Основні положення задачі курсу

Лекція №1

Питання:

Які питання будут розглядатися у цьому курсі?

Яку роль відіграють електронні прилади у передачі інформації?

Література:

Сенько В.І., Панасенко М.В., Сенько Є.В.

Електроніка і мікросхемотехніка. - Т.1. Елементна база

електронних пристроїв. - Київ: Обереги, 2000.-300с.

 

 

Лекція №2

Характеристика напівпровідників

План:

Фізичні властивості

Зонна структура

Оптичні властивості напівпровідників

Поглинання світла

Використання

 

Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика.

 

Фізичні властивості

 

Характерна риса напівпровідників — зростання електропровідності зі зростанням температури; при низьких температурах електропровідність мала. При температурі близькій до абсолютного нуля напівпровідники мають властивості ізоляторів. Кремній, наприклад, при низькій температурі погано проводить електрику, але під впливом світла, тепла чи напруги електропровідність зростає.

 

Зонна структура напівпровідника

 

Напівпровідники мають повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає за експоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшення електропровідності власних напівпровідників.

 

Ще більше на електропровідність напівпровідників впливають домішки — донори й акцептори. Завдяки доволі великій діелектричній проникності домішкові рівні в забороненій зоні розташовані дуже близько до зони провідності чи до валентної зони (< 0.5 еВ), й легко іонізуються, віддаючи електрони в зону провідності чи забираючи їх із валентної зони. Леговані напівпровідники мають значну електропровідність.

 

Невелика ширина забороненої зони також сприяє фотопровідності напівпровідників.

 

В залежності від концентрації домішок напівпровідники діляться на власні (без домішок), n-типу (донори), p-типу (акцептори) і компенсовані (концентрація донорів урівноважує концентрацію акцепторів, й напівпровідник веде себе, як власний). При дуже високій концентрації домішок напівпровідник стає виродженим і веде себе, як метал.

 

У напівпровідникових приладах використовуються унікальні властивості контакту областей напівпровідника, одна з яких належить до n-типу, інша до p-типу — так званих p-n переходів. p-п переходи проводять струм лише в одному напрямку. Схожі властивості мають також контакти між напівпровідниками й металами — контакти Шоткі.

Оптичні властивості напівпровідник ів

Поглинання світла

Поглинання світла напівпровідниками зумовлене переходами між енергетичними станами зонної структури. З огляду на принцип виключення Паулі електрони можуть переходити тільки із заповненого енергетичного стану в незаповнений. У власному напівпровіднику усі стани валентної зони заповнені, а всі стани зони провідності незаповнені, тому переходи можливі лише з валентної зони в зону провідності. Для здійснення такого переходу електрон повинен отримати від світла енергію, не меншу за ширину забороненої зони. Фотони з меншою енергією не викликають переходів між електронними станами напівпровідника, тому напівпровідники прозорі в області частот, де Eg — ширина забороненої зони, — зведена стала Планка. Ця частота визначає фундаментальний край поглинання для напівпровідника. Для напівпровідників, які найчастіше застосовуються в електроніці (кремнію, германію, арсеніду галію) вона лежить в інфрачервоній області спектру.

 

Додаткові обмеження на поглинання світла напівпровідниками накладають правила відбору, зокрема закон збереження імпульсу. Закон збереження імпульсу вимагає, щоб квазі-імпульс кінцевого стану відрізнявся від квазі-імпульсу початкового стану на величину імпульсу поглинутого фотона. Хвильове число фотона 2π / λ, де λ — довжина хвилі, дуже мале в порівнянні з вектором оберненої ґратки напівпровідника, або, що те ж саме, довжина хвилі фотона у видимій області набагато більша за характерну міжатомну віддаль у напівпровіднику, що призводить до вимоги того, щоб квазі-імпульс кінцевого стану при електронному переході практично дорівнював квазі-імпульсу початкового стану. При частотах близьких до фундаментального краю поглинання це можливо лише для прямозонних напівпровідників. Оптичні переходи в напівпровідниках, при яких імпульс електрона майже не змінюється називаються прямими або вертикальними. Імпульс кінцевого стану може значно відрізнятися від імпульсу початкового стану, якщо в процесі поглинання фотона бере участь ще інша, третя частинка, наприклад, фонон. Такі переходи теж можливі, хоча й менш імовірні. Вони називаються непрямими переходами.

 

Таким чином, прямозонні напівпровідники, наприклад, арсенід галію починають сильно поглинати світло, коли енергія його кванта перевищує ширину забороненої зони. Такі напівпровідники дуже зручні для використання в оптоелектроніці.

 

Непрямозонні напівпровідники, наприклад, кремній, поглинають в області частот світла з енергією кванта ледь більшою за ширину забороненої зони значно слабше, лише завдяки непрямим переходам, інтенсивність яких залежить від присутності фононів, а, отже, від температури. Гранична частота прямих переходів для кремнію більша за 3 еВ, тобто лежить в ультрафіолетовій області спектру.

 

При переході електрона з валентної зони в зону провідності в напівпровіднику виникають вільні носії заряду, а отже фотопровідність.

 

При частотах, нижчих за край фундаментального поглинання, можливе поглинання світла, зв'язане зі збудженням екситонів, присутністю домішок і поглинанням фононів. Екситонні зони розташовані в напівпровіднику дещо нижче від дна зони провідності завдяки енергії зв'язку екситона. Екситонні спектри поглинання мають воднеподібну структуру. Аналогічним чином домішки, акцептори чи донори, створюють акцепторні чи донорні рівні, що лежать у забороненій зоні. Вони значно модифікують спектр поглинання легованого напівпровідника. Якщо при непрямому переході одночасно з квантом світла поглинається фонон, то енергія поглинутого світлового кванта може бути меншою на величину енергії фонона, що приводить до поглинання на частотах дещо менших від фундаментального краю.

 

Використання

 

Кремній найчастіше використовується в діодах, світлодіодах, транзисторах, випрямлячах і інтегральних схемах (чіпах), сонячних елементах. Окрім кремнію широко використовуються арсенід галію, арсенід алюмінію, германій та багато інших. В останні роки дедалі популярніші органічні напівпровідники, які застосовуються, наприклад, у копіювальній техніці.

 

Питання:

Дайте визначення поняттю напівпровідник?

Які фізичні властивості напівпровідника?

Які оптичні властивості напівпровідника?

Де використовуються?

 

Література:

Ансельм А.И. Введение в физику полупроводников., 1978, Москва: Наука..

Бонч- Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников, 1977, Москва: Наука..

Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем, 1980, Москва: Высшая школа.

Напівпровідникові переходи і контакти.

Лекція №3

План

Поняття напівпровідника

Структура напіпровідника

Лекція №4

Інтегральні схеми

План

 Поняття та особливості відкриття інтегральних схем

 Рівні проектування

 Класифікація інтегральних схем, технологія виготовлення

Призначення

Аналогово-цифрові схеми

ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА - електронний прилад, який складається з багатьох мініатюрних транзисто-рів та інших елементів схеми, об'єднаних у моноблок (чіп).
Роберт Нойс (1927-1990) і Джек С. Кілбі (1923) однаковою мірою вважаються авторами головного винаходу століття інформаційних технологій. Не знаючи один одного, вони вирішили проблему мінімізації дискретних елементів монтажної плати комп’ютера та перенесення їх на пластину з кремнію (Нойс) і германію (Кілбі). Це значно збільшило продуктивність комп’ютера й одночасно скоротило його вартість. Інтегральна схема, як і раніше, залишається ключовим досягненням ери електроніки.
У 2000 році Нобелівську премію одержали автори робіт з двох основних напрямів електронної напівпровідникової компонентної бази інформаційних технологій. Джек Кілбі — за винахід інтегральних схем. Я не говоритиму про це багато, оскільки інтегральні кремнієві схеми, кремнієва мікроелектроніка — стовпова дорога розвитку сучасної мікроелектроніки. То був визначний крок. Адже створення транзистора означало появу приладу, енергетично вигіднішого, ніж вакуумні лампи, приладу, який зробив можливою мініатюризацію. Кілбі першим здогадався, що треба принципово інакше розв'язувати цю задачу. Коли ми маємо у кристалі транзисторну структуру на основі р-n-переходів, то можемо їх використати як елементи ємності і робоче тіло напівпровідника, створюючи таким чином інтегральні R-C-ланцюги. І те, що здається сьогодні тривіальним, насправді було нетривіальною і непростою ідеєю, коли Кілбі її запропонував.
Звичайно, за цей час мікроелектроніка здолала гігантський шлях розвитку. Перші інтегральні схеми, зроблені Кілбі на основі германію і лише пізніше реалізовані ним на основі кремнію (колишній співробітник Кілбі Нойс, який помер у 1990 р. і тому не зміг розділити успіх свого колеги, майже відразу запропону вав схеми на основі унікальних властивостей двоокису кремнію), мали два транзистори і два R-C-ланцюги, а їхня площа становила кілька квадратних сантиметрів. Сьогоднішні ж інтегральні схеми — це 10 млн. транзисторів на такій самій площі. Протягом тривалого часу щороку подвоювалася кількість компонентів інтегральних схем. Сьогодні цей проміжок часу трохи подовжився: кількість компонентів інтегральних схем подвоюється кожні півтора року.
1. Поняття та особливості відкриття інтегральних схем
Інтегральна (мікро)схема (ІС, ІМС, МС), чіп, мікрочіп (англ. chip — тріска, уламок, фішка) — мікроелектронний пристрій — електронна схема довільної складності, виготовлена на напівпровідниковому кристалі (чи плівці) і поміщена в нерозбірний корпус.
Часто під інтегральною схемою (ІС) розуміють власне кристал або плівку з електронною схемою, а під мікросхемою (МС) — ІС, вкладену в корпус.
У той же час вираження «чіп компоненти» означає «компоненти для поверхневого монтажу» у відмінності від компонентів для традиційної пайки в отвори на платі.
Тому вірніше говорити «чіп мікросхема», маючи на увазі мікросхему для поверхневого монтажу. В даний момент (2006 рік) велика частина мікросхем виготовляється в корпусах для поверхневого монтажу.
У 1958 році двоє вчених, що живуть у зовсім різних місцях, винайшли практично ідентичну модель інтегральної схеми. Один з них, Джек Кілби, працював на Texas Instruments, іншої, Роберт Нойс, був власником компанії по виробництву напівпровідників Fairchild Semiconductor Corporation. Обох об'єднало питання: «Як у мінімум місця вмістити максимум компонентів?». Транзистори, резистори, конденсатори й інші деталі в той час розміщалися на платах окремо, і учені вирішили спробувати їх об'єднати в один монолітний кристал з напівпровідникового матеріалу. Тільки Кілби скористався германієм, а Нойс віддав перевагу кремнію.
У 1959 році вони окремо один від одного одержали патенти на свої винаходи — почалося протистояння двох компаній, що закінчилося мирним договором і створенням спільної ліцензії на виробництво чіпів. Після того як у 1961 році Fairchild Semiconductor Corporation пустила чіпи у вільний продаж, їхній відразу стали використовувати у виробництві калькуляторів і комп'ютерів замість окремих транзисторів, що дозволило значно зменшити розмір і збільшити продуктивність.
2. Рівні проектування
· Фізичний — методи реалізації одного транзистора (або невеликої групи) у виді легованих зон на кристалі.
· Електричний — принципова електрична схема (транзистори, конденсатори, резистори і т.п.).
· Логічний — логічна схема (логічні інвертори, елементи ИЛИ-НІ, И-НІ і т.п.).
· Схемо- і системотехнічний рівень — схемо- і системотехнічна схеми (тригери, компаратори, шифратори, дешифратори, АЛУ і т.п.).
· Топологічний — топологічні фотошаблони для виробництва.
· Програмний рівень (для мікроконтролерів і мікропроцесорів) — команди ассемблера для програміста.
В даний час велика частина інтегральних схем розробляється за допомогою САПР, що дозволяють автоматизувати і значно прискорити процес одержання топологічних фотошаблонів.
3. Класифікація інтегральних схем, технологія виготовлення
Ступінь інтеграції
У СРСР минулому запропоновані наступні назви мікросхем у залежності від ступеня інтеграції (у дужках кількість елементів для цифрових схем):
· МІС — мала інтегральна схема (до 100 елементів у кристалі);
· СІС — середня інтегральна схема (до 1 000);
· ВІС — велика інтегральна схема (до 10 000);
· ЗВІС — зверхвелика інтегральна схема (до 1 мільйона);
· УВІС — ультравелика інтегральна схема (до 1 мільярда);
· ГВІС — гігавеликі (більш 1 мільярда).
В даний час назва ГВІС практично не використовується (наприклад, останні версії процесорів Pentium 4 містять поки кілька сотень мільйонів транзисторів), і всі схеми з числом елементів, що перевищують 10 000, відносять до класу ЗВІС, вважаючи УВІС його підкласом.
Технологія виготовлення
· Напівпровідникова мікросхема — всі елементи і межелементние з'єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі (наприклад, кремнію, германія, арсеніду галію).
· Плівкова мікросхема — всі елементи і межелементние з'єднання виконані у виді плівок:
o товстоплівкова інтегральна схема;
o тонкоплівкова інтегральна схема.
· Гібридна мікросхема — крім напівпровідникового кристалу містить трохи безкорпусних діодів, транзисторів і(чи) інших електронних компонентів, поміщених в один корпус.
Вид оброблюваного сигналу
· Аналогові
· Цифрові
· Аналого-цифрові
Аналогові мікросхеми — вхідні і вихідні сигнали змінюються за законом безупинної функції в діапазоні від позитивного до негативної напруги харчування.
Цифрові мікросхеми — вхідні і вихідні сигнали можуть мати два значення: логічний чи нуль логічна одиниця, кожному з який відповідає визначений діапазон напруги. Наприклад, для мікросхем Ттл-логіки при харчуванні +5 В діапазон напруги 0...0,8 В відповідає логічному нулю, а діапазон 2,4...5 У відповідає логічній одиниці. Для мікросхем Есл-логіки при харчуванні?5,2 В: логічна одиниця — це?0,8...?1,03 В, а логічний нуль — це?1,6...?1,75 В.
Аналого-цифрові мікросхеми сполучають у собі форми цифрової й аналогової обробки сигналів. В міру розвитку технологій одержують усе більше поширення.
Основним елементом аналогових мікросхем є транзистори (біполярні чи польові). Різниця в технології виготовлення транзисторів істотно впливає на характеристики мікросхем. Тому нерідко в описі мікросхеми вказують технологію виготовлення, щоб підкреслити тим самим загальну характеристику властивостей і можливостей мікросхеми. У сучасних технологіях поєднують технології біполярних і польових транзисторів, щоб домогтися поліпшення характеристик мікросхем.
· Мікросхеми на уніполярних (польових) транзисторах — самі економічні (по споживанню струму):
o МОП-логіка (метал-окисел-напівпровідник логіка) — мікросхеми формуються з польових транзисторів n-МОП чи p-МОП типу;
o КМОП-логіка (комплементарна МОП-логіка) — кожен логічний елемент мікросхеми складається з пари взаємодоповнюючих (комплементарних) польових транзисторів (n-МОП і p-МОП).
· Мікросхеми на біполярних транзисторах:
o РТЛ — резисторно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
o ДТЛ — діод-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
o ТТЛ — транзисторно-транзисторна логіка — мікросхеми зроблені з біполярних транзисторів із багатоемітерними транзисторами на вході;
o ТТЛШ — транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шотки — удосконалена ТТЛ, у якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шотки.
o ЕСЛ — еміттерно-звязана логіка — на біполярних транзисторах, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, — що істотно підвищує швидкодію.
КМОП і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найбільш поширеними логіками мікросхем. Де небходимо заощаджувати споживання струму, застосовують Кмоп-технологию, де важливіше швидкість і не потрібно економія споживаної потужності застосовують Ттл-технологію. Слабким місцем Кмоп-микросхем є уразливість від статичної електрики — досить торкнутися рукою висновку мікросхеми і її цілісність уже не гарантується. З розвитком технологій ТТЛ і КМОП мікросхеми по параметрах зближаються і як наслідок, наприклад, серія мікросхем 1564 — зроблена за технологією КМОП, а функціональність і розміщення в корпусі як у ТТЛ технології.
Мікросхеми, виготовлені по Есл-технології є найшвидшими, але найбільше енергоспоживаючими і застосовувалася при виробництві обчислювальної техніки, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР самі продуктивні ЕОМ типу ЄС106х виготовлялися на Есл-мікросхемах. Зараз ця технологія використовується рідко.
4. Призначення
Інтегральна мікросхема може володіти закінченим, як завгодно складним, функціоналом — аж до цілого мікрокомп'ютера (однокристальний мікрокомп'ютер).
Аналогові схеми
· Операційні підсилювачі
· Генератори сигналів
· Фільтри (у тому числі на пьезоеффекте)
· Аналогові умножители
· Стабілізатори джерел харчування
· Мікросхеми керування імпульсних блоків харчування
· Перетворювачі сигналів
Цифрові схеми
· Логічні елементи
· Тригери
· Регістри
· Буферні перетворювачі
· Модулі пам'яті
· Мікроконтролери
· (Мікро)процесори (у тому числі ЦПУ в комп'ютері)
· Однокристальні мікрокомп'ютери
5. Аналогово-цифрові схеми
· ЦАП і АЦП
В електроніці цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) — пристрій для перетворення цифрового (звичайно двоичного) коду в аналоговий сигнал (струм, чи напруга заряд). Цифро-аналогові перетворювачі є інтерфейсом між абстрактним цифровим світом і реальними аналоговими сигналами.
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) робить зворотну операцію.
Звичайно ЦАП одержує на вхід цифровий сигнал в імпульсно-кодовій модуляції (PCM — pulse-code modulation). Задача перетворення різних стиснутих форматів у PCM виконується відповідними кодеками.
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) — пристрій, що перетворить вхідний аналоговий сигнал у дискретний код (цифровий сигнал). Зворотне перетворення здійснюється за допомогою ЦАП (цифро-аналогового перетворювача).
Як правило, АЦП — електронний пристрій, що перетворить напруга в двоичное цифровий код. Проте, деякі неелектронні пристрої, такі як перетворювач ріг-код, варто також відносити до АЦП.
Серії мікросхем
Аналогові і цифрові мікросхеми випускаються серіями. Серія — це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакові напруги джерел харчування, погоджені по вхідних і вихідних опорах, рівням сигналів.
Корпуса мікросхем
Мікросхеми випускаються в двох конструктивних варіантах — корпусному і бескорпусном.
Бескорпускная мікросхема — це напівпровідниковий кристал, призначений для монтажу в гібридну чи мікросхему мікрозборку.
Корпус — це частина конструкції мікросхеми, призначена для захисту від зовнішніх впливів і для з'єднання з зовнішніми електричними ланцюгами за допомогою висновків. Корпуси стандартизовані для спрощення технологічного процесу виготовлення виробів з різних мікросхем. Число стандартних корпусів обчислюється сотнями!
У російських корпусах растояние між висновками виміряється в милиметрах і найбільше часто це 2,5 мм чи 1,25 мм. В імпортних мікросхем растояние вимірюють у дюймах, використовуючи величину 1/10 чи 1/20 дюйма, що відповідає 2,54 і 1,28 мм. У корпусах до 16 висновків ця різниця не значна, а при великих розмірах идеинтичние корпуса вже несумісні.
У сучасних імпортних корпусах для поверхневого монтажу застосовують і метричні розміри: 0,8 мм; 0,65 мм і інші.
Специфічні назви мікросхем
З великої кількості цифрових мікросхем виготовлялися процесори. Фірма Intel першої виготовила мікросхему Intel 4004, що виконувала функції процесора. Такі мікросхеми одержали назва мікропроцесор. Мікропроцесори фірми Intel удосконалювалися: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основі двох останніх мікропроцесорів, фірмою IBM, були випущені перші персональні комп'ютери).
Мікропроцесор виконує в основному функції АЛУ (арифметико-логічний пристрій), а додаткові функції зв'язку з периферією виконувалися за допомогою спеціально для цього виготовлених наборів мікросхем. Для перших мікропроцесорів число мікросхем у наборах обчислювалося десятками, а зараз це набір із двох-трьох мікросхем, що одержав термін чипсет.
Мікропроцесори з убудованими контролерами пам'яті і введення-висновку, ОЗУ і ПЗУ, а також іншими додатковими функціями називають мікроконтролерами.

Питання:

Які є рівні проектування?

Лекція №5

І інтегральних мікросхем

План

Особливості процесу збірки

Приклеювання

Особливості процесу збірки

Збірка напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем є найбільш трудомістким і відповідальним технологічним етапом в загальному циклі їх виготовлення. Від якості складальних операцій в сильній мірі залежать стабільність електричних параметрів і надійність готових виробів.

Етап зборки починається після завершення групової обробки напівпровідникових пластин за планарною технологією і розділення їх на окремі елементи (кристали). Ці кристали, можуть мати просту (діодну або транзисторну) структуру або включати складну інтегральну мікросхему (з великою кількістю активних і пасивних елементів) і поступати на зборку дискретних, гібридних або монолітних композицій.

Трудність процесу збірки полягає в тому, що кожен клас дискретних приладів і ІМС має свої конструктивні особливості, які вимагають цілком певних складальних операцій і режимів їх проведення.

Процес збірки включає три основні технологічні операції: приєднання кристала до основи корпусу; приєднання струмовідний виводів до активних і пасивних елементів напівпровідникового кристала до внутрішніх елементів корпусу; герметизація кристала від зовнішнього середовища.

Пайка - процес з' єднання двох різних деталей без їх розплавлення за допомогою третього компонента, званого припаєм. Особливістю процесу пайки є те, що припай при утворенні паяного з'єднання знаходиться в рідкому стані, а деталі, що сполучаються, в твердому.

Суть процесу пайки полягає в наступному. Якщо між деталями, що сполучаються, помістити прокладення з припаю і усю композицію нагрівати до температури плавлення припою, то матимуть місце наступні три фізичні процеси. Спочатку розплавлений припій змочує поверхні деталей, що сполучаються. Далі в змочених місцях відбуваються процеси міжатомного взаємодією між припоєм і кожним з двох змочених їм матеріалів. При змочуванні можливі два процеси: взаємне розчинення змоченого матеріалу і припою або їх взаємна дифузія. Після охолодження нагрітої композиції припій переходить в твердий стан. При цьому утворюється міцне паяне з‘єднання між початковими матеріалами і припаєм.

Процес пайки добре вивчений, він простий і не вимагає дорогого устаткування. При серійному випуску виробів електронної техніки припаювання напівпровідникових кристалів до підстав корпусів виробляється в конвеєрних печах, що обладає високою продуктивністю. Пайка проводитися у відновлюваючому (водень) або нейтральному (азот, аргон) середовищі. У печі завантажують багатомісні касети, в які попередній поміщають підстави корпусів, навішування припою і напівпровідникові кристали. При русі конвеєрної стрічки касета з з’єднаними деталями послідовно проходять зони нагріву, постійної температури, охолодження. Швидкість руху касети і температурний режим задають і регулюють відповідно до технологічних і конструктивних особливостей конкретного типу напівпровідникового приладу або ІМС.

Разом з конвеєрними печами для припаювання напівпровідникових кристалів до основи корпусу використовують установки, які мають одну індивідуальну позицію, що нагрівається, на якому встановлюють тільки одну деталь корпусу (ніжку) і один напівпровідниковий кристал. При роботі на такій установці оператор за допомогою маніпулятора встановлює кристал на основу корпусу і виробляє короткочасний нагрів з’єднаного вузла. У зону нагріву подається інертний газ. Цей спосіб з' єднання деталей дає добрі результати за умови попереднього лудіння поверхонь кристала і основи корпусу, що сполучаються.

Процес приєднання кристала пайкою підрозділяють на низькотемпературний (до 400°С) і високотемпературний (вище 400°С). Як низькотемпературні припаї використовують сплави на основі свинцю і олова з добавками (до 2%) сурми або вісмуту. Добавка сурми або вісмуту в олов'яно-свинцевий припій дозволяє уникнути появи "олов'яної чуми" в готових приборах і ІМС при їх експлуатації і тривалому зберіганні. Високотемпературний припаї виготовляють на основі срібла (ПСр- 45, ПСр- 72 та ін.).

На технологічний процес пайки і якість отриманого паяного з' єднання деталей сильний вплив чинять чистота з’єднувальних металевих поверхонь і вживаного припою, склад атмосфери робочого процесу і наявність флюсів.

Найбільш широке застосування процес пайки знаходить при зборці дискретних напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів, тиристорів та ін.). Це пояснюється тим, що процес пайки дає можливість отримати хороший електричний і тепловий контакт між кристалом напівпровідника і кристалотримачем корпусу, причому площа контактного з' єднання може бути досить великою (для приладів великої потужності).

Особливе місце процес пайки займає при закріпленні напівпровідникового кристала великої площі на підставі корпусу з міді. У цьому випадку для зниження термомеханічних напруження, що виникають за рахунок різниці в температурних кооффіцієнтах розширення напівпровідникових матеріалів і міді, широко використовують молібденові і молібденовольфрамових термокомпенсатори, що мають площу, рівну площі напівпровідникового кристала, а ТКl -близкий до ТКl напівпровідника. Така доладна багатоступінчаста композиція з двома прошарками з припаю з успіхом використовується при зборці напівпровідникових приладів середньою і великою потужностей.

Приплавлення з використанням евтектичних сплавів. Цей спосіб приєднання напівпровідникових кристалів до основи корпусу заснований на утворенні розплавленої зони, в якій відбувається розчинення поверхневого кулі напівпровідникового матеріалу і кулі металу основи корпусу.

У промисловості широке застосування отримали два евтектичного сплаву: золото(кремній) (температура плавлення 370°С) золото(германій)(температура плавлення 356°С). Процес евтектичного приєднання кристала до основи корпусу має два різновиди. Перший вид заснований на використанні прокладення з евтектичного сплаву, яку розташовується між елементами, що сполучаються,: кристалом і корпусом. У цьому виді з' єднання поверхня основи корпусу повинна мати золоте покриття у вигляді тонкої плівки, а поверхня напівпровідного кристала може не мати золотого покриття (для кремнію і германію) або бути покритою тонкою кулею золота (у разі приєднання інших напівпровідникових матеріалів).

Другий вид евтектичного приєднання кристала до основи корпуси зазвичай реалізується для кристалів з кремнію або германію. На відміну від першого виду для приєднання кристала не використовується прокладення з евтектичного сплаву. У цьому випадку рідка зона евтектичного розплаву утворюється в результаті нагріву композиції позолочену основу корпусу(кристал, кремнію або германію).

Приклеювання (це процес з'єднання елементів друг з другом, заснований на склеювальних властивостях деяких матеріалів, які дозволяють отримувати механічно міцні з'єднання між напівпровідниковими кристалами і підставами корпусів (металевими, скляними або керамічними). Міцність склеювання визначається силою зчеплення між клеєм і склеювальними поверхнями елементів.

Склеювання різних елементів інтегральних схем дає можливість сполучати найрізноманітніші матеріали в різних поєднаннях, спрощувати конструкцію вузла, зменшувати його масу, знижувати витрату дорогих матеріалів, не застосовувати припаїв і евтектичних сплавів, значно спрощувати технологічні процеси зборки найскладніших напівпровідникових приладів і ІМС.

У результаті приклеювання можна отримувати арматури і складні композиції з електроізоляційними, оптичними і струмопровідними властивостями. Приєднання кристалів до основи корпусу за допомогою процесу приклеювання незамінне при зборці і монтажі елементів гібридних, монолітних і оптоелектронних схем.

При приклеюванні кристалів на підстави корпусів застосовують різні типи клеїв: ізоляційні, струмопровідні, світлопровідники і теплопровідники. По активності взаємодії між клеєм і склеюваними поверхнями розрізняють полярні (на основі епоксидних смол) і неполярні (на основі поліетилену).

Технологічний процес приклеювання напівпровідникових кристалів проводять в спеціальних складальних касетах, забезпечуваних потрібну орієнтацію кристала на підставі корпусу і необхідне притиснення його до основи. Зібрані касети поклад від використовуваного склеювального матеріалу піддають певній термічній обробці або витримують при кімнатній температурі.

Особливі групи складають електропровідні і оптичні клеї, використовувані для склеювання елементів і вузлів гібридних і оптоелектронних ІМС. Струмопровідні клеї є композиціями на основі епоксидних і кремнійорганічних смол з додаванням порошків срібла або нікелю.

 

Питання:

Що таке пайка?

Лекція №6

План

Різновиди зварювання

Термокомпресійне зварювання

Зварювання електроконтакта

Ультразвукове зварювання

Приєднання виводів

У сучасних напівпровідникових приладах і інтегральних мікросхемах, у яких розмір контактних майданчиків складає декілька десятків мікрометрів, процес приєднання виводів є однією з самих трудомістких технологічних операцій.

Нині для приєднання виводів до контактних майданчиків інтегральних схем використовують три різновиди зварювання: термокомпресійну, електроконтактні і ультразвукові.

Термокомпресійне зварювання дозволяє приєднувати електричні виводи завтовшки декілька десятків мікрометрів для очистки контактів кристалів діаметром не менше 20(50 мкм, причому електричний вивід можна приєднати безпосередньо до поверхні напівпровідника без проміжного металевого покриття таким чином. Тонку золоту або алюмінієвий дріт прикладають до кристала і притискують нагрітим стержнем. Після невеликої витримки дріт виявляється щільно зчепленим з поверхнею кристала. Зчеплення відбувається внаслідок того, що навіть при невеликих питомих лещатах, що діючих на кристал напівпровідника і не викликають його руйнування, локальний тиск в мікровиступах на поверхні може бути дуже великим. Це призводить до пластичної деформації виступів, чому сприяє підігрівання до температури нижче евтектичною для цього металу і напівпровідника, що не викликають яких-небудь змін в структурі кристала. Деформація яка відбувається (затікання) мікровиступів і мікрозападин являє міцну адгезію і надійний контакт, внаслідок вандервальсових сил зчеплення, а з підвищенням температури між матеріалами, що сполучаються, вірогідніший хімічний зв'язок. Термокомпресійне зварювання має наступні переваги:

a) з' єднання деталей відбувається без розплавлення зварюваних матеріалів;

b) питомий тиск, що прикладається до кристала, не призводить до механічних ушкоджень напівпровідникового матеріалу;

c) з' єднання отримують без забруднень, оскільки не використовують припої і флюси.

До недоліків слід віднести малу продуктивність процесу.

Термокомпресійне зварювання можна здійснювати шляхом з’єднання нахлистом і встик. При зварюванні в нахлест електричний дротяний вивід, як відзначалося, накладають на контактний майданчик кристала напівпровідника і притискають до нього спеціальним інструментом до виникнення деформації виводу. Вісь дротяного виводу при зварюванні розташовують паралельно плоскості контактного майданчика. При зварюванні встик дротяний вивід приварюють торцем до контактного майданчика. Вісь дротяного виводу в місці приєднання перпендикулярна площині контактного майданчика.

Зварювання в нахлест забезпечує міцне з'єднання кристала напівпровідника з дротяними виводами із золото, алюмінію, срібла і інших пластичних металів, а зварювання встык (тільки з виводами із золото. Товщина дротяних виводів може складають 15-100 мкм.

Приєднувати виводи можна як до чистих кристалів напівпровідника, так і до контактних майданчиків, покритим кулею напиленого золота або алюмінію. При використанні чистих поверхонь кристала збільшується перехідний опір контакту і погіршуються електричні параметри приладів.

Елементи, що підлягають термокомпресійному зварюванню, проходять певну технологічну обробку. Поверхню кристала напівпровідника, покриту кулею золота або алюмінію, знежирюють.

Золотий дріт відпалюють при 300(600°З протягом 5(20 мін від способу покладу з' єднання деталей. Алюмінієвий дріт протравлюють в насиченому розчині їдкого нат-ра при 80°З протягом 1(2 мін, промивають в дистильованій воді, і сушать.

Основними параметрами режиму термокомпресійного зварювання є питомий тиск, температура нагріву і година зварювання, Питомий тиск вибирають поклад від допустимого напруження стискування кристала напівпровідника і допустимою деформації матеріалу приварюваного виводу. Година зварювання вибирають експериментальним шляхом.

Відносна деформація при термокомпресійному зварюванні

,

де d(діаметр дроту, мкм; b(ширина з' єднання, мкм.

Тиск на інструмент визначають, виходячи з розподілу напруги на стадії завершення деформації:

,

де A(коефіцієнт, що характеризує зміну напруги в процесі деформації дроту; f(приведень коефіцієнт тертя, що характеризує тертя між інструментом, проволкой і підкладкою; (відносна деформація; (межа текучості матеріалу дроту при температурі деформації; d(діаметр дроту; D(діаметр притискного інструменту, рівний зазвичай (2ч3) d.

Ці номограми дають можливість оптимального вибору співвідношення між тиском, температурою і часом.

Термокомпресійне зварювання має досить багато різновидностей, які можна класифікувати за способом нагріву, за способом приєднання, за формою інструменту. За способом нагріву розрізняють термокомпресійне зварювання з роздільним нагрівом голки, кристала або пуансона, а також з одночасним нагрівом двох з цих елементів. а способом приєднання термокомпресійне зварювання може бути встык і в нахлест.