Тема 3 Основы конструирования МСБ (Конспект лекций ОКТРЭС)

1Тема 3. Основы конструирования микросборокВ основе изготовления тонкопленочных элементов МСБ лежат три взаимосвязанных процесса:- очистка подложки;- нанесение тонких пленок;- формирование конфигурации тонкопленочных элементов.Очистка подложки является обязательным исходным условием для получения бездефектных пленок, обеспечения высокой эксплуатационной надежности элементов, воспроизводимости их параметров.Для нанесения тонких пленок наибольшее распространение получили методы термического испарения в вакууме и ионного распыления.Нанесение тонких пленок производится в вакуумной камере.Достоинствами метода ионного распыления по сравнению с термовакуумнымнапылением:- возможность получения пленок из тугоплавких материалов;- выше адгезия пленки, лучше ее свойства;- шире возможности управления свойствами пленок при их формировании (реактивное распыление);- многократное использование мишени.К недостаткам метода следует отнести: - сложность оборудования и его эксплуатации;- ниже скорость осаждения пленки;- более "грязные" условия их получения из-за меньшей степени разряженностив рабочей камере.2Методы формирования конфигурации пленочных элементов МСБФормирования конфигурации пленочных элементов МСБ осуществляетсяметодами:свободной маски,контактной маски,Фотолитографии.Маски (трафареты) могут выполняться из одного материала (монометаллические) и из двух материалов (биметаллические).К достоинствам метода свободной маски можно отнести:- многократное использование маски;- возможность формирования нескольких слоев с помощью набора свободных масок за один цикл вакуумной откачки на установке вакуумного напыления;- метод не использует травильные растворы, экологически чист;- применим для материалов плохо поддающихся химической обработке;- процесс изготовления масок относительно прост.К недостаткам метода свободной маски можно отнести:- возможность получения только простых конфигураций пленочных элементов;- жесткость маски и воспроизводимость элементов падают с усложнениемрисунка маски;- зазоры между соседними элементами (lз) не могут быть меньше толщины маски (hм);- многократность использования маски приводит к ее короблению, чтоуменьшает воспроизводимость параметров напыляемых элементов.Область применения метода свободной маски: для изготовления МСБ невысокой точности для мелкосерийного производства.3Метод фотолитографии позволяет формировать элементы любой сложности и конфигурации и имеет более высокую точность, чем метод свободноймаски.

Однако он более сложен, так как включает ряд прецизионных операций.Метод фотолитографии включает в себя следующие разновидности: прямую, двойную и обратную фотолитографию.При прямой фотолитографии характерна следующая последовательность операций:- нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента на подложку;- формирование на ее поверхности защитной фоторезистивной маски;- вытравливание через окна в фоторезисте ненужных участков пленки.При двойной фотолитографии после напыления резистивной и проводящей пленок, сначала проводят первую фотолитографию и одновременное ихтравление.Затем после снятия первого слоя фоторезиста проводят вторую фотолитографию и через вновь полученную фоторезистивную маску стравливаютпроводящий слой в местах формирования резистивных элементов.

На изготовленный резистор наносят защитный слой диэлектрического материала и третьей фотолитографией вскрывают в нем окна над контактными площадками.Метод контактной маски заключается в нанесении тонкопленочных элементов через тонкие металлические маски одноразового использования, которые формируют на поверхности подложек. Например, напылением медныхпленок с последующим созданием в них окон, соответствующих заданной конфигурации элементов. При невысоких температурах нагрева подложек маскивместо металла выполняют из фоторезиста.

В отличии от свободных контактные маски являются неотъемлемой частью подложек и не имеют микрозазора сих поверхностью.Контактную маску нельзя применять при создании многослойных платМСБ. Это объясняется тем, что для получения рисунков последующих слоевтребуется их обработка травильными растворами, которые, воздействуя на предыдущие слои, изменяют их электрофизические параметры.4Сравнительная характеристика методов формирования конфигурациипленочных элементов приведена в табл.3.1.Таблица 3.1НаименованиеСвободнаямаскаКонтактнаямаскаКонтактнаяфотолитографияМинимальнаяширина элемента (зазора), мкм20-5010-202-3Точностьобеспеченияразмера, мкм+(5-10)-(5-10)+(3-5)-(3-5)+0,5-0,5ЗатратымалыеотносительномалыесредниеОбласть примененияМСБ общегопримененияМСБ общегопримененияпрезиционные,СВЧ,коммутационныеОсновы конструирования гибридных тонкопленочных МСБПорядок разработки конструкции микросборкиИсходными данными для разработки конструкции МСБ являются технические требования, конструктивно-технологические данные и ограничения,схема электрическая принципиальная (Э3).Разработка конструкции МСБ проводится в несколько этапов и начинается с анализа принципиальной электрической схемы (ЭЗ), проводимого с целью:оценочного расчета по постоянному току электрических режимов элементов икомпонентов; задания требований к точности схемных элементов; формулировки общих требований к взаимному размещению схемных элементов и цепей дляисключения паразитных связей и наводок, установления перечня элементов,выполняемых в тонкопленочном варианте, обоснования состава (типа, размеров) навесных компонентов.На втором этапе выбираются материалы, форма пленочных элементов,метод изготовления и рассчитываются их размеры.

Далее определяется ориентировочная площадь платы, выбираются размеры платы и способ ее герметизации (тип корпуса).5Следующим этапом разработки конструкции является размещение пленочных элементов и навесных компонентов на плате и прокладка соединительных проводников.На последнем этапе проектирования МСБ вычерчивается эскиз конструкции, отражающий расположение платы и навесных компонентов в корпусе, атакже проводится оценка качества разработки: расчет тепловых режимов элементов и компонентов; оценка уровня помех в многокристальных МСБ и проверка соответствия требованиям ТЗ; оценка проектной надежности.Анализ принципиальной электрической схемы МСБ. Расчет по постоянному току электрических режимов цепей и схемных элементов проводится дляопределения максимально возможных значений токов, протекающих через активные элементы, напряжения на конденсаторах, мощности, рассеиваемой резисторами. Расчет по известным номинальным значениям параметров элементов ведется для "наихудшего случая".Выбор элементной базы проводится с целью разделения элементов ЭЗ напленочные элементы, изготавливаемые на поверхности подложек в тонкопленочном варианте и навесные компоненты, выполненные в бескорпусном исполнении и устанавливаемые на подложку с помощью клея или пайки.

Приэтом необходимо определить тип, геометрические (установочные) размеры,способы монтажа на подложку навесных компонентов.При разбиении элементов схемы на элементы и компоненты МСБ следуетисходить из следующих положений:а) Все активные элементы схемы применяются в виде навесных компонентов. При выборе бескорпусных аналогов транзисторов в качестве параметров сравнения используют: максимальный ток коллектора, граничную частоту,максимальную рассеиваемую мощность, коэффициент передачи по току. Выборсерии (типа) бескорпусных аналоговых микросхем проводят путем сравненияфункциональных показателей, рассеиваемой мощности, потребляемого тока. .Основными параметрами сравнения цифровых микросхем являются: функциональные параметры (средняя задержка, помехоустойчивость, коэффициент раз-6ветвления по выходу, коэффициент объединения по входу) напряжение питания. Состав навесных компонентов МСБ определяется на основе справочныхданных.

Все выбираемые дискретные компоненты должны быть совместимы сконструкцией МСБ по:- технологии установки компонентов на поверхности подложки;- массе и габаритам;- электрическим параметрам;- эксплуатационным параметрам;- надежности.Информация по бескорпусным полупроводниковым приборам приведенав Справочном материале для студентов.Резисторы постоянные и переменные выбирают по номинальному значению и отклонению номинала, мощности и массогабаритным показателям.

Справочные данные по бескорпусным резисторам приведены в Прил. 3.Конденсаторы постоянной и переменной емкости выбирают из группыкерамических(КТ4-27,28,29,К10-9,К10-17в)игруппыоксидно-полупроводниковых (К53-15, К53-16, К53-19, К53-22, К53-26 и др.) по номинальному значению и отклонению емкости, напряжению, приложенному к обкладкам и массогабаритным показателям. Справочные данные по бескорпусным конденсаторам приведены в Прил.4..б) В тонкопленочном варианте выполняются обычно резисторы с номиналом от 10...50 Ом до 0,5...1,0 МОм, конденсаторы емкостью от 10...50п Ф до0,01 мкФ, индуктивности до 10 нГн, все соединительные проводники и контактные площадки МСБ.Разработка топологии плат МСБ7Целью разработки является определение конфигурации и размеров всехтонкопленочных элементов, их рационального размещения на подложке.