переходы диаметром не менее 0,1мм (рис. 36,а). Используя те же базовые отверстия на каждой заготовке, через сетчатый трафарет заполняют отверс-тия под переходы проводящей пастой, а затем с помощью другого трафарета наносят проводящий рисунок и сушат.

Следует подчеркнуть, что вследствие высоких температур (1400-1700°С) последующего обжига керамики приходится отказываться от высокоэлектропроводных серебряно-палладиевых паст и использовать пасты на основе частиц тугоплавких металлов (вольфрама или молибдена).

В дальнейшем, используя те же базовые отверстия, отдельные листы собирают в пакет (рис. 36,б), подпрессовывают и штамповкой отделяют периферийную часть с базовыми отверстиями. Пакет подвергают высокотемпературной обработке. При этом протекают два параллельных процесса: вжигание проводящего рисунка в керамику и спекание (взаимодиффузия) частиц окислов, из которых состоит керамическая масса. На первой стадии обжига также происходит разложение и удаление пластификатора (технологической связки).

Выходящие на поверхность платы монтажные площадки на основе вольфрама или молибдена не допускают сварки и не смачиваются припоем. Для возможности облуживания площадок и последующей пайки на них предварительно создают слой никеля путем химического осаждения из раствора.

17. Печатные платы и узлы

Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой.

Печатные платы служат для монтажа на них электрорадиоэлементов (ЭРЭ) с помощью полуавтоматических и автоматических установок с последующей одновременной пайкой всех ЭРЭ погружением в расплавленный припой или на волне жидкого припоя . отверстия на плате, в которые вставляются выводы электрорадиоэлементов при монтаже, называют монтажными. Металлизированные отверстия, служащие для соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы, называют переходными.

Применение печатных плат позволяют облегчить настройку аппаратуры и исключить возможность ошибок при ее монтаже, так как расположение проводников и монтажных отверстий одинакого на всех платах данной схемы. Использование печатных плат, обусловливает также возможность уменьшения габаритных размеров аппаратуры, улучшения условий отвода тепла, снижение металлоемкости аппаратуры и обеспечивает другие конструктивно-технологические преимущества по сравнению с объемным монтажом.

К печатным платам предъявляется ряд требований по точности расположения проводящего рисунка, по величине сопротивления изоляции диэлектрика, механической прочности и др. Одним из основных требований является обеспечение способности к пайке,достигаетмое соответствующим выбором гальванического покрытия и технологии металлизации, поэтому в производстве печатных плат особое внимание уделяется химико - гальваническим процессам.

При конструировании РЭА на печатных платах используют следующие методы. Моносхемный применяют для несложной РЭА. В том случае вся электрическая схема располагается на одной ПП. Моносхемный метод имеет ограниченное применение, так как очень сложные ПП неудобны при настройке и ремонте РЭА. Схемно-узловой метод применяют при производстве массовой и серийной РЭА. При этом методе часть электрической схемы, имеющая четкие входные и выходные цепи (каскады УВЧ, УПЧ, блоки развёрток и т.п.), располагается на отдельной плате. Ремонтопригодность таких изделий больше. Недостаток - сложность системы соединительных проводов, связывающих отдельные платы. Функционально-узловой метод применяют в РЭА с использованием микроэлектронных элементов. При этом ПП содержит проводники коммутации функциональных модулей в единую схему. На одной плате можно собрать очень сложную схему. Недостаток этого метода - резкое увеличение сложности ПП. В ряде случаев все проводники не могут быть расположены на одной и даже обеих сторонах платы. При этом используют многослойные печатные платы МПП, объединяющие в единую конструкцию несколько слоёв печатных проводников, разделённых слоями диэлектрика. В соответствии с гостом различают три метода выполнения ПП:

ручной;

полу автоматизированный;

автоматизированный;

Предпочтительными являются полу автоматизированный, автоматизированный методы.

В техническом прогрессе ЭВМ играют значительную роль: они значительно облегчают работу человека в различных областях промышленности, инженерных исследованиях, автоматическом управлении и т.д. Особенностями производства ЭВМ на современном этапе являются: Использование большого количества стандартных элементов. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества - одно из основных требований вычислительного машиностроения. Массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов, унификация элементов создают условия для автоматизации их производства. Высокая трудоёмкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличием большого числа соединений и сложности их выполнения вследствие малых размеров. Наиболее трудоёмким процессом в производстве ЭВМ занимает контроль операций и готового изделия. Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла.

Основными достоинствами печатных плат являются:

Увеличение плотности монтажа и возможность микро-миниатюризации изделий.

Гарантированная стабильность электрических характеристик.

Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.

Унификация и стандартизация конструктивных изделий.

Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

Условия эксплуатации ЭВМ могут быть различными, они зависят в основном от климатических воздействий, которые необходимо учитывать при выборе материалов и конструктивных особенностей ЭВМ, кроме того, они определяют программу и объём контрольных испытаний. Для определения влияния окружающей среды на работу ЭВМ рассматривают следующие зоны климата: умеренную, тропическую, арктическую, морскую. Для ракетной и космической аппаратуры учитывают специфику больших высот.

Исходя из этого наиболее подходящим, является способ изготовления устройства на печатной плате. Так как печатная плата обладает большой поверхностью и будет быстрее охлаждаться, она имеет преимущество перед другими технологиями.

Типы производства:

Единичным называется такое производство, при котором изделие выпускается единичными экземплярами. Характеризуется: Малой номенклатурой изделий, малым объёмом партий, Универсальным оснащение цехов, Рабочими высокой квалификации.

Серийное - характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых повторяющимися партиями сравнительно небольшим объёмом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии различают: мелко средне и крупно серийные производства.

Универсальное - использует специальное оборудование, которое располагается по технологическим группам, Техническая оснастка универсальная, Квалификация рабочих средняя.