Гібридні інтегральні мікросхеми

 

Реферат

В даній курсовій роботі розкрита тема «Гібридні інтегральні мікросхеми». Розкрито будову, способи виготовлення та основні проблеми при виготовленні гібридних інтегральних мікросхем.

Дана робота містить два розділи: «Підкладки та елементи гібридних інтегральних мікросхем» (містить два підрозділи) та «Технологія виробництва гібридних інтегральних мікросхем» (містить чотири підрозділи). В роботі присутні: одна таблиця та десять рисунків. На останній сторінці наведено одинадцять джерел літератури використаних для виконання даної роботи.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: ГІМС, підкладка, тонка плівка, товста плівка, фотолітографія, напилення, розпилення, маска, ракель.

 

 

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………………..4

1 Підкладки та елементи гібридних інтегральних мікросхем…………………....5

1.1. Підкладки ГІМС…………………………………………………………..5

1.2. Елементи ГІМС……………………………………………………………6

2 Технологія виробництва гібридних інтегральних мікросхем…………….......14

2.1. Технологія виробництва тонко-плівкових гібридних інтегральних мікросхем…………………………………………………………………………….14

2.2. Технологія виробництва товсто-плівкових гібридних інтегральних мікросхем…………………………………………………………………………….18

2.3. Нанесення тонких плівок вакуумі………………………………………19

2.4. Нанесення товстих плівок……………………………………………….23

Висновки……………………………………………………………………………….28

Список літератури…………………………………………………………………….29

 

 

Вступ

Гібридна  інтегральниа схема - інтегральна схема, в якій поряд з нероз’ємними елементами, на поверхні або в об'ємі підкладки, використовуються навісні мікромініатюрні елементи (транзистори, діоди, котушки індуктивності та ін.) 
Залежно від методу виготовлення нероз'ємно пов'язаних елементів розрізняють гібридні плівкову і напівпровідникову інтегральні схеми.

На даний час накопичено достатньо досвіду в технології мікропроцесорних виробів, для того щоб визначити, який з конструктивно-технологічних варіантів більш за все відповідає певному типу схеми.

Більш всього для виготовлення за тонко-плівковою технологією підходять мікросхеми, в яких кількість пасивних елементів набагато перевищує кількість активних. Більшість логічних схем містить значну кількість активних елементів, тому для їх виготовлення використовують технологію напівпровідникових інтегральних мікросхем. Однак, лінійні та аналогові схеми складаються, як правило, з переважаючої кількості пасивних елементів та декількох транзисторів, тому їх краще виготовляти у вигляді гібридних мікросхем.

Плівкові резистори та конденсатори мають набагато кращі параметри, коефіцієнти та інші властивості ніж напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Часто неможливо обійтись без навісних елементів: котушок індуктивності, дроселів, трансформаторів, а також конденсаторів чи резисторів з великим номіналом. У таких випадках перевага надається гібридним мікросхемам.

Кращі параметри плівкових пасивних елементів та навісних компонентів разом з надійною ізоляцією забезпечують гібридним мікросхемам перевагу над напівпровідниковими.

Отже, розглянемо складові елементи гібридних інтегральних мікросхем та їх взаємодію між собою більш детально. 

1. Елементи і компоненти гібридних інтегральних мікросхем.

1.1. Підкладки гібридних інтегральних мікросхем

Підкладки ГІМС є діелектричною і механічною основою для плівкових і навісних елементів і служать тепловідводом. Матеріал підкладки повинен мати такі властивості і характеристики:

1) високий опор ізоляції та електричну міцність;

2) великий коефіцієнт теплопровідності для ефективної передачі теплоти від тепловиділяючих елементів (резисторів, діодів, транзисторів) до корпусу мікросхеми;

3) достатню механічну міцність;

4) стійкість до дії хімічних реактивів у процесі підготовки поверхні підкладки перед нанесенням плівок;

5) стійкість до нагрівання в процесі нанесення тонких плівок і термообробки товстих плівок;

6) здатність до механічної обробки (різання й т.д.).

На даний час немає такого матеріалу, який би в повній мірі задовольняв би цим різноманітним вимогам. Найбільш підходящими матеріалами для підкладок являються деякі типи стекол та кераміки; широкого використовується набув сітал і його різновид – фотосітал. Сітал являє собою склокерамічний матеріал, отриманий в процесі кристалізації скла, який має ряд позитивних властивостей скла та кераміки, а також від легко обороблюється.

Структура матеріалу підкладки і стан її поверхні впливають на параметри плівкових елементів. Велика шорсткість поверхні підкладки знижує надійність тонкоплівкових резисторів і конденсаторів, тому що мікронерівності зменшують товщину резисторних і діелектричних плівок. При товщині плівок близько 100 нм допускається висота мікронерівностей близько до 25 нм. Товсті плівки мають товщину 10 - 50 мкм, тому підкладки для товстоплівкових ІМС можуть мати мікронерівності до 1 - 2 мкм.

 

 

Таблиця 1 Властивості основних матеріалів підкладок.

Матеріал	Водопоглинання за 24 год, % (не менше)	Температурний коефіцієнт в інтервалі розширення температур,( 1/град *10^-7)	Діелектрична проникність, ε	Тангенс кута діелектричних втрат tgγ		Електрична міцність Е, кВ/мм (більше)
			Т=20°C і f=1мГЦ
Боросилікатне скло С48-3	0.001	48 ± 2 (20 - 300 °C)	7.1		12÷15·  ·10-4	40
Сітал (СТ50-1)	0.001	50 ± 2 (20 - 300 °C)	8.3-8.5		12÷20·  ·10-4	40
Кераміка 22ХС	0.05	60 ± 5 (20 - 200 °C)	10.3		Менші ніж 8·10-4	50
		70 ± 5 (70 - 500 °C)
		75 ± 5 (20 - 900 °C)

 

 

1.2. Элементи ГІМС

ГІМС складається з ізолюючої підкладки, на поверхні якої розміщені плівкові елементи (резистори, конденсатори, спіралі індуктивності, провідники і контактні майданчики), а також навісні безкорпусні мініатюрні активні (транзистори, діоди, напівпровідникові ІМС і БІС) і пасивні (конденсатори, котушки індуктивності і т.д.) компоненти. Для захисту від різноманітних пошкоджень ГІС поміщають в корпус.

Плівкові резистори. Плівковий резистор розташовують на поверхні діелектричної підкладки. Конструктивно він складається з резистивної плівки певної конфігурації і контактних майданчиків. Розміри контактної області повинні вибиратися такими, щоб при найгірших сполученнях геометричних розмірів резистивного шару і контактних площадок резистивна і провідна плівки перекривалися, забезпечуючи малий перехідний опір контакту в резисторах з малим опором. В якості резистивних матеріалів тонкоплівкових резисторів використовують чисті метали і сплави з високим електричним опором, а також спеціальні матеріали - кермети, які складаються з частинок металу і діелектрика (наприклад, Cr і SiO). Широко поширені плівки хрому і танталу. На основі керметів, до складу яких входять хром і монооксид кремнію, отримують резистори з великим опором. Для виготовлення товстоплівкових резисторів застосовують пасти, що складаються з порошку скла, наповнювача і органічної зв'язки. Найбільш широко використовують свинцеве і цинкове боросилікатне скло. Як наповнювач резистивних паст застосовують срібло, паладій і їх сплави.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 Конфігурація плівкових резисторів:

1. Підкладка
2. Контактний майданчик
3. Плівка резистора

 

Резистори, що підганяються. Часто, для того щоб отримати резистор потрібного номінального опору, над готовим виробом поводять спеціальні операції підгонки. Можливий частковий покрив резистора оксидом для того щоб зменшити сумарний опір поверхні, також використовують інші методи, які будуть розглянуті далі.

Застосовують плавну і ступінчасту підгонку опору резисторів. Плавна підгонка забезпечує точність до сотих доль відсотка, ступінчаста – до одиниць відсотків. Плавну підгонку опору тонко-плівкових резисторів здійснюють, змінюючи або питомий поверхневий опір, або форму резистивної плівки.

Питомий поверхневий опір змінюють шляхом термічної, хімічної або механічної дії на матеріал плівки. Форму резистивної плівки коректують шляхом видалення частини резистивного матеріалу.

Ступінчаста підгонка опору здійснюється видаленням металевих перемичок в секціях що підганаються. Найбільш поширений спосіб плавної підгонки, пов'язаний із зміною геометрії резистора лазерним променем. В процесі підгонки частина плівки віддаляється і опір збільшується. При лазерній підгонці спочатку проводять грубу підгонку випалюванням плівки упоперек, потім точну – уздовж резистора; випалювання резистивної плівки під кутом дозволяє сумістити грубу і точну підгонку. Для підгонки вибирають заготовку з завідомо більшим опором, для того, щоб досягти потрібного результату.

Рисунок 2 Тонкоплівкові резистори після лазерної обробки.

а) – з ділянкою точної підгонки

б) – з підгонкою під кутом

Плівкові конденсатори. Такі конденсатори належать до найбільш поширених елементів ГІМС. Конструктивно ці конденсатори є тришаровою структурою метал – діелектрик – метал (МДМ-структура) і складаються з нижнього і верхнього обкладань, розділених шаром діелектричного матеріалу.

До конструкції конденсаторів пред'являються наступні конструктивно-технологічні вимоги:

1. Мінімальні габарити;

2. Відтворюваність характеристик в процесі виробництва;

3. Сумісність технічних процесів виготовлення конденсаторів з технологічними процесами виготовлення інших елементів ГІМС.

Характеристики конденсаторів визначаються властивостями використовуваних матеріалів. До діелектрика конденсаторів пред'являються наступні вимоги:

1. Високі – діелектрична проникність, електрична міцність і опір ізоляції;
2. Малі – температурний коефіцієнт діелектричної проникності і діелектричні втрати;
3. Хороша адгезія;
4. Сумісність з технологічними процесами виготовлення інших елементів мікросхем.

Розглянемо деякі показники які враховуються при виборі підкладок конденсатора.

Температурний коефіцієнт ємності плівкових конденсаторів майже повністю визначається температурним коефіцієнтом діелектричної проникності діелектрика, яка для більшості використовуваних в якості діелектрика конденсатора лежить в межах від -60·10^-6 до +500·10^-6 °С^-1.

Коефіцієнт старіння визначає зміну ємності конденсатора в зв’язку зміни властивостей плівкового діелектрика з часом, для використовуваних матеріалів звичайно дорівнює (1…5) ·10^-5 ч^-1.

Робоча напруга плівкового конденсатора U_роб забезпечується підбором матеріалу діелектричної плівки з необхідним значенням електричної міцності (див. таблицю 1) Е та необхідною товщиною плівки d. Товщина діелектрика визначається за формулою.

 

                                                    (1.1),

 

де К_з – коефіцієнт запасу, необхідний для забезпечення надійності характеристик і дорівнює (3…10), U_роб – робоча напруга, Е – електрична міцність матеріалу.

Діелектрик конденсатора формується методами термічного напилення, іонно-плазмового і реактивного розпилювання. Для виготовлення діелектричних тонких плівок застосовують монооксиди кремнію SiO і германію GеO, оксиди алюмінію Al₂O₃, танталу Ta₂O₅, титана TiO₂ і рідкоземельних металів. Високі питомі ємкості мають титанати барію і кальцію. При виготовленні діелектричних шарів товстоплівкових конденсаторів використовують пасти, які містять титанат барію або діоксид титану, що мають високу діелектричну проникність.

Матеріал обкладок конденсатора повинен задовольняти наступним вимогам: мати низький електричний опір обкладань, хорошу адгезію, володіти низькою міграційною рухливістю атомів, високою корозійною стійкістю. Найчастіше в якості обкладок плівкового конденсатора використовують стрічки з алюмінієвої фольги, а діелектриком між ними служить стрічка з полістиролу або фторопласту.

Конденсатори, що підганяються. Іноді виникає необхідність конструювання плівкових конденсаторів з підвищеною точністю відтворення ємкості, що перевершує технологічні можливості способу їх виготовлення, а також конденсатори, ємкість яких може змінюватися в певних межах.

Рисунок 3. Конструкції конденсаторів що підганяються.

1 – верхня обкладка;

2 – секції що підганяються;

3 – нижня обкладка;

4 – діелектрик;

5 – проволочна перемичка.

Підгонка може здійснюватися як у бік зменшення (відрізка секцій, рисунок 3, а, г, д), так і у бік збільшення (підключення секцій, рисунок 3, б, в) ємкості. Конструкція конденсатора, що підганяється, має секції що підганяються. Їх можна довільно розміщувати по сторонах верхньої обкладки. При підгонці можливе збільшення ємкості конденсатора за допомогою дротяних перемичок. Додаткова ємність визначається площею обкладання секції, що додатково підключається.

Плівкові індуктивні елементи. Такі елементи широко поширені в аналогових ГІМС. Індуктивні елементи входять до складу коливальних контурів автогенераторів, смугових фільтрів, ланцюгів корекції частотних характеристик і так далі. Товщина плівкової спіралі залежить від робочої частоти і визначається глибиною проникнення електромагнітної хвилі в матеріал плівкового провідника. Для виготовлення плівкових спіралей застосовують матеріали з високою електропровідністю.