Гибридные интегральные микросхемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОЛДАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ И ИНЖЕНЕРИИ

РЕФЕРАТ

«ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ»

Выполнил: Руденко Я.

Проверил: Ватаву С.

Кишинэу, 2022

Содержание

транзистор интегральный микросхема полупроводниковый

Введение

Конструкция гибридных ИМС

1. Навесные безкорпусные полупроводниковые приборы с жесткофиксированной системой выводов

2. Подложки для гибридных ИМС

3. Пленочные резисторы

4. Пленочные конденсаторы

Применение. Заключение

Приложения

Библиография

Введение

Применение интегральных микросхем позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры в несколько раз, а микропроцессоров - в десятки и сотни раз. Это объясняется тем, что размеры элементов интегральных микросхем составляют единицы и десятые доли микрометра. Малые габариты интегральных микросхем и малое потребление ими электрической энергии позволяют осуществить комплексную микроминиатюризацию всех компонентов электронной аппаратуры. Разработаны и применяются миниатюрные трансформаторы, переключатели, разъемы, провода и кабели, индуктивные катушки и другие радиодетали.

Используют два основных метода создания интегральных микросхем:

· метод локального воздействия на микроучастки полупроводникового кристалла (твердого тела) и придания им свойств, соответствующих функциям микроэлемента и их соединений (полупроводниковые интегральные микросхемы, часто неправильно называемые твердыми);

Рис 1 Полупроводниковые ИМС

· метод образования микросхем в твердом теле посредством послойного нанесения тонких пленок различных материалов на общее основание (подложку) с одновременным формированием из них микроэлементов и их соединений (пленочные интегральные микросхемы).

Рис 2 Пленочная ИМС

Эти два различных технологических метода являются не конкурирующими, а дополняющими друг друга. Их комбинирование привело к разработке схем нового типа -- гибридных интегральных микросхем, в которых используются микроминиатюрные дискретные активные элементы (транзисторы, диоды и их сборки).

По технологическому принципу изготовления гибридные ИМС подразделяются на:

· Толстопленочные (толщина пленок 10-70 мкм)

· Тонкопленочные (толщина пленок < 1 мкм)

При изготовлении толстопленочных микросхем на изолирующую подложку наносят через сетку-трафарет проводящие, резистивные и диэлектрические композиции с последующим вжиганием (резисторы, конденсаторы, проводники). При изготовлении тонкопленочных микросхем пассивные элементы получают путем последовательного нанесения проводящих, резистивных и диэлектрических слоев толщиной порядка десятых и сотых долей микрометра. Необходимая конфигурация элементов в этом случае достигается либо с помощью трафаретов в процессе нанесения пленки, либо путем избирательного химического травления сплошной пленки.

Конструкция гибридных ИМС

Основными конструктивными элементами гибридной ИМС являются:

· подложка, на которой размещаются пассивные и активные элементы;

· пленочные резисторы, конденсаторы, проводники, контактные площадки;

· навесные безкорпусные полупроводниковые приборы (или кристалл полупроводниковой ИМС) с гибкими проволочными выводами или с жестко фиксированной системой выводов (типа шариков и балок);

· навесные миниатюрные пассивные элементы (конденсаторы с емкостями больших номиналов, трансформаторы, дроссели), которые применяют в исключительных случаях;

· корпус для герметизации микросхемы и закрепления ее выводов.

Оптимальная конструкция гибридной ИМС определяется различными факторами: плотностью упаковки элементов, мощностью рассеяния, номиналами элементов и допусками на них, процентом выхода годных изделий, стоимостью и др.

1. Навесные безкорпусные полупроводниковые приборы с жесткофиксированной системой выводов

Следует отметить, что использование активных элементов с гибкими выводами затрудняет автоматизацию и механизацию этих операций. Поэтому в настоящее время помимо проведения работ по механизации и автоматизации сборки микросхем с гибкими выводами применяют полупроводниковые приборы с жесткими выводами. Наибольшее распространение получили приборы с шариковыми и балочными выводами.

Рис 2

В безкорпусном транзисторе с шариковыми выводами (рис. 2, а) шарики диаметром 50--100 мкм соединены с контактными площадками транзистора, а через них с тем или иным слоем кремния: эмиттерным (Э), базовым (Б) или коллекторным (К). Шарики изготовляют из золота, меди или сплава Sn -- Sb. Из того же материала на диэлектрической подложке гибридной ИМС делают контактные столбики высотой 10--15 мкм и диаметром 150--200 мкм, расположенные в точном соответствии с расположением шариков на кристалле кремния (рис. 2, б). Соединение шариков со столбиками осуществляется методом перевернутого кристалла, при котором кристалл транзистора переворачивается шариками вниз и накладывается на столбики подложки (рис. 2, в). Подогревая шарики и столбики корпусного транзистора при определенном давлении, балочными выводами получают их прочное соединение между собой. За одну операцию получают все три необходимых соединения. Количество соединений при таком монтаже вдвое меньше, чем при проволочном, а транзистор не требует специального места на подложке.

Рис 3 Конструкция безкорпусного транзистора с балочными выводами

Хорошие результаты дают ИМС при использовании бескорпусных транзисторов с бал очными, выводами (рис. 3). В этом случае контактные площадки продлены за пределы кристалла и нависают над его краями на 100--150 мкм (отсюда и название -- балки). Толщина балок (10--15 мкм) значительно больше толщины металлической разводки на кристалле. Поэтому их получают не напылением, а электрохимическим осаждением золота (с подслоем из титана). Длина балочных выводов 200--250 мкм (включая выступ), а ширина такая же, как у обычных контактных площадок (50--200 мкм). Монтаж приборов с балочными выводами может осуществляться так же, как и приборов с шариковыми выводами -- методом перевернутого кристалла. При этом выступающие балки хорошо видны и их совмещение с контактными площадками на подложке не представляет затруднений и является более надежным. Несмотря на то что изготовление шариковых и балочных выводов сложнее и дороже, чем проволочных, они позволяют существенно упростить и удешевить сборочные операции (самые дорогие в технологическом цикле), а также повысить надежность, увеличить выход годных изделий.

2. Подложки для гибридных ИМС

Подложки в пленочных микросхемах играют важную роль. Во-первых, подложка является конструктивной основой пленочной микросхемы. На нее наносят в виде тонких пленок пассивные элементы и размещают контакты для подключения микросхемы в аппаратуру. Во-вторых, материал подложки и его обработка оказывают существенное влияние на параметры осаждаемых пленочных слоев и надежность всей микросхемы.

К материалу подложки предъявляются следующие основные требования: высокое удельное электрическое сопротивление, механическая прочность при небольших толщинах, химическая инертность к осаждаемым веществам, высокая физическая и химическая стойкость при нагревании до нескольких сотри градусов, отсутствие газовыделений в вакууме, хорошая полируемость поверхности и, наконец, недифицитность и невысокая стоимость. Кроме того, коэффициент термического расширения материала подложки должен быть по возможности близок к коэффициенту термического расширения напыляемых материалов. Для изготовления подложек выбирают лишь стекло и керамику. Из стекол лучшими для подложек являются боросиликатные и алюмосиликатные сорта. Путем листового проката этих стекол получают достаточно гладкую поверхность, не прибегая к полировке. К недостаткам подложек из стекла следует отнести плохую теплопроводность, что не позволяет применять их при повышенных мощностях нагрева. При интенсивном нагреве предпочтительнее стекло типа «Пирекс», а также кварц и кварцевое стекло.

Основным преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными является их высокая теплопроводность. Так, керамика на основе окиси бериллия имеет в 200--250 раз большую теплопроводность, чем стекло. Однако даже незначительная добавка некоторых примесей (например, окиси алюминия) резко снижает ее теплопроводность. Недостатком керамики является большая шероховатость ее поверхности. Микронеровности необработанной керамики достигают нескольких сотен нанометров и значительно снижаются после полировки, однако последняя может загрязнить поверхность и изменить свойства керамики.

В настоящее время все большее применение для подложек пленочных микросхем находят такие материалы, как ситалл и фотоситалл.

Ситалл представляет собой стеклокерамический материал, получаемый термообработкой (кристаллизацией) стекла. В отличие от большинства высокопрочных кристаллических материалов он хорошо обрабатывается. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом. Температурный коэффициент линейного расширения ситалла порядка 5 * 10^-6 1/°С в интервале температур + 20 - 300° С, теплопроводность составляет 3,4 * 10^-3 Вт/ (м * К), диэлектрическая проницаемость равна 8--9, тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 х 10⁶ Гц и температуре + 20° С порядка 2 х 10^-3. Температура деформации ситалла выше, чем температура начала размягчения исходного стекла. Ситалл выдерживает резкие перепады температур в воздушной среде: от -- 60° С до + 700° С. Он обладает высоким электрическим сопротивлением, которое несколько уменьшается с повышением температуры. По электрической прочности ситалл не уступает лучшим образцам вакуумной керамики. По механической прочности этот материал в 2--3 разапрочнее стекла. Ситалл имеет высокую сопротивляемость истиранию, обладает высокой химической стойкостью к кислотам.

Рис 4 Ситалл для подложек

Фотоситалл -- это стеклокристаллический материал, получаемый путем кристаллизации светочувствительного стекла. Основными составными частями фотоситалла являются окиси кремния (75%), лития (11,5%), алюминия (10%) и калия (3,5%) с небольшими добавками азотнокислого серебра и двуокиси церия. Фотоситалл устойчив к кислотам, обладает высокой механической и термической стойкостью. Его теплопроводность в несколько раз превышает теплопроводность ситалла, температурный коэффициент линейного расширения в диапазоне температур 20--120° С составляет 9 х 10^-6 °C, удельное объемное сопротивление при 150° С равно 10⁹ -- 10¹⁰ Ом * см.

Рис 5 Подложки для гибридных ИМС

Подложки, применяемые для гибридных ИМС, имеют, как правило квадратную и прямоугольную формы (рис 5.) Рекомендуются следующие размеры подложек

Толщину d подложек рекомендуется принимать равной 0,6 и 1,6 мм.

Поверхность подложки характеризуется двумя параметрами: плоскостностью и микрорельефом. Применяемые подложки микросхем имеют в большинстве случаев удовлетворительную плоскостность, и основное внимание уделяется микрорельефу. Очень важно, чтобы поверхность пленки имела возможно меньшие неровности по высоте и, главное, была бы без резких выступов и впадин. Диэлектрические пленки особенно чувствительны даже к единичному незначительному дефекту на поверхности подложки. Высота гребешков микрорельефа допускается не более 250 нм. Микрорельеф меньше влияет на резистивные пленки, чем на емкостные элементы микросхемы. Это связано с тем, что поры и другие единичные дефекты составляют, как правило, лишь небольшую часть ширины полоски сопротивления и обычно не вызывают обрывов или чрезмерной концентрации тока в этих местах.

3. Пленочные резисторы

В гибридных ИМС широко используют тонкопленочные резисторы, которые наносят на подложки в виде узких полосок (или иных конфигураций), заканчивающихся контактными площадками с высокой проводимостью (рис. 6). Качество резистивных пленок оценивают удельным поверхностным сопротивлением . Значение , зависит от удельного сопротивления материала и толщины пленки и является постоянным для пленочного резистора квадратной формы любых размеров. Действительно, если принять, что сторона квадрата пленки из материала с удельным сопротивлением . равна а, а толщина d, то сопротивление

где R имеет размерность Ом/квадрат.

Ширину резистивной линии принимают обычно не менее 0,2 мм, так как более узкая линия может приводить к обрывам из-за дефектов маски или подложки, а также из-за наличия случайных пылинок.

Рис 6 Конструкция тонкопленочных резисторов

Материал, используемый для изготовления резистивных пленок, должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени сопротивлений, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления и высокой коррозионной стойкостью. При напылении он должен образовывать тонкие, четкие линии с хорошей повторяемостью их от образца к образцу.

Рис 7 Зависимость удельного сопротивления от её толщины: I - область туннельного эффекта, II - область нарушенной поверхности, III - область объемных свойств

На рис. 7 показана типичная зависимость удельного сопротивления пленки от ее толщины. При малых толщинах свойства пленки существенно зависят от характера микронеровностей на поверхности подложки. В этой области могут наблюдаться нарушения непрерывности структуры пленки. Проводимость здесь обусловлена туннельным эффектом и термоэлектронной эмиссией между отдельными кристаллитами. Наиболее целесообразно использовать пленки такой толщины, при которой становятся заметными их объемные свойства. В этом случае легче регулировать толщину пленки, а нарушения поверхности не имеют большого значения. Тонкопленочные резисторы можно изготовлять из металлов, сплавов (в том числе многокомпонентных), полупроводников и керметов (смесей металлов с керамикой).

4. Пленочные конденсаторы

Рис 8 Общий вид тонкопленочного конденсатора: 1 - верхняя проводящая обкладка, 2 - диэлектрическая пленка, 3 - нижняя проводящая обкладка, 4 - подложка

Пленочные конденсаторы гибридных ИМС изготовляют в большинстве случаев вакуумным напылением. При этом требуется по меньшей мере три напыления: нижней проводящей обкладки, диэлектрической пленки и верхней проводящей обкладки (рис.8) В пленочных конденсаторах больше двух обкладок применять не рекомендуется, так как это затрудняет процесс их изготовления и удорожает стоимость. Емкость пленочного конденсатора определяется по формуле плоского конденсатора:

где C - емкость, пФ; - диэлектрическая проницаемость; S - площадь обкладки, см²

d - толщина диэлектрика, см.

Если число обкладок равно n, то емкость конденсатора

Основным элементом пленочного конденсатора, определяющим его параметры и свойства, является диэлектрик. В качестве диэлектрика применяют изоляционные материалы, способные образовывать непористые тонкие пленки, обладающие необходимыми электрофизическими свойствами. Материал для изготовления диэлектрических пленок должен удовлетворять следующим основным требованиям: прочно сцепляться с материалом подложки и металлами, быть плотным и не подвергаться механическому разрушению при воздействии температурных циклов, иметь высокое пробивное напряжение и малые диэлектрические потери, обладать высокой диэлектрической проницаемостью и минимальной гигроскопичностью, а также не разлагаться в процессе испарения и осадения. Кроме того, желательно, чтобы температура испарения материала лежала в диапазоне 1000 -- 1800° С, поскольку более низкая температура свидетельствует о недопустимо высокой подвижности атомов, а при более высокой температуре испарения возникают трудности в создании испарителей. Исследования показали, что указанным требованиям удовлетворяет лишь небольшое число диэлектриков. Наиболее часто применяют моноокись кремния SiO, трехсернистую сурьму Sb₂S₃, моноокись германия GeO. Можно использовать также сульфид цинка ZnS, фтористый магний MgF₂ и некоторые редкоземельные окислы и фтористые соединения.

Пленки моноокиси кремния имеют высокое пробивное напряжение (до 150 В/мкм) и диэлектрическую проницаемость, равную 5--6. Наиболее стабильные пленки моноокиси кремния можно получить при температурах испарения 1250--1400° С или при более низких температурах, если во время осаждения в камеру добавить водяной пар.

Однако при этом пленки более гигроскопичны. Следует отметить положительный эффект тепловой обработки пленочных конденсаторов с диэлектриком из моноокиси кремния.

Рис 9 Зависимость диэлектрической проницаемости пленочного конденсатора на основе окиси кремния: а - от температуры на разных частотах; б - от скорости осаждения(1,2,3 - до тепловой обработки; 4,5 - после отжига при 400 ^оС в течении 30 мин)

На рис. 9 приведены сравнительные температурные зависимости диэлектрической проницаемости пленочного конденсатора на основе окиси кремния на разных частотах до тепловой обработки и после отжига на воздухе при 400° С в течение 30 мин. Исследования показали, что наилучшим материалом для обкладок пленочного конденсатора является алюминий. Этот металл по сравнению с другими (например, никелем, хромом, золотом) дает значительно меньшее число коротких замыканий. Это объясняется низкой температурой испарения алюминия и пониженной подвижностью его атомов на поверхности подложки из-за тенденции к окислению. Диэлектрические пленки можно получать термическим испарением в вакууме (из резистивного испарителя или с помощью электронного луча), катодным напылением, анодированием осажденных на подложку металлических пленок, химическим осаждением -- реакцией в газовой фазе и полимеризацией адсорбированных на подложке мономеров. Термическое испарение в вакууме -- наиболее простой и производительный метод изготовления пленочных конденсаторов, резистивных и коммутационных элементов. Основное преимущество этого метода -- унификация технологических операций получения различных элементов, возможность создания микросхемы в едином технологическом цикле.

Применение. Заключение

В аналоговой аппаратуре гибридные ИМС по сравнению с полупроводниковыми ИМС имеют более широкие схемотехнические возможности благодаря использованию различных навесных компонентов (полупроводниковых ИМС, транзисторов, конденсаторов, индуктивных катушек и т.д.). Гибридные ИМС позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем - усилителей, преобразователей, коммутаторов, вторичных источников питания, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства.

Гибридная технология микроэлектронных устройств развивается и совершенствуется в направлении создания конструкций, обеспечивающих высокую плотность и точность монтажа полупроводниковых БИС и СБИС и хороший теплоотвод от этих компонентов. Определенные преимущества дает сочетание в одном изделие тонкопленочной и толстопленочной технологии, получившей название дегибридной.

Таким образом, гибридные ИМС - широко распространенный, постоянно совершенствующийся, развивающийся конструктивно-технологический вариант изготовления изделий микроэлектроники. Создание гибридных ИМС - одна из ступеней микроминиатюризации микроэлектронных устройств, комплексов и систем, перспективное направление развития научно-технического прогресса в области микроэлектроники.

Приложения

Библиография

1. И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь «Основы микроэлектроники», Санкт-Петербург, Краснодар, Москва, 2008 год

2. Степаненко И., «Основы микроэлектроники», Мю: Лаборатория базовых знаний, 2001 год

3. "Микроэлектроника: Учебное пособие для вузов. «Гибридные интегральные микросхемы» Л.А. Коледов, Э.М. Ильина. М.: Высш. шк., 1987.

4. Курносов А.И. "Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем". М., 1979.

Размещено на Allbest.ru