Основи електроніки (стр. 24 )

Сучасна мікроелектроніка розвивається в трьох основних напрямах, пов'язаних із створенням та вдосконаленням гібридних інтегральних мікросхем, напівпровідникових інтегральних мікросхем і функціональних пристроїв.

Відповідно до прийнятої термінології мікросхема - це мікроелектронний виріб, що має щільність монтажу не менше п'яти елементів в одному кубічному сантиметрі об'єму, займаючого схемою, і розглядається як єдине конструктивне ціле.

Інтегральна мікросхема (ІМС) є мікросхемою, всі або частина елементів якої неподільно пов'язані і електричноз'єднані між собою так, що пристрій розглядається як єдине ціле.

Гібридна інтегральна мікросхема - це інтегральна мікросхема, частина елементів якої має самостійне конструктивне оформлення.

Напівпровідникова інтегральна мікросхема - інтегральна мікросхема, елементи якої виконані в обсязі і (або) на поверхні напівпровідникового матеріалу,

В залежності від кількості елементів у схемі розрізняють:
ІМС першого ступеня інтеграції, що містять до 10 елементів;
ІМС другого ступеня інтеграції, що містять від 10 до 100 елементів;
ІМС третього ступеня інтеграції, що містять від 100 до 1000 елементів і т. д.
Інтегральні мікросхеми, що містять більше 100 елементів, прийнято називати великими інтегральними схемами (ВІС).

Підвищення ступеня інтеграції мікросхем і пов'язане з цим зменшення розмірів елементів мають певні межі. Інтеграція понад декілька десятків тисяч елементів є економічно недоцільною і технологічно важко здійсненною. Тому вельми перспективним напрямком дальшого розвитку електронної техніки є функціональна мікроелектроніка, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів. В функціональній мікроелектроніці використовуються різноманітні фізичні явища, покладені в основу оптоелектроніки, акустоелектроніки, кріоелектроніки, хемотроніки, магнітоелектроніки та ін.

Ми будемо розглядати переважно фізико-технологічні основи створення інтегральних мікросхем і функціональних пристроїв.

7.2 Конструктивні елементи гібридних ІМС

В сучасних гібридних інтегральних схемах пасивні елементи (резистори, конденсатори, контактні площадки і всерединісхемні з'єднання) виготовляють шляхом послідовного нанесення на підкладку плівок з різних матеріалів, а активні елементи (діоди, транзистори та ін) виконують у вигляді окремих (дискретних) навісних деталей (в мініатюрному або бескорпусном оформленні).

В залежності від товщини плівок розрізняють товстоплівкові (1 ... 25 мкм) і тонкоплівкові гібридні мікросхеми (до 1 мкм). Істотним недоліком товстоплівкових мікросхем є нестабільність номінальних значень величин пасивних мікроелементів і відносно низька щільність монтажу. Тонкі плівки забезпечують щільність монтажу до 200 елементів/см3 і високу точність елементів. Основними конструктивними елементами гібридної інтегральної мікросхеми є:
підкладка, на якій розміщуються пасивні та активні елементи;
пасивна частина з планарним (в одній площині) розположенням плівкових провідників, контактних площадок, резисторів і конденсаторів;

навісні безкорпусні напівпровідникові прилади з гнучкими дротяними виводами або з жорстко фіксованою системою виводів;
навісні мініатюрні пасивні елементи (конденсатори більших номіналів, трансформатори, дроселі), які застосовуються як виключення;
корпус для герметизації мікросхеми та закріплення її видів.

7.3 Пасивні елементи

Підкладки. Як матеріал підкладки найбільш часто використовують скло і кераміку. Вибір цей обумовлений малою питомою електропровідністю, хімічною стійкістю та високою діелектричною міцністю. Для забезпечення хорошого зчеплення плівок з підкладкою останні піддаються ретельній поліровці, травленню в кислотах і промиванні. Крім того, перед нанесенням плівок підкладки очищають шляхом іонного бомбардування безпосередньо в установці для напилення. Підкладка для нанесення гібридної мікросхеми є чотирикутною пластиною довжиною l, шириною b і товщиною s. Встановлено такі розміри підкладок:

Товщина підкладок 0,6; 1,0; 1,6 мм з відхиленнями 0,06 мм.

Підкладки 48 х 60 мм або кратних розмірів використовуються для виготовлення за один технологічний цикл декількох одинакових плівкових схем з подальшим розрізанням на менші плати. Неперпендикулярність сторін не більше 0,1 ... 0,2 мм, непаралельність площин не більше 0,05 мм.

Провідники та контактні площадки. Провідники служать для з'єднання окремих елементів мікросхеми один з одним, а контактні майданчики для з'єднання плівкових і навісних елементів з провідниками, а також для зв'язку із зовнішніми виводами мікросхеми.

Основними вимогами до плівкових провідників і контактних майданчиків є: висока електрична провідність; хороша адгезія до підкладки і гарна здатність до пайки або до зварювання; малий перехідний опір між провідним шаром і іншими елементами мікросхеми; хімічна інертність по відношенню до інших шарів.

Для напилення провідників і контактних площадок рекомендуються золото, срібло, мідь, алюміній і нікель. Для поліпшення адгезії струмопровідних матеріалів до підкладки напилюють підшар хрому, титану, молібдену, заліза та ін.

У конструкції плівкової мікросхеми часто виникає необхідність перетину одного провідника з іншим. Перетин є, по суті, мікроконденсатором, так як між провідниками виникає паразитний емкісний зв'язок. Для ізоляції між провідниками застосовується в більшості випадків моноокись кремнію та халькогенідне скло. Кожний перетин повинен мати опір провідників не більше 0,8 Ом / см, а ємність не більше 2 пФ.

Мінімально допустимі розміри контактної площадки, призначеної для контролю номіналів плівкових елементів, складають 0,3 X 0,3 мм, для підпайки навісних елементів - 0,7 х X 0,7 мм, для зварювання 0,4 х 0, 4 мм. Мінімально допустимі відстані між контактними майданчиками 0,5 мм. Контактним площадкам рекомендується надавати найбільш просту форму, наприклад Г-, Т-і П-подібну.

Рис. 1

Резистори. Плівкові резистори виготовляються з матеріалів, що володіють високим електричним опором і низьким температурним коефіцієнтом опору (ТКС): хрому, ніхрому, танталу, металокераміки, спеціальних провідних фарб на основі вуглецю та ін..

Рис. 1

Зазвичай плівкові резистори мають прямокутну форму. На рис.1 показані дві основні конфігурації плівкових резисторів. Для отримання стабільних плівкових опорів товщина плівки береться 0,01 ... 1 мкм. Дуже тонкі плівки (0,005 мкм) значно змінюють свої параметри в процесі виготовлення та експлуатації схеми. Крім того, подальша дія повітря викликає поверхневе їх окислення, яке призводить до зміни опору. У більш товстих плівках це окислення впливає менше. Однак плівки товщиною більше 1 мкм не забезпечують досить міцного зчеплення з підкладкою.

Для резистора, що має форму прямокутника (рис. 1, а), величина опору визначається виразом

де R - величина опору, Ом; р - питомий опір матеріалу резистивної плівки, Ом / см; b -ширина резистовного шару, см; h - товщина плівки, см.

Очевидно, при одній і тій же товщині резистивної плівки можна отримувати різні опору, що відрізняються один від одного в десятки разів. Для цього достатньо змінювати відношення довжини плівки до її ширині.
Нормалізованої мірою опору плівкового резистора служить поверхневе питомий опір RS (опір, що припадає на квадрат площі резистивної плівки). Одиницею вимірювання такого опору служить величина Ом на квадрат. Значення залежить лише від питомої опору матеріалу і товщини плівки і є величиною постійною для квадрата будь-яких розмірів. Так, при b=l, R=p/h

Фактична величина опору R дорівнює добутку питомого поверхневого опору на число квадратів

Рис.1

Для резистора, виконаного за рис.1, б, опір визначають за формулою

де ώ - ширина резистивних ліній; s - відстань між ними. Ширину резистивної лінії приймають зазвичай не менше 0,2 мм, так як більш вузька лінія може призводити до обривів через дефекти маски або підкладки.

В результаті розрахунку плівкових резисторів повинні бути визначенні ширина і довжина резистивної плівки. Ці величини розчитують за формулами

Вихідними даними для розрахунку є: задана величина опору R, Ом; розрахункове значення потужності розсіювання резистора Р, Вт; максимально допустима питома потужність розсіювання резистивної плівки Руд, Вт/см2; мінімальна ширина плівки b (для резистора, рис. 1, а) або ώ (для резистора, рис.1, б), см. За максимально допустиму питому потужність розсіяння беруть потужність, що припадає на квадрат плівки, при якій температура резистора не перевищує +60 ° С при температурі навколишнього повітря +25 ° С.

Характеристики деяких матеріалів, що застосовуються для виготовлення плівкових резисторів, наведені в табл.1.

Таблиця 1. Електрофізичні властивості деяких плівкових резисторів

Діапазон номіналів плівкових резисторів лежить в межах 50 Ом... 10 МОм.

В процесі настройки мікросхем в деяких випадках необхідно змінити номінал резистора. Для цього на резистивну плівку напилюють перемички, число і розміщення яких залежить від умов підстроювання. Якщо необхідно підлаштувати номінал резистора в сторону збільшення, резистивну плівку частково видаляють хімічним травленням або за допомогою променя лазерної установки підгонки.