Пленочные и гибридные интегральные микросхемы

Общие сведения об интегральных микросхемах

Развитие радиоэлектроники, усложнение радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), повышение требований к ней привели к необходимости использования очень большого числа элементов для изготовления аппаратуры. В частности, особенно много их требовалось для электронно-вычислительных машин. Создание таких машин, да и многих других типов РЭА из дискретных элементов, т. е. элементов, представляющих собой самостоятель­ные изделия (диоды, транзисторы, ре­зисторы, конденсаторы и др.), стадо практически невозможным. Подоб­ные ЭВМ и другие сложные типы РЭА создаются в настоящее время на основе микроэлектроники – с применением ин­тегральных микросхем, называемых ко­роче просто интегральными схемами (ИС) или микросхемами.

Переход к микроэлектронике произошел постепенно. Сначала в РЭА на дискретных элементах стали применять вместо старого навесного (объемного)монтажа печатные схемы.Они представ­ляли собой нанесенные на платы из диэлектрика соединительные провода в виде металлических пленок, к которым припаивались дискретные элементы.

Далее стали конструировать РЭА из модулей и микромодулей–смонтированных в миниатюрных корпусах устройств (усилители, генераторы, различные преобразователи и др.). Микромодули можно быстро заменять в случае отказа. Специально для таких микромодулей были разработаны миниатюрные диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы, катушки и другие элементы. В некоторых типах микромодулей использовались миниатюрные печатные схемы. Однако и микромодули не дали полного решения проблемы.

Огромный шаг вперед в создании сложнейших типов РЭА позволили сделать интегральные микросхемы. Интегральными они названы потому, что здесь все элементы или часть их и соединения между элементами нераздельно связаны и схема рассматривается как единое целое.

Основные типы микросхем – пленоч н ые, в которых элементы и соедине­ния выполняются в виде различных пленок (проводящие, резистивные и диэлектрические) на подложке из диэлектрика, и полупроводниковые, элементы которых выполнены внутри и на поверхности полупроводниковой подложки, называемой кристаллом. При­меняются еще и так называемые гибридные микросхемы, у которых часть элементов дискретные. Эти элементы называются компонентами.

Главные достоинства ИС – малые размеры и масса, малая потребляемая мощность, высокая надежностьза счет уменьшения числа паяных соединений, высокое быстродействие, так как при очень коротких соединительных линиях между элементами время пробега сигна­лов по этим линиям уменьшается, относительно низкая стоимость.

Наряду с большими достоинствами ИС имеют и некоторые недостатки. Прежде всего они являются маломощ­ными. Устройства повышенной мощ­ности на ИС сделать пока весьма трудно. Трудности возникают также при созда­нии больших емкостей и индуктивностей. Соединения между микросхема­ми делаются по старым принципам, занимают значительный объем и сни­жают надежность.

По числу элементов (степени интегра­ции) ИС подразделяются на несколько типов. ПростыеИС имеют не более 10 элементов. В среднихИС число элемен­тов от 10 до 100. БольшиеИС, или БИС, имеют от 100 до 1000 элемен­тов. И сверхбольшиеИС, или СБИС, насчитывают более 1000 элементов.

По характеру выполняемых функций ИС делятся на цифровые и аналоговые. Цифровые ИС (триггеры, шифраторы, компараторы и др.), применяемые глав­ным образом в электронно-вычисли­тельной технике, характерны тем, что они работают в импульсном режиме и могут находиться в одном из двух резко различных состояний – согласно используемой в современных ЭВМ двоичной системе счисления (только две цифры – нуль и единица). Аналоговые ИС работают в таких режимах, когда изменения токов и напряжений происхо­дят непрерывно по тому или иному закону, например по синусоидальному. К аналоговым схемам относятся уси­лители, генераторы, различные преобразователи сигналов и др.

В БИС и СБИС при большом числе элементов применяются много­слойные (многоуровневые) структуры с несколькими подложками, расположен­ными параллельно друг другу в не­сколько этажей. Если очень много элементов ИС размещено даже на одной подложке, то межэлементные соедине­ния, называемые кратко межсоедине­ниями, также располагаются на разных уровнях, разделяемых диэлектрически­ми пленками. Такая система межсоеди­нений называется многоуровневой или многослойной разводкой.

Пленочные ИС имеют подложку (плату) из диэлектрика (стекло, керами­ка и др.). Пассивные элементы, т. е. резисторы, конденсаторы, катушки и соединения между элементами, выпол­няются в виде различных пленок, на­несенных на подложку. Активные эле­менты (диоды, транзисторы) не делают­ся пленочными, так как не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC -цепи (например, RC -фильтры) или какие-либо другие схемы.

Принято различать ИС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Разница между этими ИС заключается не столько в толщине пленок, сколько в различной техноло­гии их нанесения.

Подложки представляют собой ди­электрические пластинки толщиной 0,5 – 1,0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные. При изготовлении пленочных резисторов на подложку наносят резистивные пленки. Если сопротивле­ние резистора не должно быть очень большим, то пленка делается из сплава высокого сопротивления, например из нихрома. А для резисторов высокого сопротивления применяется смесь метал­ла с керамикой, получившая название кермет. На концах резистивной пленки делаются выводы в виде металлических пленок, которые вместе с тем являют­ся линиями, соединяющими резистор с другими элементами. Сопротивление пленочного резистора зависит от толщи­ны и ширины пленки, ее длины и материала. Для увеличения сопротивления делают пленочные резисторы зиг­загообразной формы. На рис.1 по­казана структура пленочного резистора, пленочного конденсатора и пленочной катушки.

а в б в

Рис.1. а – пленочный резистор (1 – резистивная пленка; 2 – вывод; 3 – подложка), б – пленочный конденсатор, в – пленочная катушка

Тонкопленочные резисторы по точ­ности и стабильности лучше толсто­пленочных, но производство их слож­нее и дороже. У тонкопленочных ре­зисторов удельное сопротивление может быть от 10 до 300 Ом/□ и номина­лы – от 10 до 10⁶ Ом. Удельное сопротивление пленочных резисторов выражают в особых едини­цах – омах на квадрат (Ом/□), так как сопротивление данной пленки в форме квадрата не зависит от размеров этого квадрата. Действительно, если сделать сторону квадрата, например, в два раза больше, то длина пути тока увеличится вдвое, но и площадь поперечного сечения пленки для тока также возрастет вдвое; следовательно, сопро­тивление останется без изменения. Температуростабильность тонкопленочных резисторов характеризуется значением ТКС при­мерно 0,25×10^-4 К ^{– 1} . В течение дли­тельного времени эксплуатации со­противление этих резисторов мало из­меняется.

Толстопленочные резисторы имеют удельное сопротивление от 5 Ом до 1 МОм на квадрат, номиналы от 0,5 до 5 × 10⁸ Ом, точность без под­гонки ±15%, а с подгонкой ±0,2%, ТКС примерно 2×10 ^{– 4} К^–1. Их стабиль­ность во времени хуже, чем у тонко­пленочных резисторов.

Пленочные конденсаторы чаще всего делаются только с двумя обкладками. Одна из них наносится на подложку и продолжается в виде соединительной линии, затем на нее наносится ди­электрическая пленка, а сверху распола­гается вторая обкладка, также переходя­щая в соединительную линию (рис.2). В зависимости от толщины диэлектрика конденсаторы бывают тонко- и толсто­пленочными. Диэлектриком обычно служат оксиды кремния, алюминия или титана. Удельная емкость может быть от десятков до тысяч пикофарад на квадратный миллиметр, и соответствен­но этому при площади конденсатора в 25 мм² достигаются номинальные емкости от сотен до десятков тысяч пикофарад. ТКЕ получается равным (0,05 – 0,2) ×10^-4 К^-1.

Пленочные катушки делаются в виде плоских спиралей, чаще всего прямо­угольной формы (рис.3). Ширина проводящих полосок и просветов между ними обычно составляет несколько де­сятков микрометров. Тогда получается удельная индуктивность 10 – 20 мГн/мм². На площади 25 мм² можно получить индуктивность до 0,5 мкГн. Обычно такие катушки делаются с индуктив­ностью не более нескольких микрогенри. Увеличить индуктивность можно нанесе­нием на катушку ферромагнитной плен­ки, которая будет выполнять роль сердечника. Некоторые трудности возни­кают при устройстве вывода от внутрен­него конца пленочной катушки. Прихо­дится для этого наносить на соответ­ствующее место катушки диэлектри­ческую пленку, а затем поверх этой пленки наносить металлическую плен­ку – вывод.

Широкое распространение получили гибридные ИС, в которых пассивные элементы – пленочные, а активные эле­менты (диоды, транзисторы) – навес­ные. Навесными элементами в микро­электронике называют миниатюрные, обычно бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой само­стоятельны элементы, которые приклеи­ваются («навешиваются») в соответ­ствующих местах к подложке и соеди­няются тонкими проводниками с пле­ночными элементами схемы. Иногда в гибридных ИС навесными могут быть и некоторые пассивные элементы, на­пример миниатюрные конденсаторы с такой большой емкостью или катушки с такой индуктивностью, что их не­возможно осуществить в виде пленок. Это могут быть и миниатюрные транс­форматоры. В некоторых случаях в гибридных ИС навесными являются це­лые полупроводниковые ИС.

Гибридная ИС, состоящая из конден­сатора, транзистора и резистора, по­казана на рис.2. Проводники от транзистора или от других навесных элементов присоеди­няются к соответствующим точкам схе­мы чаще всего методом термокомпрес­сии (провод при высокой температуре прижимается под большим давлением).

а б

Рис.2. Структура (а) и электрическая схема (б) гибридной интегральной микросхемы

Гибридные ИС изготовляются сле­дующим образом. Сначала делается подложка. Ее тщательно шлифуют и по­лируют. Затем наносятся резистивные пленки, далее нижние обкладки конден­саторов, катушки и соединительные линии, после этого диэлектрические пленки, а затем снова металлические. Навешиваются (приклеиваются) актив­ные и другие дискретные элементы, и их выводы присоединяются к соответ­ствующим точкам схемы. Схема поме­щается в корпус и присоединяется к контактным штырькам корпуса. Произ­водится испытание схемы. Далее корпус герметизируется и маркируется, т. е. на нем делаются необходимые условные обозначения.

Разновидность гибридных БИС – так называемые микросборки. Обычно в их составе различные элементы, компо­ненты и интегральные схемы. Особен­ность микросборок состоит в том, что они являются изделиями частного при­менения, т. е. изготовляются для конкрет­ного типа аппаратуры. А обычные БИС представляют собой изделия общего применения, пригодные для различных видов аппаратуры. Иногда микросборками также называют наборы нескольких активных или пассивных элементов, находящихся в одном корпусе и имеющих самостоятельные выводы. Иначе эти наборы еще называют матрицами.