Товстоплівкові інтегральні мікросхеми: загальні відомості, резистори, напівпровідники, топологія

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

Кафедра РЕЗ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Товстоплівкові ІНТЕГРАЛЬНІ МІКРОСХЕМИ: загальні відомості, резистори, напівпровідники, топологія»

МІНСЬК, 2008

1. Загальні відомості

Товстоплівкові називаються інтегральні мікросхеми з товщиною плівок 10-70 мкм, що виготовляються методами трафаретного друку (сеткографіі).

Сутність процесу виготовлення товстоплівкових мікросхем полягає в нанесенні на керамічну підкладку спеціальних провідникових, резистивних або діелектричних паст шляхом продавлювання їх через сітчастий трафарет за допомогою ракеля і в подальшій термообробці (вжигания) цих паст, в результаті чого утворюється міцна монолітна структура.

Провідникові і резистивні пасти складаються з порошків металів і їх оксидів, а також містять порошки низкоплавких стекол (скляну фриту). У діелектричних пастах металеві порошки відсутні. Для додання паст необхідної в'язкості вони замішуються на органічних сполучних речовинах (етил-целюлоза, вазеліни).

При вжигания паст скляна фрита розм'якшується, обволікає і потім при охолодженні пов'язує проводять частки провідникових і резистивних паст. Діелектричні пасти після термообробки представляють однорідні склоподібні плівки.

Відносна простота технології при порівняно низьких витратах на обладнання та матеріали, досить висока експлуатаційна надійність і інші достоїнства товстоплівкових мікросхем сприяють збільшенню їх виробництва і розширення областей застосування. Конструктивно подібні мікросхеми виконуються у вигляді наборів резисторів або конденсаторів, а також у вигляді гібридних мікросхем, т. Е. Можуть містити навісні активні і пасивні компоненти. Широке застосування знаходить товстоплівкова багаторівнева розводка межсоединений в гібридних мікросхемах.

2. Підкладка Товстоплівкові мікросхем

Для виготовлення підкладок зазвичай використовуються керамічні матеріали або скла. Найчастіше вживається кераміка на основі 96% -ної полікристалічної окису алюмінію. Для потужних мікросхем застосовується також беріллісвая кераміка, що володіє хорошою теплопровідністю, але вимагає особливих заходів забезпечення безпеки при обробці внаслідок її токсичності.

Точність одержуваного в процесі трафаретного друку малюнка мікросхеми в значній мірі залежить від площинності поверхні підкладки і її шорсткості. Максимальна кривизна поверхні (макронеровность) не повинна перевищувати 4 мкм на 1 мм довжини. Шорсткість (Мікронерівності) робочої поверхні підкладки повинна бути не нижче восьмого класу (R _a = 0,32-0,63 мкм). Необхідно також мати на увазі, що занадто мала шорсткість може призводити до погіршення адгезії наносяться плівок.

Розміри плат визначаються конкретною конструкцією застосовуваних корпусів мікросхем. Рекомендуються розміри 8х15 мм ^2, 10х16 мм ² і кратні їм. Товщина плат становить 0,6 мм.

3. Товстоплівкові ПРОВІДНИКИ

Товстоплівкові провідникові плівки повинні володіти такими якостями: високою провідністю; гарну адгезію до підкладки (дана вимога є загальним для всіх плівок); сумісністю з резистивним пастами для забезпечення електричного контакту; сумісністю з діелектричними пастами для створення конденсаторів і багатошарової розводки з'єднань; можливістю приєднання навісних компонентів і зовнішніх висновків мікросхеми термокомпрессіі, ультразвукової зварюванням або паянням.

. Провідникові пасти можуть виготовлятися на основі золота, золота - платини, золота - паладію, паладію - срібла, індію, ренію. В останні роки активно досліджується можливість виготовлення провідникових паст на основі неблагородних металів - міді, нікелю.

Товщина шару провідника на основі композиції паладій - срібло становить 10-25 мкм, мінімальна ширина (довжина) провідника коливається в межах 0,15-0,20 мм при нанесенні пасти на кераміку і 0,20- 0,30 мм при нанесенні на шар діелектрика. Мінімальна відстань між провідниковими елементами 0,05 0,20 мм в залежності від рецептурного складу пасти. Опір квадрата провідникової плівки на основі даної композиції коливається в межах 0,05- 5,00 Ом / кв.

Ширина провідникової доріжки вибирається залежно від сили струму:

Пасти на основі золота забезпечують найбільш низький поверхневий опір в межах 0,001-0,003 Ом / кв, а на основі композиції золото - платина - менше 0,1 Ом / кв. Золотовмісні провідникова паста дозволяє виготовляти доріжки шириною 125 мкм з відстанню між ними 175 мкм при товщині плівки 12 мкм.

Максимальна точність виготовлення плівкових елементів з провідникових паст на основі паладій - срібло знаходиться в межах ± (0,05 - 0,1) мм.

4. Товстоплівкові резистори

Основні властивості резистивних плівок. резистивні

Товстоплівкові елементи повинні забезпечувати: широкий діапазон номіналів опорів; високу точність отримання номіналів опорів; високу тимчасову і температурну стабільність опорів резисторів; хороший електричний контакт з провідниковими елементами мікросхем.

Серед названих вимог найважливіше значення має вимога температурної стабільності, яка характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКС).

Питомий опір суцільної товстої плівки може бути описано наступним виразом, відомим як правило Матісон:

(1)

де -Питомий опір обсягу провідних частинок, що вноситься розсіюванням носіїв струму на коливаннях кристалічної решітки; ₂ - питомий опір, внесене розсіюванням носіїв струму на дефектах кристалічної решітки провідних частинок; ₃ - питомий опір кордонів розділу (контактів) між провідними частинками.

Малюнок 1 Перенесення електричного струму через Товстоплівкові структуру

Схематично проходження струму через Товстоплівкові структуру можна уявити так, як це показано на малюнку 1.

Крім зазначених трьох компонентів повного опору, в товстоплівкових структурах необхідно враховувати можливість прояву напівпровідникового характеру провідності, пов'язаної з наявністю окислів металів. Вважаючи, що в порівняно вузькому робочому діапазоні температур мікросхем (зазвичай - 60 ... + 125 ° С) опір резисторів змінюється в залежності від температури лінійно, можна записати наступний вираз для ТКС:

де R _1, R _2-опір резистора при відповідних температурах Т ₁ і Т _2.

При підвищенні температури розсіювання носіїв струму на коливаннях кристалічної решітки зростає, а розсіювання на дефектах майже не залежить від температури. Імовірність проникнення носіїв струму через контактні проміжні шари між провідними частинками з підвищенням температури зростає. Відповідно з цим ₁ в вираженні (1) визначає позитивний компонент, ₂ і _3, а також напівпровідникова провідність сприяють зростанню негативного компонента в загальному ТКС плівки. Чи буде остаточна величина ТКС плівки позитивною, негативною або нульовою, залежить від співвідношення величин цих компонентів.

Резистивні пасти готуються на основі композиції паладій - срібло. Вони забезпечують номінальні опору резисторів від 25 Ом до 1 МОм. Опір квадрата резистивної плівки відповідає наступному ряду значень: 5, 100, 500, 1000, 3000, 6000, 20 000, 50 000 Ом / кв.

Останнім часом розроблені пасти, що володіють підвищеною температурною і часовою стабільністю. До їх складу входять такі рідкісні метали, як рутеній і іридій, а також платина.

Звичайна товщина резистивних плівок 18-25 мкм.

Розрахунок резисторів. Номінальне значення опору резистора визначається за формулою

(2)

де - опір квадрата резистивної плівки, Ом / кв; - коефіцієнт форми, що залежить від довжини і ширини резистора. Ширина резистора

(3)

де Р-розрахункове значення потужності розсіювання резистора, Вт; Р _про - максимальна питома потужність розсіювання резистивной плівки, Вт / мм ^2;

до _{P-коефіцієнт} запасу потужності, що враховує підгонку резистора:

п - допустимий негативне відхилення опору резистора від номінального до підгонки,%. Максимальне значення п становить 52%. Розрахункова довжина резистора знаходиться за формулою (2).

Питома потужність розсіювання резисторів на основі композиції паладій - срібло зазвичай приймається рівною 0,5 Вт / см ^2, проте резистори можуть бути навантажені і сильніше, до 6 Вт / см ² і більше, за умови правильної організації охолодження.

Стабільна робота товстоплівкових резисторів залежить також від величини падіння напруги на них.

Малюнок 2. Форми підганяються товстоплівкових резисторів.

Допустиме навантаження по напрузі не повинна перевищувати 20 В / мм по довжині резистивной смужки. Зміна номіналу опору (стабільність) в залежності від прикладеної напруги становить: для напруги від 0 до 40 В - (0,5-1) 10 ^-4% / В; для напруги від 40 до 400 В - (1-5) 10 ^-4% / В.

Вплив напруги на опір пояснюється проявом частково-напівпровідникового характеру провідності товстоплівкових резисторів в зв'язку з наявністю в їх структурі окислів металів.

Підвищення точності резисторів шляхом підгонки. Похибка номінального опору резисторів з паст на основі композиції срібло - паладій при підгонці лазером становить ± 2%. Точність підгонки залежить від інерційності пристрої, що переміщує підкладку з резисторами або інструмент, а також від інерційності вимірювально-контрольного пристрою. Прецизійна підгонка дозволяє досягти в необхідних випадках похибки номіналу резистора не більше 0,03%.

На малюнку 2 представлені різні варіанти виготовлення підганяються резисторів і конфігурації підгінних різів (шліців).

5. діелектричні ЕЛЕМЕНТИ

Плівкові конденсатори. Діелектричні плівки в товстоплівкових мікросхемах застосовуються в якості: діелектриків конденсаторів, межслойной ізоляції, захисних шарів.

Діелектрики товстоплівкових конденсаторів повинні забезпечувати високі значення питомої ємності; широкий діапазон номінальних значень ємності; високу пробивну напругу; малий температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ); малі діелектричні втрати; високу тимчасову стабільність.

Діелектричні пасти для конденсаторів виготовляються на основі суміші керамічних матеріалів і флюсів. Товщина плівки після термічної обробки складає 40-60 мкм.

Використовуючи плівки, що забезпечують питому ємність С ₀ - = 3700 пФ / см ^2, виготовляють конденсатори з номінальною ємністю від 500 до 300 пФ, а плівки з З _о = = 10 000 пФ / см ² дозволяють виготовляти конденсатори в діапазоні від 100 до 2500 пФ . Похибка номінальної ємності конденсаторів зазвичай становить ± 15%. Пробивна напруга не менше 150 В.

Величина діелектричної проникності для діелектричних паст конденсаторів на основі композиції титанат барію - окис титану - окис алюмінію - легкоплавкое скло становить від 10 до 2000.

Розрахункова площа верхньої обкладки конденсатора визначається за формулою

S = С / З,

де С - номінальна задане значення ємності; З _про - питома ємність.

Нижня обкладка конденсатора повинна виступати за край верхньої не менше ніж на 0,3 мм, плівка діелектрика повинна виступати за край нижньої обкладки не менше ніж на 0,2 мм.

Товстоплівкові конденсатори в деяких випадках допускають підгонку повітряно-абразивної струменем, при цьому похибка становить не більше 1%. Способи лазерної підгонки конденсаторів в даний час розробляються.

Пасти верхніх обкладок повинні бути інертні до лужению.

Міжшарова і захисна ізоляція. Пасти для межслойной ізоляції і захисту від зовнішнього середовища виготовляються з низкоплавкого скла і глинозему. Товщина діелектричного шару складає від 30 до 70 мкм, питома ємність - від 150 до 200 пФ / см ^2, пробивну напряженіе-- 500 В.

Діелектрична проникність паст для ізоляції та захисту знаходиться в межах від 10 до 15. Тангенс кута діелектричних втрат на частоті від 1 кГц до 1,5 МГц не перевищує 25 10 ^-4. Опір ізоляції більше 10 ¹² Ом при постійній напрузі 100 В.

Для багатошарової складної розводки межсоединений використовується кристалізується скло.

З метою зручності сортування різних мікросхем на операціях складання застосовуються різнокольорові захисні пасти

6. РОЗРОБКА ТОПОЛОГІЇ

Загальні рекомендації. При розробці топології враховуються конструктивні і технологічні обмеження, що обумовлюють розміщення на платі плівкових елементів і навісних компонентів, а також зовнішніх висновків мікросхеми. Беруться до уваги і при необхідності розраховуються тепловий режим і паразитні електричні і магнітні зв'язку. Велике значення при розробці топології мають економічні питання виробництва мікросхем.

Послідовність розробки топології товстоплівкових мікросхем не відрізняється від послідовності, прийнятої при розробці тонкоплівкових мікросхем, і в даному розділі розглядатися не буде. Чи не розглядаються по тій же причині питання теплового режиму і паразитних зв'язків.

Провідники, контактні площадки, зовнішні висновки. Провідники, а також інші плівкові елементи: резистори, конденсатори можуть розташовуватися на обох сторонах плати. З'єднання між елементами, розташованими на різних сторонах підкладки, здійснюються через отвори.

Провідники, розташовані в нижньому шарі при багатошарової розводці межсоединений, не повинні перебувати під резисторами, яке підганяє променем лазера.

Контактні майданчики для монтажу навісних компонентів з гнучкими висновками способом неавтоматизированной пайки, а також для контролю електричних параметрів повинні мати розміри не менше 0,4х0,4 мм.

Малюнок 3 Варіанти конструктивного виконання зовнішніх контактних майданчиків і висновків

Автоматизований монтаж зазначених компонентів вимагає розмірів контактних площадок не менше 0,6 х 0,6 мм, а компонентів з кульковими висновками 0,25 х 0,25 мм з відстанню між контактними майданчиками 0,1 мм, якщо крок висновків навісних компонентів 0,35 мм.

Провідники і контактні площадки для приєднання навісних компонентів з метою підвищення надійності і зменшення опору рекомендується лудити срібно-олов'яним припоєм. При монтажі навісних компонентів з кульковими висновками провідники доцільно покривати плівкою захисного діелектрика, залишаючи відкритими лише контактні площадки. Плівка діелектрика повинна відстояти від краю контактної площадки на 0,5 мм.

Варіанти виконання зовнішніх контактних майданчиків і конструкцій зовнішніх висновків плати показані на малюнку 3.

Навісні компоненти. Навісними компонентами можуть бути безкорпусні діоди і транзистори, діодні і транзисторів матриці, безкорпусні напівпровідникові мікросхеми, діоди і транзистори в мініатюрних корпусах, а також конденсатори і трансформатори з гнучкими і жорсткими висновками.

Навісні компоненти рекомендується розташовувати рядами на одній стороні плати. Допускається встановлювати їх на резисторах і провідниках, захищених діелектричної плівкою. Місця розташування навісних компонентів доцільно позначати мітками, виконаними за допомогою резистивних або діелектричних паст.

З метою уніфікації необхідно застосовувати в однотипних мікросхемах навісні компоненти з однаковим діаметром гнучких висновків, довжина гнучкого виведення без додаткового кріплення шляхом приклеювання не повинна перевищувати 2,5 мм. Мінімальна відстань між навісним компонентом і контактною площадкою має становити при пайку 0,8 мм. Відстань між лудженим провідником або контактним майданчиком і навісним компонентом має бути не менше 0,2 мм. Найменша відстань від навісного компонента до краю плати 1 мм.

Резистори. Кількість резистивних шарів на одній стороні підкладки, виконаних за допомогою паст з різним питомим опором, може становити не більше трьох. Доцільно орієнтувати резистори на платі однаково, т. Е. У своєму розпорядженні їх довгими або короткими сторонами паралельно один одному. На одній стороні плати рекомендується розміщувати резистори, близькі по номінальним значенням опорів. Мінімальний розмір резисторів 0,8x0,8 мм. Виготовляти резистори у вигляді меандру не рекомендується.

Якщо принципова електрична схема не передбачає зовнішніх контактів для кожного підганяється резистора, то для забезпечення контролю опору в процесі лазерної підгонки необхідно при розробці топології створювати тимчасові дротові перемички або навіть тимчасові зовнішні висновки, які після підгонки резисторів видаляються.

Конденсатори і межслойная ізоляція. Плівкові конденсатори не повинні розташовуватися на тій стороні плати, яка при герметизації заливається компаундом.

Між контактною площадкою навісного конденсатора, який приєднується пайкою, і активним компонентом необхідно передбачити відстань не менше 1 мм.

Круглі отвори в межслойной ізоляції, службовці для контакту між провідниками різних рівнів, повинні мати діаметр не менше 0,6 мм. Квадратні отвори виконуються з розміром сторони не менше 0,5 мм. Між плівковими елементами, що знаходяться в різних шарах при багатошарової розводці, має забезпечуватися відстань не менше 0,2 мм.

Малюнок 4. Електрична принципова схема (а) і ескіз топології (б) тактового генератора в Товстоплівкові виконанні.

Розробка ескізу топології. Ескіз топології слід виконувати на міліметрівці в масштабі 10: 1. Крок координатної сітки рекомендується вибирати рівним 0,1 мм. Необхідно враховувати, що коефіцієнт заповнення площі плати елементами, розташованими на одному рівні, не повинен перевищувати 0,7. Мінімальна відстань від краю отвору до краю плати має становити 0,5 мм.

Точність виготовлення резистивних і діелектричних плівкових елементів не перевищує ± 0,1 мм.

Приклад ескізу топології наведено на малюнку 4.

Оскільки до складу провідникових і резистивних паст входять рідкісні і благородні метали, це змушує враховувати витрату даних матеріалів. Чим менше площа плівкових провідників і резисторів, тим економічніше виробництво мікросхеми. Зрозуміло, розміри підкладки і витрата діелектричних паст також впливають на вартість.

ЛІТЕРАТУРА

1. Конструкторсько-технологічне проектування електронної апаратури. Підручник для вузів. К.І. Білібін, А.І. Власов, В.В. Журавльов під редакцією В.М. Шахнова. М .: МГТУ ім. Баумана, 2002 г.

2. Образцов Н.С .. Ткачук А.М .. Куракіна Е.П. Телообмен в РЕА. Конспект лекцій з курсу «Конструювання радіоелектронних пристроїв» - Мн .: БДУІР, 2003 - 54 с.

3. Образцов Н.С. та ін. Друковані плати в конструкціях РЕЗ. Навчальний посібник з курсу «Конструювання Радіоелектронних пристроїв» / За редакцією Ж.С.Воробьевой і Н.С.Образцова. - Мн .: БДУІР, 1999 - 141 с.

4. Воробйова Ж.С., Образцов Н.С. та ін. основи конструювання виробів радіоелектроніки. Навчальний посібник. - Мн .: БДУІР, 2001 - 226 с.

5. А.А. Шмігевіч. Проектування несучих конструкцій електронних пристроїв. Навчальний посібник для студентів инж.-тех.вузов. Мн .: «Адукація і вихованне». 2003 - 308 с.