Ушаков_ТПЭВМ (562162), страница 27

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 27)

Сложность ИС характеризуется степенью интеграции, т. е. чис­лом содержащихся в ней элементов:

К =lg N , (14.3)

где К - коэффициент, определяющий степень интеграции (значе­ние К. округляют до ближайшего целого числа); N - число элемен­тов интегральной микросхемы, в том числе содержащихся в со­ставе компонентов, входящих в интегральную микросхему.

Различают интегральные микросхемы шести степеней интегра­ции: первой степени интеграции - до 10 элементов и компонентов; второй степени - свыше 10... 10²; третьей степени - свыше 10²... 10³; четвертой степени - свыше 10³... 10⁴; пятой степени - свыше 10⁴... 10⁵; шестой степени - 10⁵... 10⁶.

В зависимости от числа компонентов и элементов, а также тех­нологии изготовления различают малые, средние, большие и сверх­большие ИС. Так, например, большой интегральной микросхемой (БИС) называется ИС, содержащая 500 элементов и более, изго­товленных по биполярной технологии, 1000 элементов и более, из­готовленных по МОП-технологии.

Показатель степени интеграции особенно важен для цифровых ИС, так как чем меньше схемный элемент, тем выше его быстро­действие.

Интегральные схемы. По конструктивно-технологическо­му исполнению ИС делятся на три группы: полупроводниковые, гибридные и прочие. К прочим относятся пленочные ИС, вакуумные и керамические. Этим группам в системе условных обозначений присвоены следующие цифры: 1, 5, 6, 7 - полупроводниковые ИС (обозначение 7 присвоено бескорпусным ИС); 2, 4, 8- гибридные ИС; 3 - прочие ИС.

Полупроводниковые ИС. Они являются основными эле­ментами ЭВМ. Имеют высокую надежность, обеспечивают боль­шую плотность упаковки элементов и низкую стоимость при круп­носерийном производстве.

Полупроводниковые ИС изготовляют на специализированных предприятиях. Наряду с этим применяют микросхемы специально­го назначения со специфическими функциями и электрическими ха­рактеристиками. Разработка и производство таких микросхем осу­ществляются неспециализированными предприятиями, так как по­требность в них относительно небольшая.

В качестве микросхем специального назначения широко приме­няют гибридные тонко- и толстопленочные интегральные схемы (ГИС), которые дают возможность получения высококачественных пассивных элементов. Паразитные емкости пленочных резисторов примерно в 10 раз меньше, чем у диффузионных, и последующая подгонка дает возможность повысить точность резисторов до ±0,1%.

Недостатками ГИС являются низкая плотность компоновки, более высокая стоимость и малая надежность.

Тип микросхемы выбирают прежде всего исходя из показателей назначения, определяющих соответствие их требованиям техниче­ских условий.

Полная номенклатура параметров микросхем, выпускаемых про­мышленностью, приводится в справочниках и отраслевых стандар­тах. Эта номенклатура постоянно пополняется схемами вновь ос­военными промышленностью.

При выборе типа микросхемы необходимо также учитывать эф­фективность их производства и эксплуатации.

Производство полупроводниковых ПС требует больших капи­тальных затрат и оправдывает себя при достаточно большом объе­ме производства (более 50 тыс. в месяц). Наиболее дешевыми при мелкосерийном производстве являются толстопленочные ГИС. При одинаковых рабочих характеристиках тонкопленочные ГИС будут дешевле толстопленочных, если они изготовляются в количестве больше 10 тыс. в месяц.

При мелкосерийном производстве простота разработки и произ­водства обеспечивают преимущество ГИС.

Таблица 14.1

В табл. 14.1 приведена сравнительная характеристика парамет­ров различных типов микросхем. Для оценки показателей исполь­зована четырехбалльная шкала: 3 - отлично; 2 - хорошо; 1 - удов­летворительно; 0 - неудовлетворительно.

В каждом конкретном случае необходимо учитывать дополни­тельные (специфичные) показатели (перспективность изделия, со­стояние производственной базы и др.).

Микросборка представляет собой иикроэлектроииое изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала, состоящее из элементов и (или) компонентов, размещен­ных на общей подложке, разрабатываемое для конкретной аппара­туры с целью улучшения показателей ее миниатюризации и рас­сматриваемое как единое целое с точки зрения требований к прием­ке, поставке и эксплуатации.

Выпуск микросборок характеризуется малым объемом и боль­шой номенклатурой, что ограничивает выбор методов их изготовле­ния.

ГЛАВА 15

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

15.1. Подложки тонкопленочных микросхем

Тонкопленочными интегральными микросхемами называются Микросхемы, все элементы и межсоединения которых выполнены на одной общей подложке в виде пленок из резистивных, диэлек­трических, проводящих и других материалов толщиной от нескольких сотых до десятых долей микрометра (но не более 1 мкм).

Пассивные элементы схемы (резисторы, конденсаторы и др.) изготовляют методами тонкоплсночной технологии; активные эле­менты схемы (диоды, транзисторы и др.) — по обычной техноло­гии, но и миниатюрном или бескорпусном оформлении и монтиру­ют на подложке.

Тонкопленочные микросхемы, в которых используются навес­ные активные элементы, называют гибридными интегральными микросхемами.

Достоинства тонкопленочных микросхем — возможность получе­ния резисторов и конденсаторов с широким диапазоном номиналов и точными параметрами, высокая температурная стабильность их и возможность автоматизации процесса напыления.

Надежность повышается за счет сокращения числа соединений в схеме и уменьшения механических напряжений от ударов, уско­рений и вибраций вследствие уменьшения массы. Ускорение в 1000 g воздействует на элемент с массой 1 мг силой 0,01 Н.

Основной недостаток тонкопленочных интегральных микро­схем — невозможность изготовления в настоящее время по тонкопленочной технологии активных элементов схемы. Это связано с трудностью получения монокристаллических полупроводниковых пленок на аморфных и поликристаллических подложках, обычно применяемых для тонкопленочных микросхем. Необходимость в монтаже активных элементов снижает надежность и увеличивает стоимость микросхем.

Конструктивной основой тонкопленочных микросхем является изоляционная подложка, которая существенно влияет на парамет­ры тонких пленок и надежность всей схемы. Общие требования, предъявляемые к подложке независимо от конструкции и назначе­ния микросхем, следующие: гладкая поверхность, высокая плос­кость, беспористость, механическая прочность, близость коэффи­циентов термического расширения подложки и пленки, хорошая теплопроводность, стойкость к термоударам, химическая стойкость, большое удельное электросопротивление, низкая стоимость.

Гладкая поверхность (R_а 0,01 ...0,04 мкм) необходима для обеспечения однородности и воспроизводимости электрических параметров схемных элементов. Например, шероховатость поверх­ности может влиять непосредственно на эффективную длину про­бега электронов.

Плоскостность поверхности (особенно волнистость) влияет на четкость линий при фотолитографическом процессе. Ес­ли поверхность фоторезиста не имеет хорошего контакта с фото­шаблоном, то четкость отдельных участков будет ухудшаться. От­клонения от плоскостности допускаются в пределах 0,1 ... 5 мкм/мм.

Беспористость (высокая плотность) материала подложки позволяет исключить интенсивное газовыделение, так как плотные материалы (сапфир и некоторая керамика) могут нагре­ваться до высоких температур и обезгажены более тщательно.

Механическая прочность зависит от модуля упругости. Подложки должны обладать значительной механической прочно­стью при небольших толщинах. В процессе обработки подложки могут возникать поверхностные трещины, которые снижают модуль упругости.

Стойкость к термоударам характеризуется коэффици­ентом термического расширения, который определяет напряжения, возникающие в подложке при резком изменении температуры.

Химическая стойкость подложки важна на всех ста­диях ее обработки. Наиболее высокую химическую стойкость имеют подложки из оксида бериллия и сапфира. На них не оказывают действия растворы на основе плавиковой кислоты и длительное пребывание во влажной среде.

Большое удельное электросопротивление и хоро­шая теплопроводность являются важными требованиями в связи с повышением уровня интеграции микросхем. Первыми материалами, из которых изготовлялись подложки, были стекло и керамика.

Стеклянные подложки имеют гладкую поверхность и обладают хорошей адгезией со всеми материалами, применяемыми для изго­товления тонконленочных микросхем. К недостаткам подложек из стекла относятся плохая теплопроводность, малая прочность и трудности, связанные с механической обработкой.

Керамические подложки обладают повышенной механической прочностью и теплопроводностью. Их применяют для схем, рассеи­вающих большие мощности. Максимальная высота неровностей по­лированной керамической подложки из материала 22ХС составля­ет 0,02 мкм, что допустимо при толщине пленки не менее 0,1 мкм. Возможность получения сквозных отверстий в подложке позволя­ет присоединять обычные элементы (транзисторы, диоды и др.), что расширяет функциональные возможности схемы. Сквозные отверстия используют также для проволочных выводов, которые пе­ред пайкой расклепывают в отверстиях.

В настоящее время основным материалом, применяемым для изготовления подложек, являются ситаллы (марка СТ-50-1 и др.), которые получают термической обработкой стекла. При такой об­работке стекло выдерживают некоторое время при температуре, близкой к температуре плавления, что приводит к частичной крис­таллизации и образованию мелкой однородной и равномерно рас­пределенной кристаллической структуры. По своим физико-меха­ническим свойствам ситалл превосходит стекло, так как имеет боль­шую теплопроводность, теплостойкость и механическую прочность. Его можно прессовать, вытягивать, выдувать, прокатывать и отли­вать. Температура деформации ситалла составляет 1150 ˚С. Мате­риал выдерживает резкие перепады температур в воздушной среде (от +700 до -60 °С). Ситалл обладает высоким электрическим сопротивлением, которое уменьшается с повышением температуры до 400°С, и имеет высокую химическую стойкость.

Для изготовления подложек ограниченного применения исполь­зуют фотоситалл и монокристаллические материалы.

Фотоситалл получают путем кристаллизации светочувстви­тельного стекла. Основными составными частями фотоситалла яв­ляются оксиды кремния (75%), лития (11,5%), алюминия (10%) и калия (3,5%) с небольшими добавками азотнокислого серебра и диоксида церия. Фотоситалл инертен к кислотам, обладает высо­кой механической и термической стойкостью. При воздействии уль­трафиолетового облучения на фотоситалле проявляется конфигу­рация рисунка фотошаблона,

Наиболее перспективными являются монокристаллические ма­териалы и, в частности, синтетический сапфир. На под­ложках из таких материалов можно получать активные элементы схемы. Подложки из сапфира обладают хорошими физико-механи­ческими свойствами и однородным составом. Однако такие подлож­ки имеют высокую стоимость. Высокой теплопроводностью обладают алюминиевые подложки с оксидным слоем в качестве электроизоляции. Подложки тщательно очищают, так как любые за­грязнения ухудшают условия конденсации, влияют на текстуру тон­кой пленки и ее адгезию. Подложки из ситалла очищают кипяче­нием в водном растворе перекиси водорода и аммиака. Затем про­изводятся промывка, кипячение в дистиллированной воде и сушка в парах изопропилового спирта. Очищенные подложки хранят в эксикаторах или в 95%-ном этиловом спирте. Непосредственно пе­ред напылением подложки подвергаются окончательной очистке в вакуумной камере с помощью ионной бомбардировки. При этом удаляются поверхностные слои материала вместе с различными загрязнениями и адсорбированными газами.

Наиболее простой метод контроля качества очистки — испыта­ние на разрыв высыхающей пленки дистиллированной воды. При этом подложку погружают в сосуд с дистиллированной водой при 20°С и вынимают из воды в вертикальном положении. В течение 1 мин наблюдают за поверхностью подложки. Подложка считается свободной от загрязнений, если водная пленка распределяется по ее поверхности тонким сплошным слоем в течение не менее 1 мин. Если поверхность загрязнена, то пленка будет разрываться и стяги­ваться к смоченным участкам.

Характеристики

Список файлов книги