Материал: Элементы толстопленочной технологии

Холодная сварка осуществляется за счёт пластической деформации без дополнительного нагрева. Для получения прочного соединения посредством холодной сварки необходимо обеспечить точную подгонку соединяемых деталей, высокую чистоту свариваемых поверхностей и требуемую степень деформации, которая зависит от физико-химических свойств свариваемых материалов. Этот способ сварки достаточно универсален, он используется для соединения металлических изделий (проволоки, стержней, полос, тонкостенных оболочек) и деталей из неметаллических материалов (смолы, пластмассы, стекла и т.п.).

Ультразвуковая сварка основана на использовании механических колебаний с частотой 15 - 170 кГц. При таком способе сварки к местам соединения свариваемых поверхностей с помощью волновода или посредством металлического стержня подводят ультразвуковые (УЗ) колебания, возбуждаемые магнитострикционным преобразователем. При УЗ сварке прочное соединение образуется при совместном воздействии на свариваемые детали механических колебаний и небольших сдавливающих усилий. Этот метод позволяет соединять фольгу со стеклом и керамикой, сваривать между собой листы фольги из чистого алюминия, меди, серебра и золота, а также тонкие проволочки из этих металлов и их сплавов с металлическими плёнками и полупроводниковыми материалами. Кроме того, с помощью УЗ можно получить сварные соединения из ниобия, вольфрама и молибдена, из многих термопластичных полимеров, в частности полистирола. Ультразвуковая сварка применяется для выполнения монтажа гибкими проводниками, присоединения кристалла к корпусу полупроводникового прибора, беспроволочного монтажа интегральных схем, присоединения плоских выводов к кремниевым кристаллам диодов.

Термокомпрессионная сварка производится с нагревом свариваемых материалов и последующим сжатием их. При таком способе сварки один из свариваемых материалов должен обладать достаточно высокой пластичностью.

Диффузионная сварка основана на использовании явления диффузии. Выполняется в вакууме при разряжении 1 - 10 мПа с нагреванием места сварки до 0,4 - 0,8 от температуры плавления свариваемых материалов; при сварке разнородных материалов температуpa нагрева определяется по Тпл менее тугоплавкого материала. Сварка происходит за счёт взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях соединяемых деталей с тщательно защищёнными и пригнанными поверхностями. Таким способом можно сваривать большинство твёрдых материалов - как однородных, так и разнородных. При соединении трудно свариваемой пары материалов используется промежуточная прокладка. Диффузионная сварка обеспечивает вакуумплотные, термостойкие и вибропрочные соединения при сохранении высокой точности, формы и геометрических размеров изделия; широко применяется при cварке термокомпенсаторов кристаллов, катодных ножек, замедляющих систем и др. узлов и элементов электронных приборов.

Сегодня мы все реже сталкиваемся с отдельными пассив-ными и активными элементами, поскольку собрать из них достаточно сложную систему, выполняющую значимое функциональное преобразование входного или принимаемого сигнала не реально.

Все чаще нам приходится решать проблемы с привлечением оптотехники, фотоники, а теперь и нанотехнологии. Поэтому, завершая рассмотрение курса, обратимся к основным задачам, решаемым интегральной электроникой.

. Задачи и принципы микроэлектроники (МЭ)

МЭ как исторический этап развития электроники характерна органическим единством физических, технологических (точнее, конструктивно-технологических) и схемотехнических аспектов. Поэтому разработка ИС требует знаний и физиков-технологов (разработчиков отдельных полупроводниковых приборов), схемотехников (разработчиков функциональных узлов из элементарных радиодеталей) и ряда других.

Именно МЭ - является сегодня основным направлением развития электроники и обеспечивает принципиально новый путь решения назревших задач в освоении космоса и океанских глубин, атомной энергетики и вычислительной техники, автоматизации производства, радиовещании и телевидении, в изучении живых организмов и т.п. Основой этого мощного научного направления следует считать электронику - это область науки, техники и производства, охватывающая исследования и разработку электронных приборов и принципов их использования и микроэлектронику - это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку интегральных микросхем и принципов их применения качественно нового типа электронных приборов.

Таким образом, интегральная микросхема - (или просто ИС) - есть совокупность взаимосвязанных компонентов (транзисторов - Vт, диодов - Vд, конденсаторов - С, резисторов - R и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле (одновременно), на одной и той же (несущей конструкции) подложке, представляющее конструктивно законченное изделие электронной техники и выполняющее определенную функцию преобразования информации. (Если в состав ИС входят однотипные компоненты, то ее называют сборной или набором соответствующих компонентов V, C, R). Компоненты, которые входят в состав ИС называют элементами ИС или интегральными элементами, в отличие от дискретных компонентов и соответственно дискретных схем.

В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых радиоэлектронной аппаратурой (РЭА). На определенном этапе решение задач в дискретном схемотехническом варианте становится невозможным.

Пример: Требуется создать РЭА, содержащее 108 компонентов.

Пусть средняя мощность элемента (1980 г) 15 мВт, размеры с учетом соединения 1 см3, масса 1 г, цена 50 коп, вероятность отказа 10-5 ч-1.

Результат: Мощность РЭА 1,5 МВт, габариты 100 м3, масса 100 т, стоимость (без учета труда) 50 млн. руб.

Такая разработка нерациональна для народного хозяйства, выделяемая мощность не может быть рассеяна в указанном объеме, срок исполнения 10 чел./лет, а средняя частота отказа 103 ч-1, т.е. около 1 отказа за 3 секунды - т.е. устройство неработоспособно.

Задача может быть решена лишь методом микроэлектроники, основополагающая идея которой - интеграция компонентов - зародилась еще в недрах дискретной транзисторной техники.

В процессе развития МЭ, начиная с 1980 г., номенклатура ИС непрерывно изменялась. При этом отдельные типы ИС нередко рассматривались как альтернативные, т.е. исключающие все другие. Сегодня каждый из основных типов ИС занял свое место, относительно стабильное.

По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые ИС - это микросхема, элементы кото-рой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной МЭ рис. 3.

Пленочная ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные (толщиной пленок до 1 - 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок 10 - 20 мкм и более).

Рис. 3

Поскольку пленочная технология не позволяет получить активные элементы (со стабильными параметрами) типа транзисторов, то пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Чтобы преодолеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными дискретными компонентами, располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Тогда получается смешанная пленочно-дискретная ИС - ее называют гибридной.

Гибридная ИС (ГИС) - это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные элементы, входящие в состав ИС называют навесными. В качестве навесных элементов могут служить и полупроводниковые ИС, т.е. компоненты повышенной функциональной сложности.

Существует и еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и пленочные интегральные элементы, так называемые совмещенные.

Совмещенная ИС - это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у пленочных).

Такие схемы выгодны в случае, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей, эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения осуществляются с помощью тонких металлических полосок. Процесс нанесения соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений - металлической разводкой.

Степень интеграции ГИС может быть очень высокой. Существуют большие ГИС (БГИС), что означает использование в ГИС в качестве навесных компонентов не отдельных транзисторов, а целых ИС. Поэтому функциональные возможности БГИС могут значительно превосходить отдельные ИС и даже БИС.

Остановимся на полупроводниковых ИС, т.к. они, как показано выше, могут выступать и в качестве отдельных навесных элементов ГИС.

В настоящее время различают два класса полупровод-никовых ИС: биполярные ИС и МДП ИС (их сочетание на одном кристалле является особым случаем). Технология полупроводниковых ИС обоих классов основана на легировании полупроводниковой (кремниевой, GaAs) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости и р-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р-n-переходы - в диодных и транзисторных структурах.

Основным элементом биполярных ИС является n-р-n-транзистор: на его изготовление ориентируются весь технологи-ческий цикл. Все другие элементы должны изготавливаться по возможности, одновременно, без дополнительных технологических операций. Так, резисторы изготавливаются одновременно с базовым слоем n-р-n-транзистора и поэтому имеют ту же глубину, что и базовый слой. В качестве конденсаторов используются обратносмещенные р-n-переходы, в которых слои соответствуют коллекторному слою n-р-n-транзистора, а слои р- базовому. Для биполярных ИС существуют 5 различных способов включения транзистора в качестве диода (эмиттерный переход, коллекторный переход, база и параллельное соединение эмиттера коллектора, соединение эмиттер с базой и коллектор, соединенные коллектор с базой и эмиттер). В логических схемах широко используются динамические нагрузки в виде указанных элементов в качестве резисторов.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивности и тем более трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо физическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС лежат в пределах 1,5х1,5 мм2 до 6х6 мм2, она определяется сложностью реализуемой ИС (для БИС и СБИС площадь может быть в десятки раз большей). Понятно, что при одной и той же площади кристалла увеличить число элементов можно, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. В 2000 - 2005 г.г. максимально достигнута степень интеграции (5 - 10)×107 элементов на кристалле. Ее рост - одна из главных тенденций в микроэлектронике. Применяемые при изготовлении интегральных микросхем технологические процессы имеют групповой характер, т.е. одновременно изготавливается большое число микросхем.

Для количественной характеристики степени интеграции иногда используют условный коэффициент k = lgN, где N - степень интеграции. Если k ≤ 1, схему называют простой ИС, если 1 < k ≤ 2 - средней ИС или СИС, если 2 < k ≤ 3 - большой ИС или БИС, а если k > 3 - сверхбольшой ИС или СБИС.

Кроме степени интеграции используют еще такой показатель, как плотность упаковки - количество элементов на единицу площади кристалла. Этот показатель, который характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время составляет > 10000 - 100000 элем./мм2.

Особенности ИС как нового типа электронных приборов:

ИС самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию (усилить, преобразовать, запомнить…).

Функциональная сложность ИС не отражается на основных показателях (надежность, стоимость…) [все элементы выпол-няются в едином технологическом цикле и количество операций не больше чем для выполнения одного самого сложного прибора].

ИС состоит преимущественно из активных элементов работающих и в качестве пассивных (R, C, Vд).

Так как в ИС расстояние между соседними элементами 0,2 - 5 мкм, то все параметры взаимосвязаны - коррелированны (определены едиными электрофизическими свойствами материалов).

В процессе развития МЭ появилось немало специфических элементов ИС, которые не имеют аналогов в транзисторной схемотехнике и выпускаются в качестве дискретных полупровод-никовых приборов (многоэмиттерный транзистор, ПЗС, флэшь память и др.). ИС, в которых используются такие элементы, не могут быть даже промоделированы на дискретных компонентах.

Обозначения ИМС

Каждый конструктивно-технологический вариант ИС согласно ОСТ 11.073.915-80 имеет следующие обозначения: 1, 5, 6, 7 - полупроводниковые, 2, 4, 8 - гибридные, 3 - пленочные и некоторые др. ИМС (например, вакуумные, керамические).

По функциональному назначению ИМС подразделяют на группы (Г - генераторы, Д - детекторы, К - коммутаторы и ключи, Л - логические элементы, М - модуляторы, Н - наборы элементов, П - преобразователи сигналов, Е - схемы источников вторичного питания, Б - схемы задержки, С - схемы сравнения, Т - триггеры, У - усилители, Ф - фильтры, А - формирователи импульсов, Р -схемы запоминающих устройств, И - схемы цифровых устройств, В - схемы вычислительных устройств, Ц - фоточувствительные схемы с зарядовой связью, Х - многофункциональные схемы). В пределах каждой подгруппы ИМС подразделяют на виды, каждому из которых присвоена определенная буква; т.о. сочетание двух букв в обозначении ИМС характеризует ее вид и подгруппу (например, ГС - генератор гармонических сигналов, ЛИ - логические элементы, И, ИР - наборы резисторов, УВ - усилители, ВИ, ВМ - микропроцессоры, ВЕ - микро ЭВМ, ВУ - схема микропрограммного устройства, ВТ - микрокалькуляторы и др.)

Обозначение ИС состоит из следующих элементов: первый элемент - цифра, означающая группу, второй элемент - три цифры (от 000 до 999) или две (00 - 99), означающие порядковый номер разработки серии ИМС, третий элемент - две буквы, обозначающие подгруппу и вид ИМС, четвертый элемент - условный номер разработки ИМС по функциональному признаку в данной серии. ИС выпускаются в составе серии, т.е в совокупности нескольких видов ИМС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения в аппаратуре. Два первых элемента относятся к обозначению серии (всего 3 цифры). Например, ИМС синхронизации микропроцессорного комплекса серии 1800 с порядковым номером 2 ее разработки в данной серии (по функциональному признаку) имеет обозначение 1800 ВБ2, ИМС логического элемента И-НЕ, открывающего перечень схем широкого распространенной серии 133, - обозначение 133ЛА1.