Плёночные и гибридные ИМС, технология их изготовления.

  Плёночные ИМС имеют подложку (плату) из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы, т.е. резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединения между элементами, выполняются в виде различных плёнок, нанесённых на подложку. Активные элементы (диоды, транзисторы) плёночными не делаются, так как не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, плёночные ИМС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC – цепи или какие-либо другие схемы.

  Принято различать ИМС тонкоплёночные, у которых толщина плёнок не более 2 мкм и толстоплёночные, у которых толщина плёнок достигает 10 – 70 мкм. Разница между этими ИМС заключается не столько в толщине плёнок, сколько в различной технологии их нанесения.

  Подложки представляют собой диэлектрические пластинки толщиной 0,5 ÷ 1,0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные.  При изготовлении плёночных резисторов на подложку наносят резистивные плёнки. Если требуется небольшое сопротивление резистора, то плёнка делается из сплава, имеющего высокое сопротивление (нихром). Если требуется большое сопротивление резистора, то применяется смесь металла с керамикой, получивших название кермит. На концах резистивной плёнки делаются выводы в виде металлических плёнок, которые, вместе с тем, являются линиями, соединяющими резистор с  другими элементами. Сопротивление плёночного резистора зависит от толщины, ширины, длины и материала плёнки. Для увеличения сопротивления делают плёночные резисторы зигзагообразной формы. На рис. 10.1. показана технология изготовления плёночного резистора.

       Удельное сопротивление плёночных резисторов выражают в особых единицах Ом на квадрат (Ом/⎕), так как сопротивление данной плёнки в форме квадрата не зависит от размеров этого квадрата.

        

                    Рис. 10.1. Плёночный резистор.

                      1 – резистивная плёнка; 2 – вывод; 3 – подложка

  Тонкоплёночные резисторы по точности и стабильности лучше толстоплёночных, но производство их сложнее и дороже. У тонко-плёночных резисторов удельное сопротивление может быть от 10 до 300 Ом/⎕ и номиналы – от 10 до  Ом. Точность их изготовления 5 %, а с подгонкой 0,05 %. Температурная стабильность тонкоплёночного резистора характеризуется ТКС  0,25 . В течение длительного времени эксплуатации сопротивление этих резисторов изменяется мало.

  Толстоплёночные резисторы имеют удельное сопротивление от 5 Ом до 1 Мом/⎕, номиналы от 0,5 до 5 ∙  Ом, точность без подгонки 15 %, а с подгонкой  0,2 %, ТКС  2,0 . Их стабильность во времени хуже, чем у тонкоплёночных резисторов.

Плёночные конденсаторы чаще всего делаются только с двумя обкладками. Одна из них наносится на подложку и продолжается в виде соединительной линии, затем на неё наносится диэлектрическая плёнка, а сверху располагается вторая обкладка, также, переходящая в соединительную линию (рис. 10.2). В зависимости от толщины диэлектрика конденсаторы бывают тонкоплёночными и толстоплёночными. Диэлектриками обычно служат  оксиды кремния, алюминия и титана. Удельная ёмкость может быть от десятков до тысяч πФ/ , точность изготовления  15 %, ТКЕ = (0,05 ÷ 2,0) ∙ .

  Плёночные катушки индуктивности делаются в виде плоский спиралей (рис  10.3), чаще всего прямоугольной формы. Ширина проводящих полос и просветов между ними обычно составляет несколько десятков мкм. Удельная  индуктивность составляет 10 ÷ 20 нГн/ . Обычно такие катушки делаются с индуктивностью не более нескольких мкГн. Увеличить индуктивность можно путём нанесения на катушку индуктивности феррамагнитной плёнки, которая будет выполнять роль сердечника.

      Широкое распространение получили гибридные ИМС, в которых пассивные элементы – плёночные, а активные – навесные. Навесные элементы – миниатюрные бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой самостоятельные элементы, которые приклеиваются к подложке в соответствующих местах и соединяются тонкими проводниками с плёночными элементами схемы. Иногда в гибридных ИМС (ГИС) навесными могут быть миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности, с такой большой ёмкостью и индуктивностью, что невозможно осуществить в  виде плёнок. В некоторых случаях в ГИС навесными являются целые полупроводнико-вые ИМС.

ГИС изготовляют следующим образом. Сначала делается подложка. Её шлифуют и полируют. Затем наносятся резистивные плёнки, далее – нижние обкладки конденсаторов, катушки индуктивности и соединитель-ные линии, после этого наносятся диэлектрические плёнки, а затем снова металлические плёнки. Навешиваются активные и другие дискретные элементы, а их выводы присоединяются к соответствующим точкам схемы. Схема помещается в корпус и присоединяется к контак-тным штырькам корпуса. Далее корпус герметизируется и маркируется.

              Разновидностью гибридной БИС является микросборка. Особенность её в том, что она является изделием для конкретной задачи. Обычные БИС – изделия общего применения, пригодные для различных видов РЭА. Иногда микросборками называют также наборы нескольких активных и пассивных элементов, находящихся в одном корпусе и имеющих самостоятельные выводы. Эти наборы называют матрицами.

 

                 

                        Рис. 10.2. Плёночный конденсатор.

 

            

         Рис. 10.3.  Плёночная катушка индуктивности.

 

                   ЛЕКЦИИ 28. ВИДЫ ИМС.

                       3. Полупроводниковые ИМС.

   В полупроводниковых ИМС все элементы выполнены внутри (в приповерхностном слое) и на поверхности полупроводниковой подложки, называемой кристаллической, которая представляет собой пластинку кремния толщиной 200 ÷ 300 мкм.  Площадь кристалла бывает обычно   1,5 ÷ 6 . По сравнению с другими ИМС полупроводниковые микросхемы имеют наиболее высокое число элементов в единице объёма и наибольшую надёжность. Недостаток полупроводниковых ИМС – худшее качество пассивных элементов (сопротивлений и конденсаторов) и невозможность создания в полупроводниках индуктивностей.

  Изоляция. Применяется несколько способов изоляции:

- наиболее простой и дешёвой является изоляция p – n переходом.

- диэлектрическим слоем.

Из – за технологической сложности изоляции диэлектрическим слоем, чаще применяется изоляция p – n переходом (рис. 10.4.).

      Биполярные транзисторы. Они делаются методом диффузии. В кристалле создаются области коллектора, базы и эмиттера. Структура транзистора углубляется в кристалл не более чем на 15 мкм, а линей- ные размеры транзистора на поверхности не превышают  нескольких десятков мкм. Сверху над транзистором создаётся защитный слой оксида Si . От областей коллектора и базы часто делают по два вывода, для того чтобы можно было соединить транзистор с соседними элементами (рис. 10.5.).

Типичные параметры биполярного транзистора полупроводниковых ИМС: 

-  = 200

-  500 МГц

-  0,5 πФ

- напряжение пробоя коллекторного перехода 50 В

- напряжение пробоя эмиттерного перехода 8 В

- удельное сопротивление n и p слоёв составляет несколько сотен .

- удельное сопротивление слоёв составляет не более 20  (Ом на квадрат).               

        Рис. 10.4. Изоляция элементов p – n переходом.

 

         Многоэмиттерные транзисторы. Помимо обычных транзисторов в цифровых полупроводниковых ИМС применяются также многоэмиттерные транзисторы (рис. 10.6.). Такие транзисторы можно отпирать подачей импульса прямого напряжения на любой из четырёх эмиттерных переходов. К каждому эмиттеру подключается свой источ-ник отпирающего импульса. При этом важно, чтобы такой положитель-ный импульс напряжения не проник в другие источники входных импульсов, так как эмиттерные переходы, не работающие в данный момент, будут находиться под обратным напряжением.

  Подобно многоэмиттерным транзисторам применяются многокол-лекторные транзисторы.

   Супер – бета транзистор. В микросхемах иногда делают транзисторы с таким названием. У них база имеет толщину всего лишь 0,2 – 0,3 мкм и за счёт этого коэффициент усиления β достигает нескольких тысяч. Однако предельное напряжение в этих транзисторах не превышает 2 В. При большем напряжении происходит смыкание коллекторного перехода с эмиттерным.          

                        

       Рис. 10.5. Биполярный транзистор n – p – n типа.

  Составной транзистор. Представляет собой пару транзисторов, соединённых так, что получается элемент с очень высоким β. Практически β может достигать нескольких тысяч.

      Транзистор с барьером Шоттки. Это биполярный транзистор, у которого коллекторный переход шунтирован диодом Шоттки. Диод Шоттки имеет контакт металла с полупроводником и обладает выпрям-ляющими свойствами. Его достоинство – отсутствие диффузионной ёмкости и за счёт этого рабочие частоты диода достигают 15 ГГц.

       Диод (транзистор с диодным включением). Возможны пять вариантов диодного включения транзистора (рис. 10.7.).

 

         

Рис.10.6. Структура и условное графическое обозначение  многоэмиттерного транзистора.

 

Рис. 10.7. Варианты использования транзисторов в диодном включении.

 

БК – Э - замкнута накоротко база и коллектор, т.е. у такого диода        время восстановления (время переключения) из открытого состояния в закрытое составляет единицы нсек.

   Б – Э  используется только эмиттерный переход. Время переключения в этом случае в несколько раз больше.

      Оба этих варианта имеют минимальную ёмкость (десятые доли πФ) и минимальное пробивное напряжение.

БЭ – К и Б - К  закорочены база и эмиттер, по времени переключения и ёмкости примерно равноценны варианту Б – Э, но имеет более высокое пробивное напряжение (40 – 50 В) и большой обратный ток (15 – 30 нА).

   Б – ЭК   имеет наибольшее время  переключения (100 нсек), наиболь-ший обратный ток (до 40 нА), несколько большую ёмкость и такое же малое пробивное напряжение.

Чаще всего используются БК – Э и Б – Э.

  Полевой транзистор с управляющим p – n переходом. Его структура совпадает со структурой обычного n – p – n транзистора. В качестве канала используется слой базы (рис. 10.8.).

                

Рис. 10.8. Полевой транзистор полупроводниковой ИМС с каналом n типа (а) и p типа (б)

  Резистор. В полупроводниковых ИМС применяются диффузионные резисторы, представляющие собой созданные внутри кристалла области с тем или иным типом электропроводимости (рис. 10.9.).

     В качестве резистора может быть использован канал МОП структуры.

  Конденсатор. Типичным для полупроводниковых ИМС является диффузионный конденсатор, в котором используется барьерная ёмкость p – n перехода. Ёмкость такого конденсатора зависит от площади перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и толщины перехода, которая зависит от концентрации примесей (рис. 10.10.).

 

                  

Рис. 10.9. Диффузионный резистор полупроводниковой ИМС.

 

                         

Рис. 10.10. Диффузионный конденсатор полупроводниковой ИМС.

 

  Индуктивность. Катушки индуктивности в полупроводниковых ИМС сделать не возможно, поэтому проектируются ИМС, в которых не требуется индуктивность. Если же требуется индуктивное сопротивление, то можно создать эквивалент индуктивности, состоящий из транзисторов, резисторов и конденсаторов.

                             4. Надёжность ИМС.

  ИМС характеризуются высокой надёжностью. В полупроводниковых ИМС интенсивность отказов составляет  ÷ .

  Полные отказы происходят из-за коротких замыканий и обрывов. Короткие замыкания возникают под действием вибрации или ударов, либо в результате перегрева и разрушения диэлектрика. Короткому замыканию способствует попадание влаги в корпус ИМС из-за дефектов герметизации. Обрывы контактов возникают от вибрации и ударов, а также в результате электрохимических и химических процессов.

  Постепенные отказы происходят от изменения параметров ИМС. Главная причина этих изменений – возникающие на границе кремния и его диоксида процессы, связанные с перемещением ионов, которые есть в диоксиде. Под действием электрического поля ионы дрейфуют и образуют в слое диэлектрика проводящие каналы. За счёт таких паразитных каналов уменьшается входное сопротивление и коэффициент усиления по току.

 

             5. Маркировка аналоговых и цифровых ИМС.

                                 А) Аналоговые ИМС.

  Условное обозначение представляет собой код, отражающий конструктивно-технологические особенности ИМС и характер выполня-емых функций. Условное обозначение ИМС, выпущенных после 1974 года, состоит из трёх элементов.

  Перед условным обозначением ИМС, предназначенных для бытовой и промышленной аппаратуры, ставится буква К.

   Первый элемент – три цифры, указывающие номер серии, причём первая  цифра обозначает конструктивно - технологическое исполнение ИМС:

    1, 5 - полупроводниковые ИМС

    2, 4, 8 – гибридные ИМС

     3 - плёночные ИМС

     7 - бескорпусные ИМС

Вторые две цифры - порядковый номер разработки серии ИМС (от 00 до 99).

  Второй элемент - две буквы, отражающие функциональное назначение:

УВ – усилители ВЧ

УР – усилители ПЧ 

УН – усилители НЧ

УИ – усилители импульсные

УТ - усилители постоянного тока

УЕ - повторители

УД – операционные и дифференциальные усилители

УП - прочие усилители

ЕВ - выпрямители

ЕМ – преобразователи

ЕН – стабилизаторы напряжения

ЕТ - стабилизаторы тока

ЕП - прочие

Третий элемент - порядковый номер одноимённых по функциональному признаку ИМС в данной серии.

За третьим элементом часто следует буква, указывающая на то, что ИМС данного типа имеет группы, различные по одному или нескольким параметрам.

                              Б) Цифровые ИМС.

   Условное обозначение представляет собой код, отражающий конструктивно-технологические особенности ИМС и характер выполня-емых функций. Условное обозначение ИМС состоит из трёх элементов.

    Перед условным обозначением ИМС, предназначенных для бытовой и промышленной аппаратуры, ставится буква К.

Первый элемент – буква, характеризующая материал и тип корпуса:

Б - бескорпусный

И, С – стеклокерамический корпус

М – металлокерамический

Н – микрокорпус

Р – пластмассовый корпус

Второй элемент - цифры, которые означают степень интеграции:

- интегральные схемы малой степени интеграции         до 100

- интегральные схемы средней степени интеграции 101 – 1000

- БИС                                                                             1001 – 10000

- СБИС                                                                             10001 и более

Третий элемент буквы (буква), определяющие функциональное назначение:

А – формирователь

В – схемы вычислительных средств

Г – генераторы

И – цифровые устройства

К – коммутаторы

Л – логические элементы

П – преобразователи

Р – запоминающие устройства

С – схемы сравнения

    СК – амплитудные

    СВ – по времени

    СП – прочие

Т – триггеры

Х – многофункциональные схемы

Четвёртый элемент – цифры, указывающие на порядковый номер и вид ИМС.