Сварка. Склеивание. Производство электронных узлов и приборов. Виды испытаний

Варианты установки:

С осевым расположением выводов на клей, с зазором, с прокладкой, хомутом.

Рисунок 22

Полупроводниковые приборы в металлостеклянных корпусах.

Рисунок 23 - Полупроводниковые приборы в пластмассовых корпусах

Рисунок 24

При установке ЭРЭ с зазором используют: технологическую прокладку 1-1,5 мм, которую после пайки удаляют; за счет формовки выводов, которая удерживает ЭРЭ в определенном положении относительно платы.

Лекция 14

Типовые операции изготовления ТЭЗ

Подготовка навесных элементов.

Установка навесных элементов на ПП.

Получение контактных соединений выводов элементов с печатным монтажем.

Контроль монтажа и функциональных параметров ТЭЗ. 1.Подготовка навесных элементов включает:

Распаковку элементов.

Входной контроль.

Рихтовку.

Формовку

Обрезку

Лужение выводов.

Размещение элементов в технологической таре.

Входной контроль ИМС и ЭРЭ осуществляют выборочно, а для специальной аппаратуры полностью. Основным способом формовки выводов является гибка, в случае механизации которой рабочая часть инструментов (пуансонов, матриц), как правило, соответствует форме выводов. Лужение может осуществляться как до, так и после формовки путем погружения в расплавленный припой. Размещение ЭРЭ и ИМС в технологической таре позволяет повысить производительность сборки ТЭЗ и механизировать установку элементов на ПП. Тарой служит липкая лента, в которую вклеивают ЭРЭ с осевыми выводами. При автоматической сборке ТЭЗ ЭРЭ размещают в ленте в соответствии с программой их установки на ПП. ИМС размещают в специальных кассетах этажерочного типа с последующей установкой в магазины барабанного типа. Причем каждая кассета содержит ИМС одного типа. Для ИМС с планарными выводами технологической тарой может являться тара предприятия поставщика.

Установка навесных элементов на ПП состоит из подачи их в зону установки, ориентации выводов относительно монтажных отверстий или контактных площадок и фиксации в требуемом положении. Производят вручную, механизированным или автоматизированным способом. Вручную устанавливают сначала резисторы, потом конденсаторы, диоды, ИМС и транзисторы. После чего отгибают выводы в разные стороны для фиксации ЭРЭ. Если необходима многократная перепайка ЭРЭ при подборе, то в монтажные отверстия впаивают штыри высокотемпературным припоем. ИМС со штыревыми выводами фиксируют подгибкой двух диагонально расположенных выводов, с планарным - приклеивают к плате флюсом, липкой лентой или помещают в специальные металлические кассеты, размещаемые на плате. При ручной установке ИМС должен быть предусмотрен отвод статического электричества от монтажника с помощью заземленного браслета. Чтобы избежать ошибок при сборке ТЭЗ вручную, со стороны монтажа на ПП способом сеткографии наносят номер и направление установки элемента. Производительность и качество сборки повышаются при использовании устройств со световой индикацией места установки очередного навесного элемента. При этом применяют фотопленку, кадры которой проецируются на поверхность платы, обозначая место установки. Соответствующий кадру элемент подается кассетой, размещенной на транспортном устройстве, дискретное перемещение которого жестко связано с перемещением кадров. Для механизированной установки ЭРЭ и ИМС необходим монтажный стол с двухкоординатным перемещением, устройство установки (укладочная головка, магазин элементов), механизм фиксации элементов и устройство позиционирования стола, содержащее шаблон с отверстиями, соответствующими порядку установки элементов, пантограф для перемещения вручную и позиционирования стола. В магазине элементов размещаются вертикально расположенные кассеты этажерочного типа или лента с вклеенными элементами.

Автоматизированную установку ЭРЭ и ИМС осуществляют на автоматах с ЧПУ, обеспечивающих позиционирование с точностью± 0,025 мм.

Получение контактных соединений выводов элементов с печатным монтажем осуществляют преимущественно пайкой. В серийном производстве используют групповую пайку волной припоя. Технологическая линия включает флюсование (волной, пеной, распылением), предварительный подогрев (для уменьшения термоудара), пайку , промывку и сушку. Перед пайкой производят обезжиривание, погружая в растворитель (спирт + бензин) на 7...10с, и наклейку маски. Защитные маски штампуют из бумажной ленты покрытой костным клеем. Маска имеет необходимые отверстия против мест пайки. Наклеивают маску на плату стороной покрытой клеем, предварительно смочив эту сторону маски водой. Возможен вариант обрезки выводов после пайки.

Качество пайки зависит от формы и динамики волны припоя, направления и относительной скорости движения платы, состава и температуры припоя. Форму волны изменяют с помощью сменных сопл-насадок, через которые происходит его подача (параболическая, лямбда-волна, высокая лямбда-волна). Групповая пайка планарных выводов основана на применении плавающего трафарета, в ячейках которого размещают ИМС, и самоустановки выводов под действием сил поверхностного натяжения. Трафарет защищает ИМС от перегрева. Кроме того, существует пайка при продольном и поперечном перемещении жала паяльника относительно выводов. Целесообразность применения того или иного оборудования определяется программой выпуска, конструктивными особенностями узлов и экономической эффективностью производства. Приняты два способа сборки ТЭЗ: позиционный и поточный. При первом используют универсальное оборудование для крупносерийного производства. Оборудование для сборки ПП м. б. разделено на пять групп:

Оснастка с ручным приводом.

Механизированные установки

Полуавтоматические установки

Автоматические установки

Конвейерные линии

Герметизация узлов

Это совокупность работ по обеспечению работоспособности аппаратуры в процессе производства, хранения и эксплуатации (температура, давление, колебания, биологическая среда, влага, пыль, радиация и др. факторы воздействия). В производстве приборов применяют два метода герметизации узлов: поверхностный и объемный.

Поверхностный - создание тонких покрытий на защищаемых поверхностях и применяется для защиты ЭРЭ и компонентов ИМС, печатного монтажа ТЭЗ и др. узлов. Объемный метод заключается в создании объемных (толстых) защитных покрытий на деталях и узлах сложной конфигурации. Возможно сочетание для создания механически прочной конструкции узла. Герметизируют пассивацией, окислением, неорганическими материалами (стёклами), в вакуумных корпусах, путем капсулирования (заливка компаунда), литьевым прессованием, путем покрытия пленками влагозащитного герметика.

Технология микросхем

Основополагающая идея микроэлектроники - интеграция схемотехнических, конструкторских и технологических решений при достижении заданных эксплутационно-технических параметров. При технологическом проектировании разрабатывается оптимальная структура техпроцесса обработки и сборки ИМС, обеспечивающая воспроизводимость, минимальную трудоемкость и стоимость.

Применяют 2 основных метода изготовления ИМС: полупроводниковый и пленочный. Первый заключается в локальной обработке микроучастков полупроводникового кристалл и придании им свойств, присущим функциям отдельных элементов и их соединений (п/п ИМС). Второй основан на использовании послойного нанесения тонких пленок различных материалов на общее основание (подложку) при одновременном формировании на них схемных элементов и их соединений (пленочных ИМС). Важное преимущество пленочных ИМС - возможность одновременного создания большого количества высококачественных пассивных элементов и соединений между ними, но невозможно выполнение стабильных активных элементов, которые являлись бы органической частью конструкции. В результате комбинирования этих двух методов созданы гибридные интегральные микросхемы (ГИС), в которых используются пленочные пассивные элементы (резистор, конденсатор) и микроминиатюрные активные (транзистор, диод и их сборки). Исторически полупроводниковые ИМС возникли на базе мезатехнологии отдельных элементов (диодов, транзисторов), путем термической диффузии, при которой базовые и эмиттерные области уступами возвышались над коллекторным слоем единой пластины. Использование в дальнейшем технологии диффузии примесей в твердой фазе позволило перейти к групповой технологии, т.е. созданию множества элементов на одной пластине. Это снизило трудоемкость изготовления, стоимость приборов и создало предпосылки перехода к изготовлению п/п ИМС. Разработка процесса фотолитографии и окисного маскирования позволило перейти к планарной технологии, которая обеспечивает выход всех областей элементов схемы (R,C,V,D) на общую плоскость пластинки, и групповой обработке большого количества идентичных схем на общей пластине (групповая пластина).

Лекция 15

Основные понятия и определения (ГОСТ17021-75)

П/п ИМС - это функциональный электронный узел, элементы и соединения которого конструктивно не разделимы и изготавливаются одновременно в едином технологическом процессе в объеме и на поверхности общего кристалла. Объединение их в функциональную схему осуществляют пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединения).



Рисунок 25

Интегральная технология представляет собой совокупность методов обработки, позволяющей при наличии структурного подобия (технологической совместимости (R,C,VT,VD) различных элементов ИМС и формировать их одновременно в едином техпроцессе.

Структура ИМС (МДП, И2Л, КМДП, МДП-КНС, МОП и т.д.) определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающиеся материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. Выпускаемые ИМС в составе одной серии различного функционального назначения имеют единую структуру, т.е. единую базовую технологию: определенная технологическая последовательность обработки, определенный комплект оборудования, отработанная настройка оборудования, жесткие технологические режимы. Функциональное назначение ИМС определяется общей и послойной топологией (межсоединениями областей элементов), а обеспечивается фотолитографией - процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной фотомаски для создания окисной маски для избирательной диффузии примесей n- или p- типа.

Гибридные ИМС

Производство п/п ИМС оказывается целесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда оправданы значительные затраты на подготовку производства (в основном на проектирование и изготовление фотошаблонов). Кроме того имеются ограничения на параметры элементов ИМС: невысокая точность диффузионных резисторов (); невозможность их подгонки; невозможность получения конденсаторов большой емкости; ограничения по мощности и др. Поэтому разрабатывают и выпускают ГИС, которые наиболее распространены в приборостроении. Технологической основой ГИС является нанесение R, C, проводников и контактов в виде пленок соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную подложку (ситал, керамика, стекло) с чистотой обработки Ra=0,01. Активные элементы (VТ,VD) изготавливают по известной полупроводниковой технологии, а затем монтируют на общей подложке.

Рисунок 26

В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонкопленочные и толстопленочные (трафаретная печать) ГИС. ГИС имеют более худшие технологические показатели ( размеры, массу, быстродействие, надежность), чем п/п ИМС, но более дешевые за счет менее жестких требований к трафаретам и фотошаблонам (ФШ), с помощью которых формируют пленочные элементы, и менее дорогостоящее оборудование. Погрешность резисторов ГИС , конденсаторов , а с применением подгонки до . ГИС позволяет реализовать любые функциональные схемы.

Совмещенная ИМС - это интегральная п/п ИМС, в которой некоторые элементы (обычно пассивные) наносят на поверхность пластины (кристалла) методами пленочной технологии.

Рисунок 27

Тенденция развития технологии ИМС

П/п ИМС по сравнению с платами с печатным монтажом имеют лучшие технико-экономические показатели: размеры, массу, надежность, быстродействие и стоимость. С повышением функциональной сложности ИМС показатели улучшаются, т.к. увеличивается число интегральных элементов, т.е. возрастанием степени интеграции, показатель которой К= lg N, где N-число элементов ИМС, определяет ИМС малой, средней степени интеграции, БИС и СБИС. Технологические возможности ограничивают К, т.к. плотность дефектов в пластине определяется качеством ТП и, а первую очередь, процессом фотолитографии. При наличии в слое окисной маски микроотверстий («проколов») примеси проникают через них, образуя в полупроводнике незапланированные легированные микрообласти, которые (в зависимости от их расположения) могут вывести соответствующий элемент ИМС из строя, т. е. и всю ИМС. Причинами образования проколов могут быть неоднородности в светочувствительном слое (частицы пыли, пузырьки и т.д.), а также дефекты рисунка ФШ. Повышение К сопровождается уменьшением площади элементов и совершенствование процесса формирования защитных фотомасок. При изготовлении ФШ также используют фотомаски, к которым предъявляются ещё более жесткие требования. Для повышения качества фотографических процессов в производственных помещениях создают обеспыленную атмосферу, а для производственного персонала устанавливают определенные правила производственной гигиены и сокращают число циклов фотолиторафии. Для выбранной структуры ИМС (МДП, И2Л и т.д.) минимальные размеры элементов ИМС зависят от фотолитографического процесса, который характеризуется 3мя основными параметрами: 1. минимальным размером элемента, надежно воспроизводимом на п/п пластине; 2. предельными отклонениями размеров элементов рисунка одного топологического слоя относительно номинальных; 3. предельным смещением одного топологического слоя относительно предыдущего. Минимальные размеры элементов ограничиваются дифракцией света при экспонировании через ФШ. Поэтому используют излучение с более короткой длиной волны, чем световые (электронные, рентгеновские). Для реализации высоких возможностей электронно- и рентгено-фотолитографии совершенствуют методы травления. Химическое травление окиси кремния имеет большое боковое подтравливание, поэтому перспективным является применение ионной бомбардировки при наличии защитной фотомаски (вакуум - плазменное травление). Для уменьшения погрешности совмещения слоев используют эффект самосовмещения за счет естественных физико-химических механизмов (осаждение из газовой фазы, электролитическое окисление и наращивание, ионное легирование и т.д.). Для разработки сложных функциональных узлов применяют объединение ряда кристаллов ИМС средней степени интеграции с помощью пленочных межсоединений на общей диэлектрической подложке (микросборка). Это большая ГИС.

Высокий процент выхода годных БИС может быть достигнут за счет элементной избыточности. Дублируют составные функциональные части (ячейки) несколько раз в пределах кристалла БИС. После формирования структур создают первый уровень межсоединений и периферийных контактов в пределах каждой ячейки. После контроля определяют дефектные ячейки. Второй, а при необходимости и третий уровень межсоединений объединяет ячейки в общую систему, а дефектные отключают путем разрыва проводников с помощью лазера или фотолитографии. Уменьшение размеров элементов ИМС снижает потребляемую мощность, но снижает быстродействие, помехоустойчивость, надежность и воспроизводимость параметров ИМС даже в пределах одного кристалла из-за флуктуации электрофизических свойств полупроводникового материала. Функциональная микроэлектроника заменяет традиционную совокупностью R, C, VT, VD и обладает более широкими функциональными возможностями. В ней носителем информации является многомерный сигнал, параметрами которого управляют динамические неоднородности среды, возникающие под действием управляющего сигнала. В оптоэлектронных ИМС носителем информации является оптический сигнал, который может быть промодулирован по интенсивности (амплитуде), фазе, поляризации или частоте. Поскольку в качестве управляющих и выходных удобно иметь электрические сигналы, то функциональные ИМС может включать в себя несколько звеньев «фотоэлектронного и электро-фотонного» преобразования. Развитие направлений функциональной микроэлектроники базируется на исследованиях новых полупроводниковых материалов и новых методов их обработки. Поэтому здесь используется весь арсенал технологических методов и средств современной микроэлектроники. Кроме оптоэлектронных ИМС существуют: 1. магнетоэлектронные - возникли с появлением новых магнитных пленок; 2. акустоэлектронные - используют механические, резонансные эффекты, пьезоэффект и взаимодействие электричеких полей с волнами акустических напряжений, поверхностные акустические волны; 3. хемотронное - появились на стыке двух направлений: электрохимии и электроники. Перспективы развития хемотроники - создание информационных и управляющих систем на жидкостной основе, а в более далеком будущем - биопреобразователей информации. 4. криоэлектронные - основаны на взаимодействии э/м поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах (80..0 К). 5. диэлектрические электронные ИМС. При переходе к тонким пленкам металлов и диэлектриков возникают новые явления и закономерности, не проявляющееся в массивных образцах и структурах: создаются управляемые эмиссионные токи, аналогичные токам в вакууме. 6. квантовые микроэлектронные - используют квантовые полупроводниковые генераторы света (лазеры с очень высокой направленностью). 7. биоэлектронные - основаны на моделировании нервной системы человека и животных, которая может быть использована как самая совершенная вычислительная машина, гибко воспринимающая внешнюю информацию независимо от формы, в которой она поступает, высокая надежность, микроминиатюрность, экономичность, высокая степень самоорганизации, приспособленность к новым ситуациям и изменениям программы деятельности.

Технология полупроводниковых ИМС

В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций ТП её изготовление составляет около 200. Т.е. процесс производства ИМС представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет главное значение для ее эффективного функционирования. По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства ИМС, все операции объединяются в самостоятельные (частные) технологические процессы, которые разделяют на три группы:

1. Заготовительные процессы: получение монокристаллических полупроводниковых слитков определенного типа электропроводности и заданного удельного сопротивления, резка слитков на пластины, обработка их поверхностей с заданной микро и макрогеометрией, а также качеством поверхности, изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.

2. Обрабатывающая - объединяет все операции, необходимые для формирования структур ИМС в групповых пластинах и их контроля на функционирование. Сюда входят процессы окисления, диффузии примесей, эпитаксии, ионной инплантации, вакуумного напыления, фотолитографии, технохимической обработки.

3. Сборочно-контрольная - разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, разварка выводов, герметизация, контроль и классификация , механические и климатические испытания, окраска, маркировка, упаковка.

Первая группа процессов является обеспечивающей для 2 и 3, чаще выполняется специализированными предприятиями. Целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специальных цехов или участков на одном предприятии. Вторая группа - интегральная технология также организуется на отдельных участках одного предприятия. Характер и последовательность операций второй группы полностью определяется типом структуры ИМС. Режим обработки на отдельных операциях зависит от толщины и электрофизических свойств слоев и областей структуры. В зависимости от типа и способа формирования транзисторных структур в кристалле различают биполярную и МДП- технологию. Для изготовления п/п ИМС на биполярных транзисторах применяют планарную и планарно-эпитаксиальную технологии, построенные на основе ТП создания транзисторных структур: окислении поверхности кремния, литография, эпитаксиальное наращивание слоев кремния, локальная диффузия легирующих примесей. Планарная технология использует ионное легирование, нитридирование, электронную и рентгеновскую литографию. Разнообразие ТП изготовления биполярных ИМС определяется способом формирования транзисторной структуры и методами изоляции элементов: обратно смешенные р-n-переходы, диэлектрические области, их комбинация. Технология изготовления МДП-ИМС проще и во многом схожа с технологией биполярных ИМС. Отличие состоит в конструктивно-технологических особенностях самих МДП-ИМС. Обладают высокой надежностью, большой функциональной сложностью, меньшие размеры и наиболее распространены в микроэлектронике.



Лекция 16

В биполярной технологии, в зависимости от способа формирования изолирующей области, распространение получили следующие типовые ТП:

Стандартная планарно-эпитаксиальная технология с использованием разделительной диффузии.

КИД-технология, основанная на коллекторной изолирующей диффузии.

БИД-технология, основанная на базовой изолирующей диффузии.

Технология на основе трех фотошаблонов.

Технология на основе двойной диффузии и т.д.

Стандартная технология п/п ИМС

В отечественной промышленности используют пластины кремния диаметром 60-120мм, толщиной 0,2-0,4мм и удельным сопротивлением 1-10 Ом/см.

Операции:

1. Очистка пластины р - типа проводимости (партия 10-20шт) путем химической обработки с последующим травлением и промывкой в деионнизированной или дисцилированной воде (эта промывка перед каждой последующей операцией).

2. Термическое окисление (создание маскирующего оксида кремния).

3. Первая фотолитография для вскрытия окон в слое SiO2. 1 - фоторезист, 2 - фотошаблон, 3 - пробельные места, 4 - окна

4. Диффузия сурьмы или мышьяка на глубину 1-2 мкм для формирования хорошо проводящей n-области под коллектором будущего транзистора

5. Удаление SiO2.

6. Эпитаксиальное наращивание слоя кремния n-типа хлоридным методом в эпитаксиальных реакторах при температуре 12000С.

7. Термическое окисление SiO2.

8. Фотолитография.

9. Разделительная диффузия бора для изоляции n-областей.

10. Удаление SiO2.

11. Термическое окисление.

12. Фотолитография.

13. Диффузия бора для создания базовых областей транзисторов р-типа, резисторов, диодов в изолированных n-облостях.

14. Получение диффузией фосфора n-областей (базовых), которые служат эмиттерными контактами к коллекторным облостям, а иногда и внутрисхемными соединениями.

15. Oчистка поверхности от окиси.

16. Нанесение защитного оксида толщиной 1 мм.

17. Фотолитография.

18. Металлизация алюминием для создания топологии ИМС.

19. Оксидирование и фотолитография

20. Контроль на функционирования с помощью зондовых установок, метят брак краской.

21. Деление на кристаллы, из которых годные идут на сборку.

По этой технологии изготавливают различные типы биполярных ИМС (ТТЛ, ТТЛШ, ЭЛС, И2Л и др.).

Технология МДП и КМДП-ИМС имеет особенности по сравнению с биполярной:

Отсутствуют операции по изоляции элементов структур, т.к. в МДП происходит самоизоляция.

Внутрисхемные соединения выполняют не только с помощью алюминиевых металлических слоев, но и высоколегированных диффузионных слоев кремния и материала затвора (молибдена, поликристаллического кремния), т.е. значительно проще задача многослойной разводки.

3. Возможно легко создать в одном кристалле МДП транзисторы с n и p типом электропроводности канала, что позволяет изготовлять МДП-ИМС с большими функциональными возможностями на комплементарных структурах (КМДП-ИМС).

4. Совмещение фотошаблонов при фотолитографии, диффузия, окисление и др. операции требуют прецизионного проведения, т.к. размеры МДП- транзисторов значительно меньше.

5. количество операций на 30% меньше

6. Меньше число высокотемпературных процессов, что увеличивает процент выхода годных ИМС.

ИМС на МДП-транзисторах изготавливают по планарной технологии: окисление поверхности кремния, фотолитография слоя оксида и диффузии примесей во вскрытые окна. Возможны три метода технологии ИМС, содержащей МДП-транзисторы с каналами n и p-типов:

создание «карманов» p-типа в кремнии n-типа с помощью селективной диффузии.

создание «карманов» p-типа в кремнии n-типа с помощью эпитаксии.

соединение между собой МДП-транзисторов, изготовленных на пластинах различного типа электропроводности.



Рисунок 28

Технология МДП-ИМС с каналом p-типа( p-канальная технология):

1. Очистка поверхности пластины n-типа.

2. Термическое окисление (маскирующий слой SiO2)

3. Фотолитография окон под области истока и стока -(а).

4. Диффузия 1-2 мкм бора для создания высоколегированных p+ областей стока и истока -(б).

5. Фотолитография окон под тонкий слой диэлектрика под затвором.

6. Термическое окисление в сухом кислороде для создания SiO2 под затвором.

7. Фотолитография окон под контакты со стоком и истоком - (в, г).

8. Металлизация алюминием для создания ИМС с топологией - (д).

На базе технологии ИМС первой и второй степени интеграции базируется технология БИС и СБИС путем уменьшения геометрических размеров элементов и сокращения площади изолирующих областей.

Отличительной особенностью технологии БИС и СБИС является усовершенствование существующих и использование новых ТП и материалов:

Применение новых методов фотолитографии ( оптических и неоптических), позволяющих экспонировать элементы с размерами единицы и доли микрометра.

замена жидкостного травления сухим травлением, обеспечивающим формирование структур с более высокой точностью.

применение многослойных резистов с целью компенсации неровностей поверхности пластины, приводящих к нарушению точной литографии.

использование лазерной и электронно-лучевой обработки с цель очистки материалов, уменьшения в них дефектов и формирования структурных элементов БИС.

применение многослойных внутренних соединений (многоуровневой разводки) металлических пленок, легированных слоев монокристаллического и поликристаллического кремния, низкоомного силицидов и тугоплавких металлов.

Применения пластин большого диаметра до 152мм.

Лекция 17

Технология ГИС. Общая характеристика.

Для высокой воспроизводимости параметров пленочных элементов необходима чистота исходных материалов и отсутствие загрязнений пленок при осаждении, задания шероховатость поверхности подложки, технологический метод испарения напыляемого материала д.б. универсальным.

В производстве тонкопленочных ГИС как и на п/п ИМС используют фотолитографию, но с более низкими требованиями к разрешающей способности, точности размеров элементов и совмещения , дефектности ФШ. Производство подложек, деталей и узлов корпуса, компонентов ГИС осуществляют на специализированных предприятиях. Технология тонкопленочных ГИС сводится к двум процессам: осаждению пленок в вакууме и фотолитографической обработке. К производственным участкам цеха тонкопленочных ГИС относятся:

Участки очистки и контроля подложек, подготовки испарителей, навесок-мишеней.

Изготовления ФШ и масок -трафаретов

Вакуумного напыления.

Фотолитографии.

Сборки и монтажа.

Герметизации.

Контроля электрических параметров.

Маркирования, лакирования, упаковки.

При толстопленочной технологии ГИС используют дешевый и высокопроизводительный метод сеткографической печати элементов пассивной части. Здесь не требуется сложного оборудования, высокой квалификации персонала, стоимость операции низкая и трудоемкость мала, мала и длительность производственного цикла, степень автоматизации процесса высокая, возможно и просто создавать многоуровневые схемы, малы капитальные затраты на подготовку производства и невелик срок их окупаемости.

При организации на предприятии единого производства тонко и толсто пленочных ГИС появляется возможность создавать общие производственные участки: очистки подложек, изготовления ФШ и сетчатых трафаретов, измерения и подгонки элементов, резки подложек, сборки и монтажа, функционального контроля, герметизации, маркирования и лакирования.

Специальными являются участки подготовки паст, а также изготовления пассивной части (сеткографии и термообработки).



Основы термического вакуумного напыления

Рисунок 29

Вещество подлежащее напылению помещают в устройство нагрева (испаритель). В вакууме (10-4 Па) молекулы свободно и быстро распространяются в пространстве, достигая подложки. Если температура подложки меньше критической, то происходит конденсация вещества, т.е. рост пленки. На начальном этапе заслонкой перекрывают поток на подложку во избежание загрязнения пленки за счет примесей, адсорбированных поверхностью испаряемого вещества, а так же для вывода испарителя на рабочую температуру.

В процессе осаждения контролируются: время напыления, толщина, электрическое сопротивление и т.д. После достижения заданного параметра заслонка опять перекрывает поток. Нагрев подложки перед напылением способствует десорбции загрязнений с поверхности, а в процессе напыления создает условия для улучшения структуры пленки. Время осаждения 1-2 мин на одну подложку.

Процесс напыления делят на 3 стадии: испарение, перенос к подложке и конденсация.

I стадия

Испарение вещества имеет место при любой температуре. Наибольшую вероятность покинуть поверхность имеют наиболее “нагретые” молекулы,

т. е. обладающие большей энергией. С повышением tє средняя энергия молекул возрастает и на поверхности увеличивается число молекул, энергия которых превышает энергию связи с другими молекулами, т. к. на поверхности она меньше, чем в объеме. Для некоторых веществ tє испарения меньше tє плавления. Если допустить, что процесс испарения протекает в камере с сильно нагретыми стенками, не конденсирующими пар (отражают молекулы вещества), то процесс испарения становится равновесным, т. е. число покидающих и возвращающихся молекул равно. Давление пара Ps, соответствующее равновесному состоянию системы называется давлением насыщенного пара или его упругостью. Практика показала, что процессы осаждения происходят с приемлемой скоростью при Ps=1.3 Па, при этом tє вещества называют условной tє испарения.

Испарители должны обеспечивать:

Стабильность и равномерность потока вещества во времени

Нагрев материала с наименьшими потерями энергии (кондуктивными и излучательными) и материальных затрат

Независимость от формы испаряемого образца (проволока, гранулы, порошок)

Необходимую емкость для проведения цикла многопозиционной обработки или непрерывности процесса напыления

Регулировку режимов испарения

tє плавления материала испарителя намного большую испаряемого и невзаимодействие с ним

Материал нагревают прямым и косвенным путем. Прямой: осуществляют резистивным нагревом пропущенным током, индукционным способом или электронной бомбардировкой. Косвенный: за счет теплопередачи от испарителя, который нагревают током, индукционным методом или электронной бомбардировкой.

Прямой токовый (резистивный) нагрев для металлов, у которых tє испарения < tє плавления. Испаряют хром, титан, кадмий, цинк, марганец.

Рисунок 30

Индукционный нагрев: быстро выводит испаритель на режим при больших количествах испаряемого материала за счет вихревых токов. Но высокая стоимость, сложность эксплуатации, мал КПД, необходимо соблюдать меры безопасности от ВЧ излучения.

Рисунок 31

Наиболее экономичны электронно-лучевые испарители (ЭЛИ). Нагрев за счет торможения потока электронов с энергией до 10 КэВ. Фокусировка концентрирует большую мощность на малой площади, что позволяет испарять тугоплавкие материалы (тантал, вольфрам, молибден, окись алюминия и др.) Локализация зоны испарения позволяет использовать массивные образцы в виде проволоки. Основная часть образца - холодная, что исключает загрязнение материала при контакте с держателем.

Рисунок 32 - 1 - катушки, 2 - полюса электромагнитов, 3 - поток электронов, 4 - корпус-анод, 5 - формирующие пластины, 6 - катод - вольфрамовая нить, 7 - управляющий вывод

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 33



Анод относительно катода имеет потенциал несколько киловольт. Формируется ленточный пучок электронов. Система катушек с полюсами отклоняет пучок. В зависимости от направления полюсов можно поочередно (меняя Uпитания катушек) испарять вещество в 2-х точках А и Б. Применяют для испарения материалов с высокой теплопроводимостью (медь, золото, серебро, аллюминий)

Испарители с резистивным косвенным нагревом бывают проволочные и ленточные. Проволочные (из Та, Мо) используют для испарения небольших количеств вещества. Ленточные - для навесок до нескольких граммов вещества и испарения порошкообразных материалов методом микродозирования вибропитателем путем последовательного сбрасывания доз на испаритель с определенной частотой.

Испарители в виде тиглей применяют для загрузки больших количеств материала (несколько граммов и более) из Та, Мо, Nb, керамики, графита, кварцевого стекла и др. Нагревают тигль вольфрамовой проволокой, которая охватывает его или армирована.

II стадия

Перенос вещества к подложке. Движение молекул испаряемого вещества к подложке должно быть, как можно прямолинейнее, чтобы обеспечить высокий коэффициент использования материала, особенно драгоценного. Это повышает и скорость роста пленки на подложке. Для этого необходим глубокий вакуум, чтобы исключить столкновение молекул вещества с молекулами остаточного газа на пути движения и его химическое взаимодействие, и адсорбцию на пленке для повышения чистоты пленки. Производительность и стоимость средств откачки до самых низких давлений снижает экономичность процесса напыления. Экономичным для производственных условий является вакуум Па,создаваемый с помощью форвакуумного насоса, включенного последовательно с диффузионным паромасляным насосом. Поскольку время откачки достигает 1-2 часа, процесс напыления эффективен при обработке большого количества подложек (последовательно или одновременно) за один вакуумный цикл. Поэтому производственные вакуумные установки всегда выполняют многопозиционными.

Форма молекулярного пучка (диаграмма направленности испарителя) влияет на коэффициент использования материала и равномерность толщины пленки. Следовательно, плотность потока молекул должна быть одинаковой в плоскости подложки. Важную роль в деформировании молекулярных потоков играют отражатели, поверхность которых нагрета до температуры близкой к tє испарителя, т. е. они становятся как бы вторичными испарителями путем отражения молекул. Этот метод используется при последовательной обработке неподвижных подложек. По мере испарения вещества интенсивность потока и диаграмма направленности для большинства испарителей меняется. В результате при последовательной обработке неподвижных подложек происходит разброс параметров пленки в пределах партии одного вакуумного цикла. Для повышения воспроизводимости подложки устанавливают на вращающийся диск - карусель.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 34



При вращении подложки поочередно многократно проходят над испарителем и уменьшается влияние нестабильности диаграммы. Из-за пространственной неоднородности потока на карусели выравнивается только в направлении движения подложки. Поэтому используют диафрагму, установленную между испарителем и каруселью (диск или барабан).

В зависимости от принятого метода формирования элементов (фотолитографического или масочного), а также характера вакуумного цикла при масочном методе (послойный или полный цикл напыления слоев) возможны три варианта компоновки подложек и масок - трафаретов:

При напылении сплошного слоя (с последующей фотолитографией) подложки фиксируют в подложкодержателях, которые в свою очередь установлены на вращающемся диске или барабане.

При избирательном напылении через трафарет одного слоя за вакуумный цикл подложки и трафареты монтируют в общих держателях - кассетах, которые обеспечивают их взаимное совмещение и установку на вращающемся диске или барабане.

При избирательном напылении через трафареты всех слоев за один вакуумный цикл подложки фиксируют в подложкодержателях, которые устанавливают на поворотном фиксирующем диске (над испарителями). С очередным трафаретом подложку совмещают за счет поворота диска с подложками на одну позицию и опускания его на диск с трафаретами.

Лекция 18

Маски - трафареты, формирующие элементы пассивной части микросхем, должны иметь высокую точность размеров прорезей (до5 мкм) при ширине прорези до 100 мкм, быть достаточно прочными и упругими при толщине до 100 мкм, обладать высокой чистотой поверхности и плоскостностью, обеспечивающими плотное прилегание к подложке, нагревостойкостью в условиях вакуума (не деформироваться, не допускать газовыделения и не испаряться). Используют медные сплавы, нержавеющую сталь, молибден и другие материалы. Для изготовления прорезей используют фотохимический метод, электроэрозионную обработку, обработку электронным лучом. Сквозное травление прорезей ~ 0.1 мм приводит к значительному боковому растравливанию. Поэтому для повышения точности применяют биметаллические трафареты, в которых основной рисунок формируют в тонком слое никеля (10 мкм), а основание из БрБ-2 выполняет лишь конструктивные функции.

III стадия

Конденсация вещества на подложке состоит из двух этапов: начального - с момента адсорбции первых атомов (молекул) вещества подложкой до момента образования сплошного покрытия и завершающего - на котором происходит рост пленки до заданной толщины. Условия, в которых протекает начальный этап, имеют определяющее значение для структуры получаемой пленки, прочности ее сцепления с подложкой, времени формирования пленки.

Современные технические средства не позволяют наблюдать эту стадию и носят гипотетический характер, а математическое описание, естественно, приближенный и неполный характер: атомы вещества, покинувшие поверхность испарителя движутся к подложке со скоростью порядка сотен - тысяч метров в секунду. При столкновении с подложкой атом передает ей часть энергии. Причем доля этой энергии тем меньше, чем выше tє подложки.

Обладая избытком энергии, атом некоторое время перемещается (мигрирует) по поверхности подложки, теряя постепенно энергию и стремясь к тепловому равновесию с подложкой, т. е. переходит в адсорбированное состояние.

В зависимости от характера электрического поля потенциального рельефа адсорбированный атом может, потеряв значительную часть избыточной энергии, закрепиться (сконденсироваться) на подложке, хотя вероятность этого процесса для одного атома мала. Конденсация вещества начинается при перенасыщении пара на подложке, т. к. если плотность потока высокая и (или) tє подложки низкая, то вероятность испарения с подложки понижается, а вероятность встречи атомов на подложке возрастает. При этом образуются атомные группы, более устойчивые к повторному испарению, т. к. их кинетическая энергия частично еще и переходит в потенциальную энергию связи. Зародышем будущей пленки такой группы может стать, если ее размер превышает некоторый критический, при котором вероятность конденсации (окончательного закрепления на подложке) превышает вероятность распада группы на атомы. Минимальная степень перенасыщения пара, необходимая для образования зародышей от температуры, химической природы, структуры и чистоты поверхности подложки и устанавливается экспериментально при отладке техпроцесса. Разрастаясь, отдельные островки - зародыши сливаются и образуют сплошную пленку. От поверхности пленки атомы почти не отражаются. Факторы, по которым оценивают качество и надежность пленки, является прочность ее сцепления с подложкой (адгезия). Необходимым условием хорошей адгезии является очистка подложки от органических и неорганических загрязнений. Адгезия пленки с подложкой заметно возрастает, если на начальном этапе осаждения имеет место хемосорбция, т. е. адсорбция с образованием химических связей атомов вещества с подложкой. Хемосорбция на подложке (ситал, керамика, стекло) происходит при осаждении окислов, а также металлов, легко вступающих во взаимодействие с кислородом(Al, Gr, Mn, Ti, W). Эти металлы при осаждении создают своеобразный “клеящий ” подслой для будущей пленки. Чистота пленки характеризуется пористостью, которая возникает за счет поглощения пленкой остаточных газов и материала испарителя. В процессе эксплуатации микросхем эти включения десорбируют и возникает нестабильность параметров ГИС (старение). Для повышения чистоты пленки удаляют адсорбированные молекулы воздуха путем нагрева подложки и очистку бомбардировкой поверхности ионами инертного газа. Десорбция газа с подложки может происходить за счет энергии атомов осаждаемого вещества, если она превышает энергию связей молекул газа с подложкой. Такие возможности заложены в ионно - термическом методе осаждения, где дополнительную энергию атомы вещества приобретают в результате ионизации и ускорения в электрическом поле. Более перспективным является ионно - кластерный метод осаждения, при котором ионизации подвергаются не отдельные атомы, а многоатомные частицы (кластеры).

Основные этапы процесса подготовки подложки к осаждению:

Установка подложек в подложкодержателе и загрузка испарителя материалом.

Герметизация камеры и откачка воздуха.

Нагрев подложки до заданной tє и испарителя до tє испарения при закрытой заслонке.

Ионная очистка поверхности подложки.

Открытие заслонки и контролируемое осаждение.

Типовые техпроцессы изготовления тонкопленочных ГИС (пассивных)

Масочный ТП наиболее распространен в серийном производстве; основан на осаждении пленок через съемные маски каждого слоя из одного материала. При этом нанесение пленок осуществляют термическим испарением или ионно - плазменным напылением. ТП включает следующие операции:

Нанесение через маски резистивного материала

Нанесение через маски проводящего материала

Формирование трехслойной структуры пленочных конденсаторов

Нанесение защитного слоя

Фотолитографический процесс основан на нанесении нескольких слоев пленок различных материалов в вакууме в виде сплошных покрытий с последующим получением конфигурации каждого слоя методом фотолитографии. Этот метод по точности и плотности размещения элементов превосходит масочный. Однако сложно проводить после каждой фотолитографии очистку от травителей, влияет травитель на другие слои. Поэтому изготавливают 2-хслойные ГИС. ТП:

Наносят сплошной резистивный слой

Наносят слой материала контактных площадок и соединений

Наносят слой фоторезиста

Экспонирование

Проявляют

Химическое травление контактных площадок и соединений

Получение конфигурации резисторов (фотолитографией)

Формирование защитного слоя с помощью фоторезиста

В процессах фотолитографии применяют как негативные, так и позитивные фоторезисты. Данный ТП широко используется при изготовлении цифровых ИМС.

Комбинированный ТП основан на комбинации фотолитографического и масочного способов. Фотолитографию используют для формирования пленочных элементов сложной конфигурации, а масочный для простой и тех, которые невозможно изготовить фотолитографией. ТП включает:

Напыление сплошного резистивного слоя

Напыление в 2-3 слоя для внутренних схемных соединений

Первая фотолитография для формирования контактных площадок и внутренних соединений

Вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов

Через маски напыляют нижние обкладки, диэлектрик и верхние обкладки конденсаторов в одном вакуумном цикле

Формирование защитного слоя, либо напыление через маски, либо фотолитографией после нанесения защитного покрытия

Электронно-лучевая технология. Применяют электродную гравировку ИМС, содержащих только пленочные резисторы и соединения. ТП:

Напыление сплошного слоя резистивной пленки

Напыление проводящего слоя

1-ое фрезерование для получения проводников

2-ое фрезерование - резисторов

Возможна автоматизация процесса путем управления лучом электронов магнитным или электрическим полем по заданной программе. Используют для получения резисторов с высокой точностью и соединений.

Танталовая технология. Металлические пленки из тантала являются исходным материалом для формирования катодным распылением проводящих, резистивных и емкостных элементов. Так, применяя реактивное катодное распыление, получают пленки с большим диапазоном удельного сопротивления, используя анодирование пленок тантала - диэлектрические слои. Т. о. преимущества этой технологии следующие:

Используется один материал - тантал

Пленки стабильны и надежны во времени

Анодированием получают диэлектрик для конденсаторов, защиту резисторов и корректировку их номинала

Высокое поверхностное сопротивление достигается при низком ТКC и достаточной стабильности

Пленка Ta2O5 обладает высокой электрической прочностью, высоким значением диэлектрической проницаемости, невосприимчивостью к влаге и высокой добротностью

Тантал невосприимчив к радиации

Однако практически невозможно изготовление многослойных структур, т. к. при фотолитографической обработке нарушаются геометрические размеры нижних слоев тантала.

Лекция 19

Типовой ТП танталовой технологии:

Катодным распылением наносят сплошную пленку тантала.

Фотолитография проводников и нижней обкладки конденсаторов.

Очистка от фоторезиста и нанесение термическим испарением сплошного слоя алюминия.

Фотолитография алюминиевой контактной маски, фоторезист не удаляют с поверхности алюминия.

Электролитическое анодирование для наращивания на незащищенных участках окиси тантала Ta2O5, служащего диэлектриком для конденсаторов и защиты резистов от коррозии.

Удаление фоторезиста с алюминиевой пленки.

Осаждение сплошной пленки Al.

Фотолитография внешних обкладок конденсаторов.

В других вариантах типового ТП для получения конфигураций проводящих пленок используют съемные диэлектрические маски и электронно-лучевую гравировку.

Типовой техпроцесс изготовления толстопленочной ГИС.

Изготовление подложки.

Подготовка поверхности подложки.

Нанесение пасты для проводников и нижних обкладок конденсаторов.

Вжигание пасты проводников.

Нанесение пасты диэлектриков.

Вжигание пасты диэлектриков.

Нанесение пасты для верхних обкладок конденсаторов.

Вжигание пасты верхних обкладок конденсаторов.

Нанесение пасты для резисторов.

Вжигание резистивной пасты.

Армирование подложки выводами.

Подгонка резисторов до заданного номинала.

Монтаж компонентов.

Присоединение выводов.

Контроль электрических параметров.

Герметизация.

Маркировка.

Контроль параметров ГИС.

Испытания.

Упаковка.

Пасты изготавливают из порошков с заданной композицией. Приготовление порошков исходных материалов осуществляют по специально разработанной для каждого материала технологии. После каждого нанесения пасты подложку, с нанесенной пастой, помещают в кассету и устанавливают в печь для вжигания (600-800°С). tє вжигания и время поддерживают строго по ТП в зависимости от материала. Подгонку толсто- и тонкопленочных элементов ГИС осуществляют удалением материала элемента и путем изменения структуры пленки. Кроме того, она может быть плавной и дискретной. Бывают: групповые способы подгонки, основанные на изменении электрофизических свойств пленки по всей рабочей зоне элементов путем термообработки, воздействием электронного луча, плазмы тлеющего разряда и др. и толщины - термообработкой на воздухе и в среде кислорода, анодным и химическим окислением и анодным травлением пленок. Способы индивидуальной подгонки основаны на изменении свойств и толщины пленок (главным образом резистивных) и формы контуров элементов. Изменение свойств и толщины реализуют термотоковой обработкой, лучом лазера, анодным и химическим окислением. Контур элементов обрабатывают механически вращающимся бором, пескоструйной обработкой (толстопленочных), высокочастотной эрозией, электронно-лучевой, лазерной обработкой локального участка пленочного элемента.

Сборка ИМС

Сборка - самая трудоемкая в технологии ИМС. Ее можно разделить на 4 этапа:

Ориентированное разделение пластин и подложек со сформированными элементами на кристаллы и платы

Монтаж на плату кристаллов ИМС или компонентов (ГИС)

Монтаж кристаллов или плат на основание корпусов, посадочные площадки выводных рамок и т. д. и присоединение выводов

Защита ИМС

Для монтажа кристаллов используют два метода:

Прямого монтажа и перевернутого кристалла. Присоединение выводов осуществляют также двумя способами: гибкий (проволочный) и жесткий (беспроволочный)

Разделение пластин п/п ИМС и подложек ПК. Методы:

Скайбирование алмазным резцом и ломка, сквозная резка алмазными дисками, резка лазерным лучом (лазерное скайбирование). Особенность этих процессов: точность ориентации линий реза между площадками занятыми единичными структурами, обеспечение целостности элементов и металлизации ИМС за счет сведения к минимуму механических напряжений за линией реза; сохранение ориентации разделенных кристаллов и плат, воспроизводимость точности размеров и форм, получение минимальной ширины линии реза.

Скайбирование алмазным резцом осуществляют в 2 стадии:

Резцом с алмазной рабочей частью наносят риски (царапины). Пластину (подложку) помещают в вакуумный прижим, ориентируют в горизонтальной плоскости и перемещают резец под соответствующим давлением, нанося риски в двух перпендикулярных направлениях. Вдоль риски в толще материала появляются механические напряжения и возникают деформации и микротрещины.

Ломка - разламывание по ослабленным рисками местам - производится либо в ручную с помощью резиновых валиков (подпружиненных роликов), либо машинным способом с помощью полусферы, который более качествен. Для сохранения взаимного расположения кристаллов (плат) после разделения на них с обратной стороны предварительно наносят эластичную адгезивную пленку. Сначала разделение идет на полосы, а после поворота на 90є на кристаллы или платы. При резке лазерным лучом отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал. Проводят либо лазерное скайбирование, либо сквозной проход по всей толщине. При этом существенно повышается производительность труда, качество резки, кристаллы имеют почти вертикальные боковые поверхности, оплавление на краях кристалла благоприятно сказывается на его качестве. Для разделения п/п пластин на кристаллы применяют также химическое травление кремния после предварительного маскирования.

Монтаж кристаллов и плат. Метод прямого монтажа. Кристаллы ИМС на основания корпусов, посадочные площадки выводных рамок (лент), плат ГИС и компоненты монтируют рабочей поверхностью вверх. Монтаж должен обеспечивать высокую механическую прочность соединения, хороший теплоотвод от кристалла (платы, компонента). Если необходимо высокую проводимость места соединения, то монтаж проводят пайкой твердым припоем или легкоплавким стеклом в зависимости от типа корпуса и необходимости электрического контакта кристалла с корпусом.

...