Министерство образования Российской Федерации
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса
Кафедра “Радиотехника”
Электроника и микроэлектроника
Часть 3.
Интегральные микросхемы. Технология.
Методическое пособие по самостоятельному изучению курсов “Электроника и микроэлектроника”, “Электроника и электротехника” для студентов направления 552500 “Теоретическая радиотехника”, специальностей “Радиотехника”, “Сервис бытовой радиоэлектронной аппаратуры” и “Информационные системы в технике и технологиях”
Шахты 2000г.
СОДЕРЖАНИЕ.
Введение.........................................................................................................…….4
1. Основы проектирования технологических процессов.............……………...5
1.1 Основная задача проектирования и определение функциональной сложности.………………………….............…….................………….....……....5
1.2 Оптимизация ИМС по критерию функциональной точности…….…….…6
1.3 Проектирование резисторов и конденсаторов ГИМС
, пленочных проводников и контактных площадок……………………...........…….……....61.4
Принцип практического проектирования и компоновки топологической структуры гибридных ИМС…..............................................…………………....71.5
Разработка топологии и конструирования ГИМС....................…………....82.
Основы технологии изготовления интегральных микросхем.......…….........93.
Фотолитография в производстве микросхем.................................……........134.
Методы получения рисунка микросхем..........................................……........215.
Монтаж навесных компонентов.......................................................……........266.
Схема технологического процесса изготовления толстопленочных микросхем …...................................................……………………………….….286.1.
Методы получения толстых пленок …………………………….……….306.2.Материалы для толстопленочных микросхем………………
…….……….326.3.
Изготовление трафаретов.......................................................…….……..…356.4.Процесс сушки и вжигания.
..............................................……….…........…366.5.Толстопленочные элементы.
............................................……….….......…..377.
Гибридные большие интегральные схемы.......................…….................... 38ВВЕДЕНИЕ.
Современный этап научно-технического прогресса характеризуется широким внедрением достижений микроэлектроники, в создании изделий культурно-бытового и хозяйственного назначения.
Применение современной элементарной базы позволило не только усовершенствовать старые, но и создать новые методы проектирования, конструирования и производства бытовой радиоаппаратуры, улучшить ее технические и эксплутационные характеристики.
Современную аппаратуру отмечают малые габариты, масса потребляемой мощности, высокая надежность, долговечность, многообразное функциональное назначение.
Разнообразие интегральных микросхем, различающихся по назначению параметрами, конструктивному оформлению ставит перед разработчиками непростую задачу их оптимального выбора.
Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами, но опережающая роль в этом процессе отводится технологии, так как только дальнейшее развитие технологии и средств производства МЭУ позволит создать более совершенные микроэлектронные устройства.
1.ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
Разработка гибридных интегральных микросхем представляет собой комплекс мероприятий, направленных на создание комплекта конструкторской документации (КД), предназначенного для изготовления, контроля и хранения микросхемы. При проектировании ГИМС общего применения разрабатывают, как правило, не отдельный тип микросхемы, а полный состав серии ИМС. Определяющими при этом является логическая (функциональная) структура радиоэлектронного устройства и технологический процесс изготовления.
Проектирование гибридных ИМС осуществляют в такой последовательности:
1-
производят анализ технического задания с учетом особенностей и возможностей пленочной технологии: получение пленочных элементов необходимых номинальных значений с заданными точностью, пробивным напряжением, мощностью рассеяния и др.;при этом учитывают параметры и конструкции активных и других компонентов, надежность и экономические факторы; в случае необходимости производят уточненный электрический расчет;
2-
выбирают дискретную элементную базу - типы компонентов;3-
выбирают тип конструкции гибридной ИМС и тип корпуса исходя из условий эксплуатации;4-
уточняют технологию нанесения пассивных пленочных элементов и выбирают метод сборки ИМС с учетом вида производства;5-
определяют площадь подложки, ее форму, размеры и материал;6-
производят расчет пленочных элементов с учетом схематических требований и технологических возможностей, определяют форму и геометрию элементов и разрабатывают топологию схемы эскизный вариант;7-
производят оценку емкостных и индуктивных связей;8-
производят тепловой расчет;9-
производят расчет проектной надежности;10-
разрабатывают оригинал - топологии ИМС (уточняют эскизный вариант);11-
разрабатывают морфологию гибридной ИМС - проектируют топологию каждого слоя схемы;12-
разрабатывают конструкцию гибридной ИМС;13-
оформляют и осуществляют выпуск технической документацией.1.1.ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СЛОЖНОСТИ.
Основной задачей проектирования является разработка топологии и морфологии гибридной ИМС, на базе чего оформляют чертежи для изготовления фотошаблонов (масок) и осуществляют сборку. Разработка топологии является одним из важных этапов проектирования гибридной ИМС, на котором решают задачу компоновки пленочных элементов и компонентов с учетом общей компоновки микросхемы, ее электрических особенностей и технологических возможностей изготовления. При разработке топологии проектируют схему взаимного расположения пленочных элементов разрабатываемой ИМС, рассчитывают их геометрические размеры, выбирают форму, компонуют пленочные и навесные элементы , и вычерчивают их размещение на подложке в увеличенном масштабе. Разработка морфологии включает в себя определение степени интеграции, количества пленочных слоев, их конфигурации, геометрии и последовательности формирования. Как правило, каждый слой представляет собой топологическую структуру, создаваемую нанесением пленки одного материала (резистивного, диэлектрического, проводящего, защитного).
Определение функциональной сложности
- главная задача , решаемая на начальной стадии проектирования гибридных ИМС. Определение функциональной сложности сводится к определению оптимального числа элементов, реализуемых в составе одной ИМС, не только с учетом функционально- узлового метода проектирования, но также с учетом процента выхода годных схем и экономических затрат на их производство.1.2.ОПТИМИЗАЦИЯ ИМС ПО КРИТЕРИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ.
Проектирование ГИМС должно быть направлено на получение оптимальной топологической структуры и конструкции ИМС в целом.
Оптимальность топологической структуры гибридной ИМС заданной функциональной сложности достигается определением оптимальной конфигурации пленочных элементов и оптимальным размещением элементов и компонентов на плате заданного размера. В свою очередь оптимальная конфигурация каждого из пленочных элементов и всей пассивной части ГИМС определяется совокупностью факторов, основными из которых являются требуемые выходные параметры ИМС, номинальные значения элементов и допуски на них, требуемая плотность размещения, свойства материалов пленочных элементов, электрические режимы и др.
1.3.ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ ГИМС, ПЛЕНОЧНЫХ ПРОВОДНИКОВ И КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК.
При проектировании пленочных резисторов применяют различные конструкции (сложной конфигурации; специальной конфигурации, допускающей ступенчатую и плавную подгонку их сопротивлений). Ступенчатая подгонка резисторов осуществляется удалением металлических перемычек в подгонных секциях. Проектирование же подгоняемых резисторов сводится к определению длины и количества подгоняемых секций. При проектировании резисторов плавной подгонкой производят расчет значения ширины резистора, определяют максимальную глубину разреза (выреза), с помощью которого сопротивление подгоняется в нужные границы.
В гибридных ИМС наряду с резисторами наиболее распространенными пассивными элементами являются пленочные конденсаторы, которые во многом определяют схемотехнические и эксплуатационные характеристики ГИМС, что в свою очередь определяется конструкцией и технологией изготовления. Проектирование пленочных конденсаторов заключается в следующем:
1-
в выборе того или иного типа пленочного конденсатора;2-
в расчете всех параметров пленочного конденсатора для получения нужных схемотехнических и эксплуатационных характеристик.В гибридных ИМС одного конструктивно- технологического исполнения с целью обеспечения технологичности для пленочных проводников и контактных площадок применяют, как правило, одни и те же материалы, которые удовлетворяют общим требованиям благодаря низкому сопротивлению и высокой адгезии к подложке. Для обеспечения адгезии зачастую их выполняют многослойными. Конкретные значения параметров пленочных проводников и контактных площадок определяются материалом и их геометрическими размерами. Поэтому при проектировании гибридных ИМС необходимо осуществлять расчет пленочных проводников и контактных площадок с учетом требований, предъявляемых к характеристикам ГИМС. Эти требования проявляются в следующем: падения напряжения на проводнике, сопротивления проводника и контактного перехода, плотность тока через проводник, собственной емкости и индуктивности проводника, уровня помех и др. Причем повышение плотности размещения элементов и компонентов на плате сопровождается уменьшением ширины пленочных проводников, что приводит к повышению их сопротивления и индуктивности и соответственно, к увеличению помех в проводниках. При проектировании контактных площадок при расчете ее длины учитывают удельное переходное сопротивление контактов, а ширину контактной площадки выбирают с учетом обеспечения совмещения слоев. Каждая гибридная ИМС должна иметь ключ - увеличенную контактную площадку или специальный знак, расположенный на большой стороне платы в нижнем левом углу, ключ вычерчивают в процессе проектирования топологии.
1.4.ПРИНЦИП ПРАКТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОМПОНОВКИ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ГИБРИДНЫХ ИМС.
Процесс проектирования топологической структуры гибридных ИМС включают последовательное выполнение целого комплекса работ по расчету пленочных элементов и их компоновке вместе с компонентами на плате заданных размеров. При этом процесс проектирования предполагает выполнение четырех основных этапов:
1-
определение минимальных размеров платы, выбор компонентов и типоразмера корпуса;2-
разработку коммутационной схемы соединений элементов на подложке;3-
расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов;4-
разработку окончательного варианта топологии- оригинала. Общими принципами для всех этапов проектирования топологической структуры являются:-минимизация площади, занимаемой элементами, компонентами и схемой в целом; минимизация числа пересечений межэлементных соединений;
-равномерное расположение элементов и компонентов по площади;
-минимизация числа используемых материалов для реализации пленочных элементов;
-
повышение степени интеграции элементов и технологическихпроцессов.
Первый этап (предварительный) проектирования включает в себя круг вопросов, связанных с анализом электрической схемы, схемотехнических данных, типовых технологических процессов и свойств материалов для пленочных элементов, базы данных по компонентами. Его выполняют с целью:
Разработка коммутационной схемы соединений (второй этап проектирования) является составной частью топологического проектирования и включает в себя преобразование исходной электрической схемы с целью составления схематического плана размещения элементов и соединений между ними на подложке микросхемы. На этом этапе применяют элементы анализа схем с помощью графов, что требует соблюдения следующих принципов кроме основных:
-упрощение конфигурации электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получение прямых линий и улучшения субъективного восприятия;
-выделения на преобразованной схемы пленочных и навесных элементов;
-снабжения электрической схемы внутренними и периферийными контактными площадками
;-рассмотрение пассивной части ИМС как графа, вершинами которого являются контактные площадки, а ребрами
- пассивные элементыэлектрической цепи.
Данные, полученные в первых двух этапах являются исходной
информацией для проектирования топологии ИМС.
1.5.РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И КОНСТРУИРОВАНИЯ ГИМС.
Исходными данными для разработки топологии гибридных ИМС
являются:
1-
размер платы;2-
схема соединений элементов ;3-
геометрические размеры пленочных элементов;4-
геометрические размеры компонентов (из справочника)5-
конструктивные, технологические и электрические (схемотехнические) данные, требования и ограничения.Разработку топологии
- схемы расположения элементов на плате с учетом всех требований в 2 приема: с начала разрабатывают эскизный вариант топологии, затем - оригинал.По разработанной топологии составляют морфологию ГИМС, т.е. разрабатывают конфигурацию каждого слоя топологической структуры, формирование которого осуществляется из одного материала за
1 технологический цикл. (слой с резисторами, слой с соединениями, изоляционный слой и др.)В основной комплект конструкторской документации на ГИМС входят:
1-
спецификация микросхемы;2-
принципиальная электрическая схема;3-
сборочный чертеж ИМС;4-
топологический чертеж платы;5-
топологические чертежи отдельных слоев навесной части;6-
таблица координат конфигурации элементов каждого слоя;7-
технические условия;8-
ведомость покупных изделий;9-
чертежи общего вида;10-
чертежи узлов и деталей корпуса;Последние два
- когда вместе с разработкой топологии производиться разработка корпуса.2.ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ.
В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными.
Тонкопленочными интегральными микросхемами называются схемы, полученные в результате последовательного изготовления на одной общей подложке элементов и соединительных проводников, представляющих собой пленки из резистивных , диэлектрических, проводящих и других материалов толщиной от нескольких сотых до десятичных долей микрометра (но не более 1мкм).
Тонкопленочные схемы, в которых используют навесные активные элементы, называют гибридными интегральными микросхемами.
Достоинство тонкопленочных микросхем - возможность получения резисторов и конденсаторов с широкими диапазонами номиналов и точными параметрами, высокая температурная стабильность и возможности автоматизации процесса напыления. Они обладают повышенной надежностью по сравнению с аппаратурой на дискретных элементах, так как сокращается число соединений в схеме, и уменьшаются механические напряжения от ударов, ускорений и вибраций вследствие значительного уменьшения массы элементов. Основной недостаток-трудность изготовления активных элементов схемы по тонкопленочной технологии. Трудность изготовления активных элементов схем связана с трудностью получения монокристаллических полупроводниковых пленок на аморфных и полукристаллических подложках, которые в основном применяются для тонкопленочных микросхем. Необходимость в монтаже активных элементов снижает надежность и увеличивает стоимость микросхем.
Рассмотрим схему технологического процесса изготовления тонкопленочных гибридных интегральных схем (схема 2.1).
Подложка является конструктивной основой гибридных интегральных схем. Она оказывает существенное влияние на параметры тонких пленок и надежность всей схемы. К подложкам, независимо от конструкции и назначения микросхем, предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность
, высокое значение диэлектрической проницаемости, малый угол диэлектрических потерь, высокая плоскостность, беспористость, близость температурных коэффициентов расширения подложки и пленки, хорошая теплопроводность, стойкость к термоударам, химическая стойкость, большое электросопротивление, минимальная шероховатость поверхности, низкая стоимость. К кристаллической структуре этих подложек не предъявляется каких - либо особых требований.Малая шероховатость поверхности необходима для обеспечения однородности и воспроизводимости электрических параметров схемных элементов. При этом от шероховатости зависит не только величина сопротивления, но и его стабильность. Особенно чувствительны к неровностям поверхности конденсаторы. Отдельные выступы могут оказаться соизмеримыми с толщиной пленок и даже пронизывать их. Часто микронеровности создают слабые места в диэлектрики, что приводит к отказам во время работы микросхем. Для конденсаторов лучше всего подходят оплавленные поверхности.
Высокая плотность материала подложки позволяет исключить интенсивное газовыделение, так как плотные материалы (сапфир и некоторая керамика) могут быть нагреты до высоких температур и обесгажены более тщательно.
Подложки должны обладать значительной механической прочностью при небольших толщинах. В процессе обработки подложки могут возникать поверхностные трещины, которые снижают механическую прочность.
Стойкость к термоударам характеризуется коэффициентом термического расширения, который определяет напряжения, возникающие в подложке при резком изменении температуры.
Химическая стойкость, химический состав и физическое состояние подложек оказывают заметное влияние на параметры пленочных элементов. Наличие в составе подложек легкоподвижных щелочных элементов может привести к значительному увеличению поверхностей электропроводимости и даже к коррозии пленок. В таких случаях на поверхность подложек наносят слой окисла
, не имеющего ионной проводимости в рабочих условиях.Материалы, применяемые для подложек:
С
т е к л о - имеет очень гладкую поверхность и обладает хорошей адгезией со всеми материалами. Стекло было первым материалом, , из которого изготавливались подложки. Это обусловлено его доступностью, хорошими диэлектрическими свойствами и почти идеально гладкой поверхностью, не требующей дополнительной обработки;С и т а л л
- это стеклокерамический материал, получаемый путем термообработки стекла. Имеет высокую механическую прочность, большую теплопроводность, чем стекло, лучшие диэлектрические свойства на высоких частотах;К е р а м и к а- основным компонентом ее является окись алюминия. Обладает высокими механическими, термическими и диэлектрическими свойствами. Существенным недостатком керамических подложек является сложность технологии их изготовления; алюминий - обладает высоким коэффициентом теплопроводности
, с окисным слоем в качестве электроизоляции позволяет повысить удельные нагрузки и уменьшить размер микросхем.Широкое применение в технологии изготовления тонкопленочных гибридных микросхем получили следующие методы:
Термическое испарение в вакууме основано на свойстве металлов и некоторых других материалов в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно и оседать на поверхности, расположенной на пути их движения. Осаждаемый материал нагревается до тех пор
, пока давление его паров не превысит давление остаточных газов. При этом происходит испарение материала и конденсация его на поверхности подложки с образованием пленки. На качество пленок значительное влияние оказывает величина остаточного давления в рабочем пространстве, которая характеризуется средней длиной свободного пробега остаточных газов. Длиной свободного пробега называется расстояние, проходимое молекулой между двумя последовательными столкновениями. Длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна давлению газа. Температура, при которой напыляемый материал переходит в парообразное состояние, не вызывает перегрева обрабатываемых изделий, так как в условиях высокого вакуума резко понижена температура испарения материала. Схема установки вакуумного термического распыления показана на рисунке 2.1. Установка состоит из плоской плиты 3, на которой установлен стеклянный или металлический колпак 6, который имеет смотровое окно 5. На плите предусмотрены два изолированных вакуумных вывода 11 для питания испарителя 10. На определенном расстоянии от испарителя помещают подложку 8, на которую должна быть нанесена тонкая пленка.
с последующими проведением фотолитографического процесса и травлении не защищенных фоторезистом участков металла заготовки
Для изготовления биметаллических масок применяют бериллиевую бронзу или медно-никелевый сплав в качестве основания и никель в качестве тонконкого слоя.
Метод свободной маски применяется при изготовлении гибридно-пленочных ИМС с малой и средней степенью интеграции.
К о н т а к т н а я маска в отличие от свободной не имеет микрозазора между подложкой ИМС и маской в процессе напыления, так как является неотъемлемой частью подложки. Маску изготавливают из тонкой пленки непосредственно
на поверхности подложки ИМС. Материал контактной маски (медь, алюминий, никель, окись висмута, фоторезиста) должен выдерживать процесс нанесения тонкой пленки, не испаряясь и не взаимодействуя с осаждаемым материалом, обладать малым коэффициентом диффузии, легко удаляться с подложки способами, не влияющими на свойства материала тонкой пленки. В зависимости от материала контактной маски существует два варианта этого метода (прямой и косвенный).
Рисунок4.2. Схема получения тонкопленочных элементов с применением контактной маски (прямой вариант)
:а
- подготовка поверхности подложки ИМС; б - нанесение фоторезиста (позитивного); в - экспонирование; г- проявление; д- нанесение слоя материала тонкопленочного элемента; е- получение тонкопленочного элемента на подложке ;1-
подложка; 2 - фоторезист; 3 - фотошаблон;4-
напыляемый материал; 5-элемент;Косвенный вариант заключается в том
, что на подложке 1 ИМС вначале наносят слой материала контактной маски 2, затем на него - слой фоторезиста 3. После этого проводят процесс, аналогичный первому варианту, удаляя с открытых мест материал контактной маски соответствующим травителем. Косвенный вариант сложнее, используется при невозможности применения других способов из-за жестких условий нанесения материалов тонкой пленки или в тех случаях, когда материал тонкопленочной схемы трудно поддается травлению ( например, при изготовлении резисторов из ниобия, тантала , окись кремния). Эти варианты обеспечивают высокую точность воспроизведения элементов тонкопленочной схемы.Получение рисунка тонкопленочной ИМС методом селективного травления. Сущность метода заключается в травлении тонкопленочных структур, предварительно нанесенных на всю поверхность подложки. Травление названо селективным ввиду того, что травитель растворяет один материал (например, контактных площадок), не затрагивая при этом другой (например, материал резисторов). Этот метод применяют в случаях, когда необходимо получить высокую точность воспроизведения рисунка при изготовлении топологически сложной ИМС с высокой степенью интеграции.
Применяют два способа изготовления ИМС селективным травлением. Первый способ - одинарное селективное травление
( или одинарная фотолиграфия) - применяют для изготовления ИМС, проводники которых могут быть выполнены с помощью свободных масок. Второй способ - двойное селективное травление- был разработан ввиду того, что при одинарном селективном травлении нельзя получить сложные соединения из-за ограничений , накладываемых применением свободных масок.Для получения тонкопленочных элементов используют проводящие, резистивные и диэлектрические пленки.
Проводящие пленки применяют для контактных площадок коммутационных дорожек, обкладок конденсаторов и индуктивностей. Их выполняют из различных материалов.
Это алюминий
- применяют для коммутационных дорожек, обкладок конденсаторов и контактных площадок;медь
- применяют для коммутационных дорожек, контактных площадок и индуктивностей;золото - применяют для коммутационных дорожек, контактных площадок или обкладок;
никель
- применяют в основном в качестве защитного материала.Резистивные пленки. Основными параметрами резистивных пленок являются сопротивление электрическому току и температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Для получения малых значений ТКС резисторы должны иметь толщину пленок не менее
0,01 мкм.Диэлектрические пленки применяют для изготовления конденсаторов, межслойной изоляции и общей защиты схемы от внешних воздействий. Выбор материала для диэлектрических пленок определяется условиями их применения и производства. Это такие материалы, как моноокись кремния, окись алюминия. Также изготавливают алюмосиликатные и стеклянные пленки, из двуокиси титана, из халькогенидных стекол, окиси тантала
.
5.МОНТАЖ НАВЕСНЫХ КОМПОНЕНТОВ.
В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы. Простейшим вариантом бескорпусного транзистора является кристалл, полученный после скрайбирования
, к трем контактным площадкам которого присоединены тонкие проволочные выводы и который защищен от внешней среды каплей эпоксидной смолы, обволакивающей кристалл со всех сторон. Такой транзистор приклеивается к подложке тех пленочных элементов, с которыми он должен быть соединен, после чего проволочные выводы транзистора методом термокомпрессии присоединяются к соответствующим контактным площадкам на подложке. Имеется два других варианта бескорпусных транзисторов, монтаж которых осуществляется иначе. Первый вариант называют транзистором с шариковыми выводами. Шарики диаметром 50-100 мкм связаны с контактными площадками транзистора, а через них с тем или иным слоем кремния : эмиттерным, базовым или коллекторным. Материалом для шариков служат золото, медь или сплав 5п - б в . Из того материала на диэлектрической подложке пленочной ГИС делают контактные столбики высотой 10-15 мкм и диаметром 150-200 мкм., расположенные в точном соответствии с расположением шариков на кристалле кремния (рисунок 5.1а,б). Соединение шариков со столбиками осуществляется методом перевернутого монтажа (английский термин ГПр-сгпр): кристалл транзистора переворачивается “вверх ногами”, то есть шариками вниз, и накладывается шариками на столбики подложки (рисунок 5.1, в). Сочетая давление на кристалл с повышением температуры (то есть, в сущности, используя термокомпрессию), обеспечивают прочное соединение шариков со столбиками. Как видим, метод перевернутого монтажа - групповой : за одну операцию получается все три необходимые соединения. Количество соединений при таком монтаже вдвое меньше, чем при проволочном, а транзистор не требует специального места на подложке. Главная трудность состоит в совмещении шариков со столбиками, поскольку кристалл при наложении перевернут “ вверх ногами” и закрывает от оператора места соединения.
Рисунок 5.1 (а, б, в).
Трудность совмещения контактных площадок кристалла и подложки отличается при использовании второго варианта бескорпусных транзисторов
- транзистора с балочными выводами (рисунок 5.2, а).
Рисунок 5.2,а.

Рисунок 5.2, б.
При сквозном травлении одновременно с получением балок достигается
разделение пластины на отдельные кристаллы безмеханического скрайбирования. До начала травления пластина приклеивается верхней (лицевой ) поверхностью к стеклу. Чтобы сократить время травления и избегать бокового растравливания пластины, ее ( после приклеивания к стеклу) сошлифовывают от обычной толщины 200-ЗООмкм до 50 мкм. По окончании травления клей растворяют, и раздельные кристаллы отпадают от стекла. Монтаж навесных компонентов с балочными выводами может осуществляться так же , как и в случае шариковых выводов - методом перевернутого монтажа. При этом выступающие балки хорошо видны и их совмещение с контактными площадками на подложке не представляет затруднений . Можно монтировать кристалл и “лицом вверх”, но тогда в самой подложке следует предусмотреть углубление для кристалла.Несмотря на то, что изготовление шариковых и балочных выводов сложнее и дороже, чем проволочных, они обеспечивают существенное упрощение и удешевление сборочных операций
(самых дорогих в технологическом процессе или цикле), а также заментно повышение процента выхода годных ИС и их надежности.6.СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ.
Толстопленочными интегральными микросхемами называют такие схемы, в которых резисторы, конденсаторы, контактные площадки и межсоединения изго тавливают путем последовательного нанесения на поверхность подложек различных по составу паст с последующим их вжиганием. Пассивные элементы формируют из “толстых” пленок толщиной более 1мкм (обычно
5-25 мкм).В гибридных толстопленочных интегральных микросхемах применяют бескорпусные активные элементы в микроминиатюрном изготовлении, которые монтируют на подложке, присоединяя их выводы к соответствующим контактным площадкам.
Технологический процесс изготовления толстопленочных интегральных микросхем более простой, чем тонкопленочных, так как в этом случае не требуется вакуум и сложное оборудование. Толстопленочные микросхемы обладают высокой надежностью и могут быть рассчитаны на относительно большие мощности рассеяния.
Основными недостатками толстопленочных микросхем являются необходимость выполнения операции вжигания; высокая стоимость некоторых паст; сложность получения четкого рисунка схемных элементов.
Технологический процесс изготовления гибридных толстопленочных микросхем показан на схеме6.1
. Процесс изготовления толстопленочных микросхем начинают с подготовки поверхности подложки и трафаретов, затем на подложку наносят требуемый рисунок слоев. После каждого цикла нанесения соответствующего слоя последний обжигают для закрепления его на подложке и придания заданных свойств материалу слоя. Поскольку температура обжига проводящих, резистивных и диэлектрических паст различна, последовательность нанесения слоев должна быть вполне определенной. Сначала наносят слой с наибольшей температурой обжига - проводящую пасту, образующую проводники, контактные площадки и нижние обкладки конденсаторов, а затем пасту для диэлектриков конденсаторов и изоляции возможных пересечений проводников. Третьим слоем наносят верхние обкладки конденсаторов и пересекающиеся проводники. Наконец, наносят резистивные пасты, если температура их обжига наименьшая. После изготовления пассивных элементов интегральной микросхемы производят лужение контактных площадок и подгонку элементов к номинальному значению электрофизических параметров. Монтаж и сборку толстопленочных интегральных микросхем производят так же, как и тонкопленочных. В последнее время все большее применение находят толстопленочные коммутационные платы, которые обладают большей надежностью, чем многослойные печатные платы. При этом используют два метода создания многослойных керамических плат с применением толстопленочной технологии. Первый метод заключается в последовательном нанесении на керамическую плату слоев токоведущих дорожек и изоляции с последующим вжиганием. Второй метод предполагает создание многослойной коммутации внутри керамической подложки. Для этого на отдельные пластинки сырой керамики наносят слой межсоединений. В местах соединения слоев металлизации просверливают отверстия, которые затем заполняют металлизированной пастой. Далее пластинки накладывают друг на друга и помещают в печать для вжигания.Готовая коммутационная плата представляет собой монолитную керамическую подложку.
6.1.МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК.
В настоящее время в толстопленочной технологии наиболее широкое применение нашли два метода изготовления: трафаретной печати элементов и контактной печати.
Метод трафаретной печати.
Этот метод состоит в продавливании пасты через отверстия трафарета на подложку, которая удерживается с помощью вакуумного присоса. Толщина осаждаемого материала зависит от толщины применяемого трафарета и характера заполнения пустот. Отсюда и возник термин “толстопленочная печать”. На процесс печати влияют состав пасты, качество, конструкция и тип трафарета, и ряд других факторов. Схема печати показана на рисунке
6.1.1.
Рисунок 6.1.1.Устройство для сектографии:
а - схема устройства; б - схема нанесения слоев;
По мере продвижения ракеля
7 паста заполняет открытые участки трафарета, если их нет, то паста с него стирается. После прохождения ракелем места нанесения пасты трафарет отходит от поверхности подложки. Паста под действием давления входит в контакт с подложкой и прилипает к ней: получается отпечатанная через трафарет схема. Высота положения ракеля 7 регулируется с помощью микровинта 6 так, чтобы последний достаточно плотно прилегал к сетке трафарета 5 и создавал контакт между трафаретом и поверхностью подложки 2. Расстояние между сеткой трафарета и подложкой зависит от размеров подложки, типа трафарета и состава пасты и обычно составляет 0,25-1,27мм. Его устанавливают с помощью микровинтов 4 .Давление на пасту, возникающее при перемещении ракеля, зависит от скорости перемещения ракеля, угла его наклона
q , поверхности трафарета и плотности прилегания ракеля к трафарету. От сочетания указанных факторов зависят толщина печатных элементов, их четкость и воспроизводимость. По мере увеличения скорости возрастает давление, под действием которого за меньшее время через отверстия продавливается большее количество пасты. Другими факторами, влияющими на качество пленок являются плоскопараллельность и толщина подложки . Толщина керамических подложек одной партии может колебаться в пределах от 0 до 0,1мм, что приводит к некоторой неравномерности по толщине пленок. Для устранения влияния толщины подложки на процесс трафаретной печати разработаны устройства автоматического регулирования высоты положения ракеля без изменения на трафарет. Однако наилучшие результаты получены при калибровке подложек при заданной высоте ракеля. Существуют автоматические системы для сортировки керамических подложек. При этом расхождение по толщине в 0,025мм считается допустимым для подложек одной партии. Важную роль в получении хорошего отпечатка играют сам ракель и способ его закрепления. Материал ракеля не должен взаимодействовать с растворителями паст, так как это может привести к изменению консистенции пасты и деформации отпечатка. Рабочая кромка ракеля должна быть острой для того, чтобы она плотно прилегала к поверхности трафарета. Чем меньше твердость материала ракеля, тем плотнее он прилегает к подложке, тем меньше срок его службы и больше вероятность деформации ракеля в процессе печати. В настоящее время наиболее широко применяют полиуретановые ракели, поскольку они наименее реактивны и обладают большой износоустойчивостью. В отдельных случаях применяют также неопреновые и уретановые ракели.В зависимости от свойства пасты профиль нанесенного на подложку слоя может быть различным (рисунок
6.1.2). Профиль, изображенный на рисунке 6.1.2а, характерен для паст умеренной текучести, на рисунке 6.1.2 б-для паст с большой текучестью и на рисунке 6.1.2 в - для паст с малой текучестью (желеобразная паста). Между толщиной и шириной линий существует сложная взаимосвязь, которая зависит от многих факторов. В процессе трафаретной печати толщина толстопленочного элемента в значительной степени определяется типом трафарета и топологией схемы. Объем пасты, наносимой на подложку, зависит от конструкции трафарета и в первую очередь от размера ячейки и толщины. Размеры ячейки стандартизованы; наибольшее распространение получили сетки 42, 66, 80, 130, 160 ячеек/см.
Рисунок
6.1.2. Профили различных паст
Метод контактной печати.
Этот метод является разновидностью трафаретной печати, в основу которого легли некоторые уже известные данные. В процессе печати трафарет изображения контактирует с верхней плоскостью подложки, а отделение трафарета от подложки происходит по окончании одного прохода ракеля. В этом случае трафарет под действием ракеля растягивается гораздо меньше, чем обычно, поскольку
расстояние между подложкой и трафаретом не более 0,1 мкм. Метод контактной печати разработан в основном для использования металлических масок, которые изготавливают одним из известных методов. Эти маски представляют собой жесткие элементы, позволяющие наносить пасту почти без сдвига отпечатка. Использование масок значительно увеличивает срок службы ракеля. Четкость элементов при печати с маской выше, чем при трафаретной печати. Толщину масок можно поддерживать с высокой точностью, поэтому толщина печатного слоя в процессе печати постоянна. Маски целесообразно использовать для получения элементов шириной до 0,1 мм. Но у масок есть и недостатки: засорение изображения, трудность очистки, хрупкость, высокая стоимость. Кроме того, маски имеют ограниченное применение в отношении конфигурации рисунка ;в основном их используют для относительно простых рисунков тонких линий. С целью устранения этих недостатков, в последнее время все большее распространение начинают получать маски, у которых с одной стороны вытравливается рисунок трафарета, а с другой - рисунок сетки. Эти маски могут иметь многослойную структуру. В настоящее время используют трехслойные биометаллические маски (медь, бронза, латунь - никель), с помощью которых получают линии шириной до 25 мкм при промежутках в 76 мкм с допуском плюс минус % мкм. Отверстия в верхнем слое позволяют точно отмерить количество пасты, а полости в нижнем слое - получить четкий рисунок на подложке.6.2.МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ.
Можно выделить ряд факторов, связанных с самой подложкой и влияющих на качество пленок, например, чистота поверхности подложки. Так, глазурованная (остеклованная) или полированная поверхность имеет
меньшую адгезию с толстыми пленками. Кроме того, пленочная глазурь может взаимодействовать с глазурью подложки, что приводит к ухудшению параметров и стабильности элементов схемы. Но слишком шероховатая поверхность непригодна вследствие неравномерности толщины наносимых пленок. Считается оптимальной чистота поверхности с шероховатостью 0,3-0,6мкм.Подложки.
Особенностью толстопленочной технологии является наличие операции высокотемпературного вжигания пасты. Отсюда одно из важных требований к материалу подложки
- выдерживать высокую температуру, часто более 1000 градусов С. Это требование не позволяет применять ситалловые подложки, используемые для тонкопленочных микросхем, и делает очевидным применение керамики. Кроме этого подложки должны обладать хорошими диэлектрическими свойствами, иметь хорошую адгезию с материалами пасты и обрабатываться при высоких температурах.Керамика является одним из самых распространенных изоляционных материалов. Широкое применение керамических материалов объясняется их высокими механическими и электрическими свойствами, недифицитностью исходных материалов, сравнительной простотой технологии изготовления, допускающей массовость производства со сравнительно невысокой стоимостью изделий. Керамика негигроскопична, термостойка. Механическая прочность керамики, растяжение, изгиб достаточна для практического использования.
Подложки из титанатов используют в тех случаях, когда подложка является диэлектриком конденсатора. В этом случае электроды наносят по обеим ее сторонам. Проводящие слои таких подложек, как правило, отличаются высокой адгезией. Однако свойства резисторов на подложках из титанатов отличаются от свойств резисторов, изготовленных на подложках из окиси алюминия.
Пасты.
Пасты являются основным материалом для производства толстопленочных элементов (резисторов, проводников и диэлектриков). Все они применяются в виде тщательно перемешанных) составов, отличающихся высокой вязкостью и состоящих из порошков благородных металлов, их окисей и стекловидной связки, суспензированных в органических растворителях.
Состав, вязкость и другие характеристики паст определяются параметрами трафаретной печати
: размером ячеек трафарета, необходимой толщиной пленки, степенью растекания.Для воспроизводимости параметров паст из различных по дисперсности исходных материалов используют одни и те же по количеству и качеству органические компоненты. Время перемешивания и точность взвешивания должны строго соблюдаться.
Проводящие составы.
Пасты для проводящих тонких пленок составляют с использованием благородных металлов, так как последние химически инертны и отличаются хорошей электрической проводимостью и способностью к пайке и сварке, совместимостью с материалом подложки; сопротивлением к старению и миграции под действием электрического поля и окружающей среды; совместимостью с разнообразными резистивными пастами и способностью к повторному обжигу; стабильностью параметров в течение длительного времени, По этим причинам редко используют одноэлементные составы: обычно паста представляет собой сплав или смесь двух или более порошков благородных металлов. Было установлено, что одноэлементные проводящие пасты, особенно золотые, могут вызвать нежелательные явления в схемах. Например, на участке проводник
- резистор можно получить высокое контактное сопротивление, способное вызвать значительные шумы. Недостатком паст на золоте является также их полная растворимость в оловянно-свинцовых припоях. Однако этот недостаток можно устранить применением индиевых припоев.Пасты для резисторов
.Наиболее важными факторами, определяющими свойства резисторов, являются свойства пасты и микрорельеф поверхности подложки, метод формирования слоя, тип и характеристики инс Наиболее важными факторами, определяющими свойства резисторов, являются свойства пасты и микрорельеф поверхности подложки, метод формирования слоя, тип и характеристики инструментов для трафаретной печати, режим нанесения и вжигания резисторов. Обязательным условием для получения воспроизводимых параметров толстопленочных резисторов одной серии является контроль за постоянством вязкости пасты. Абсолютное ее значение при этом не так существенно. Вязкость пасты зависит от температуры и косвенно от влажности окружающей атмосферы, так как при этом изменяются условия испарения связующего органического вещества. Поскольку в состав пасты входят несколько порошкообразных материалов, необходимо обеспечивать их тщательное перемешивание для получения однородного состава.
Проводящей фазой в пастах являются металлы
(палладий, серебро), окислы этих металлов, окислы рутения, иридия, таллия и другие, диэлектрической фазой - свинцово-боросиликатные стекла различного состава. Изменяя содержание стеклофазы в пасте, можно регулировать сопротивление резистивных пленок в широких пределах.Диэлектрические пасты.
В технологии толстопленочных схем диэлектрические материалы используют в качестве герметизирующих покрытий, изолирующих слоев многослойных структур и диэлектрика конденсатора.
Герметизирующие покрытия предохраняют схему или отдельные ее элементы от влияния окружающей среды
(например, влаги и газа), от механических повреждений, минимизируют дрейф номиналов под нагрузкой, способствуют равномерному рассеиванию тепла. Материалы для герметизирующих покрытий состоят из органических веществ, например полиуретана, или их неорганических легкоплавких стекол (с температурой вжигания 500 градусов С).Диэлектрическая постоянная материала для конденсаторов составляет обычно несколько сот, в то время как для изолирующих слоев, предназначенных для сокращения до минимума связи между проводниками, она составляет
5-10.Пасты для изолирующих слоев состоят из специальных стекол:
боросиликата свинца или силиката свинца-циркония. Используя простое свинцово-боросиликатное стекло, а также кристаллизируемую стеклокерамику, можно сделать пересечения проводников с емкостью менее 1пФ
(при напряжении пробоя до 500В) и сопротивлением по постоянному току больше 10 в двенадцатой степени Ом.Многие требования
, предъявляемые к диэлектрикам конденсаторов и изолирующих слоев, являются общими. Диэлектрики должны выдерживать напряжение 100 В и более при незначительных потерях. В диэлектрическом слое не должно быть проколов и трещин. Первые возникают в результате печатания или шероховатой поверхности проводящего слоя или при наличии пузырьков и раковин, появляющихся во время обжига диэлектрика. Уменьшение количества проколов обычно достигается двойным печатанием диэлектрической пасты. Трещины могут появляться при несогласовании коэффициентов теплового расширения материалов пленки и подложки.Воспроизводимость номинала конденсатора зависит от точности размеров элементов на трафарете, от толщины диэлектрического слоя, определяемой, с одной стороны, точностью воспроизведения толщины сетки трафарета и зазором между трафаретом и подложкой, а с другой стороны
, воспроизводимостью процесса формирования слоя диэлектрика.Факторами, определяющими номинал конденсатора, являются химический и гранулометрический состав исходных материалов, вязкость пасты
(содержание органики), режим вжигания (пиковая температура, скорость подъема температуры и охлаждения) и конструкция конденсатора (схемо-топологическое решение, учитывающее возможность взаимодействия материалов проводящего слоя и диэлектрика, так как даже мельчайшие следы металлической примеси в диэлектрике резко ухудшают качество конденсаторов).6.3.ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТРАФАРЕТОВ.
Трафареты, применяемые в толстопленочной технологии, можно подразделить на три группы: с эмульсионными покрытиями элементных участков, с металлическим покрытием и сплошные металлические маски для контактной печати.
Трафареты первых двух групп изготавливают на шелковой, нейлоновой или металлический сетке. Сетки из нержавеющей стали нашли наибольшее распространение благодаря их значительной прочности и нечувствительности к окружающей среде, но они сравнительно дороги. При этом у них возможны остаточные деформации при незначительных нагрузках.
Для изготовления трафаретов первой группы существует несколько способов нанесения эмульсионного покрытия, которые можно разделить на прямые и косвенные в зависимости от того, осуществляется процесс фотопечати на трафарете, покрытом фотоэмульсией, или на временной подложке, с которой фотоэмульсия после получения нужного рисунка переносится на трафарет.
Разработан и другой метод использования сетки с уже нанесенным эмульсионным слоем. При этом применяют материал с предварительно повышенной чувствительностью, представляющий собой фотополимерный слой (ФС), нанесенный на сетку.
При косвенном методе получают рисунок трафаретов на фоторезистивном слое, нанесенном на промежуточную подложку, с которой он переносится на сетку. Наибольшее распространение для изготовления трафаретов данной группы нашел заимствованный из полиграфии технологический процесс с использованием пигментной бумаги. При этом “очувствленную” пигментную бумагу приклеивают к специально подготовленному фотошаблону, затем ее экспонируют, проявляют и сушат. Полученное изображение переносится с фотошаблона на сетку и упрочняется с помощью различных клеев и компаундов. Толщина трафаретов первой группы в основном определяется толщиной стеки. При этом считается, что фотоэмульсия практически не увеличивает толщины материала сетки. Трафареты второй группы изготавливают аналогично трафаретам
первой группы, только в этом случае межэлементное расстояние на сетке покрыто металлом, например медью, а рисунок трафарета получают либо электроосаждением меди, либо вытравливанием в медной фольге, нанесенной на стальную сетку.Разрешающая способность трафаретной печати при использовании сетчатых трафаретов не превышает
100 мкм.6.4.ПРОЦЕСС СУШКИ И ВЖИГАНИЯ.
После нанесения пасты на керамическую подложку необходимо некоторое время для ее “усадки”. При нанесении пасты через сетчатую маску по краям наносимых фигур часто остаются следы сетки. Сетки. Если дать такому напечатанному рисунку выстояться, то из-за растекания рисунок станет более однородным по толщине, и периферийные узоры пропадут. Время усадки определяют экспериментально. Оно зависит от типа пасты и изменяется в интервале от
5 до 15 минут. После этой процедуры пленки сушат в печах при температуре 100-150 градусов С под действием инфракрасных ламп. Все эти методы дают хорошие результаты. При правильном проведении процесса сушки пленка оказывается довольно пористой , что благоприятствует испарению органических веществ и не приводит к ее разрушению. После сушки приступают к нанесению следующих слоев пасты и ее обработке. Электрические или механические свойства обожженных пленок не изменяются. После сушки пленок приступают к их вжиганию, которое проводят в небольших сушильных шкафах или в конвейерных печах с непрерывной загрузкой. Последний способ дает лучшие результаты. При этом температура в печи достигает 1100 градусов С. Для предохранения пленки от загрязнений материалом нагревателя или внутреннего жаропрочного кирпича подложки с высушенными пленками помещают в муфель . Наилучшим материалом для изготовления муфелей является плавленный кварц, хорошо пропускающий тепло и не обладающий термической инерционностью. Для сохранения чистоты пленки муфель продувается сухим воздухом.Особое внимание следует обращать на выбор материала конвейерной ленты. Для этой цели используют инконель, коррозионно-стойкую сталь и нихром. Механизм подачи конвейерной ленты должен быть хорошо отрегулирован и удобен в обслуживании. При этом температурный режим в печи поддерживают неизменным. Температурный “профиль” лучше всего контролировать по поперечному сечению ленты тремя термопарами, расположенными в разных участках печи, и записывать его с помощью самописца. Важным фактором является не только форма температурного “профиля”, но и его изменение по поперечному сечению печи. Следует отметить, что какого-либо универсального режима не существует. Если необходимо вжигать несколько толстопленочных слоев, то последовательность нанесения необходимо выбирать так, чтобы каждое последующее вжигание происходило при более низкой температуре, чем предыдущее. Это уменьшает возможность взаимодействий слоев и позволяет избежать закорачивания.
Для каждого материала нужен свой режим вжигания. Перед расплавлением стекол необходимо полностью испарить всю органическую часть. Для того, чтобы исключить растрескивание пленок, выдерживают соответствующий режим охлаждения. При выборе скорости потока воздуха необходимо учитывать, что слишком низкая его скорость недостаточно быстро выведет органическую часть из печи, а высокая скорость приведет к его турбулентности, а это в свою очередь ухудшает стабильность температурного режима в печи.
Желательно, чтобы последней стадией любого процесса вжигания было вжигание резисторов.
С увеличением скорости передвижения образцов при условии постоянства температуры вжигания в печи сопротивление слоев уменьшается. Обычно эта скорость находится в пределах
12-18 мм/мин. Газовый поток в печи мало влияет на параметры слоев.6.5.ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Основной недостаток толстопленочных элементов - низкая точность номинального значения (от
15 - 20 %). Поэтому при изготовлении элементов, особенно резисторов, необходима их подгонка к номинальному значению.Существенные методы подгонки элементов микросхем включают механическое соскабливание, анодирование
, обработку абразивом, импульсным и высокочастотным напряжением, лазерным и электронным лучом.Для толстопленочных резисторов в основном применяют абразивную и лазерную подгонку номиналов. Абразивная подгонка заключается в удалении резистивного материала путем его обработки струёй абразивного порошка. Данный метод отличается низкой стоимостью оборудования, незначительными расходами по обслуживанию и эксплуатации, возможностью подгонки одновременно нескольких резисторов с достаточно высокой точностью, возможностью удаления
с высокой скоростью больших участков материалов. В настоящее время широко используют лазерную подгонку резисторов, так как она обладает следующими преимуществами :После изготовления пассивных элементов толстопленочных ИМС производят лужение контактных площадок. Монтаж и сборку толстопленочных ИМС производят так же
, как и тонкопленочных.8.ГИБРИДНЫЕ БОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ (ГБИС).
Базовые технологические процессы создания гибридных микросхем осно
ваны на применении толстопленочной и тонкопленочной технологии обычных микросхем , отличаясь только процессами формирования пленок:в первом случае - это физико-химические процессы, а во втором
- механическое нанесение и вжигание пасты.Рассмотрим некоторые особенности изготовления ГБИС
. Для повышения коэффициента интеграции ГБИС необходима многослойная коммутация. Для осуществления многослойно коммутации используют толстопленочную и тонкопленочную технологию. При толстопленочной технологии многослойная коммутация получается путем последовательного нанесения диэлектрических и проводящих паст с последующим обжигом каждой нанесенной пасты, при этом материалы изолирующего и проводящих слоев должны быть хорошо согласованы по коэффициенту линейного расширения с материалом подложки и друг с другом. При спекании изолирующей пасты должны образовываться плотные беспористые слои.Основное требование, предъявляемое к технологии изготовления многослойной коммутационной структуры
- обеспечение наибольшего числа годных плат по пересечениям и межслойным переходам. Так, при изготовлении двухслойных коммутационных плат выход годных может составлять 80-90%. Однако при однократной печати и вжигании изолирующего слоя ввиду его пористости возможны короткие замыкания на пересечениях проводников. Поэтому для повышения выхода годных плат, а иногда для уменьшения паразитных связей, изолирующий слой получают двух или трехкратным нанесением и вжиганием пасты.Плотность проводникового слоя в многослойной коммутационной структуре определяется не разрешающей способностью трафаретной печати, а шагом между межслойными переходами. Трафаретную печать на поверхности керамической подложки достаточно просто получают параллельные проводники с шагом
350 мкм.В настоящее время решена технологическая проблема получения пятислойной коммутационной структуры. Однако изготовление более трех слоев нецелесообразно из-за значительного уменьшения выхода годных
, усложнения технологии и удлинения технологического цикла.Кроме толстопленочной коммутации, для ГБИС широко применяют многослойные керамические подложки, процесс изготовления которых состоит из следующих этапов
: подготовки исходных материалов, приготовления сырых керамических лент, штамповки листов и пробивки отверстий, металлизации, формирования многослойной заготовки, спекания монолитной структры.Преимущества тонкопленочной технологии при изготовлении ГБИС состоят в следующем
:Кроме того, современное технологическое оборудование и методы тонкопленочной технологии обеспечивают разрешающую способность рисунка микросхемы на порядок выше, чем при толстых пленках, что позволяет в
10 и более раз повысить уровень интеграции элементов микросхеме.Особую трудность при изготовлении ГБИС по тонкопленочной технологии представляет создание многослойной коммутации
. Изолирующий слой в пересечениях должен быть без сквозных пор, которые вызывают короткие замыкания между коммутирующими элементами в процессе изготовления и эксплуатации микросхемы.Поры, загрязнения, неоднородности структуры подложки
, механические повреждения в изолирующем слое определяют относительно низкую надежность тонкопленочной многослойной коммутационной структуры. В связи с этим возникла необходимость в поиске новых технологических приемов и материалов, применение которых обеспечило бы изготовление бездефектной многослойной коммутационной структуры. В настоящее время наиболее удачно это решено применением технологического процесса изготовления тонкопленочной многослойной коммутационной структуры, в котором изолирующим слоем является полиимид. Полиимиды - это термостойкие высокомолекулярные соединения, которые не окисляются до температур 250-275 градусов С, допускают термообработку до 400градусов С в течении нескольких часов без изменения своих свойств. Поллиамид в качестве изолирующего слоя, можно построить два варианта технологического процесса: с использованием методов тонкопленочной технологии или металлизации первого уровня напылениям, например меди с подслоем хрома на подложку из ситалла и последующую фотолитографию. Затем методом центрифугирования наносят полиимид. На высушенном слое полиимида методом фотолитографии вскрывают сквозные отверстия для межслойных переходов. Причем полиимид в окнах фоторезиста растворяют в гидразингидрате. Для предотвращения образования сквозных пор в слое полиимида операцию нанесения и формирования сквозных отверстий в слое полиимида повторяют 2-3 раза.Применение полиимида позволяет создать трехслойную коммутацию, но из-за значительного усложнения технологии и уменьшения числа выхода годных схем соединений на практике ограничиваются двуслойной тонкопленочной структурой. Наиболее технологичным является получение двухслойной тонкопленочной коммутационной структуры на основе готовой полиамидной пленки толщиной 50-бОмкм.
После изготовления коммутационной структуры производится сборка и монтаж ГБИ(1 Основные требование, которое предъявляют к сборочно-монтажным работам - обеспечение высокой надежности, плотности монтажа, производительности и низкой стоимости. Процесс сборки и монтажа ГБИС сводится к установке бескорпусных активных элементов, микросхем на подложку или коммутационную плату и подсоединению внешних выводов этих элементов к пленочным контактным площадкам.
Библиографический список.
4. Степаненко И. П., “Оснрвы микроэлектроники”.-М.: Советское радио, 1980г.
5. Титце, Шенк.,”Полупроводниковая схемотехника”, М., “Высшая школа”, 1989г.