Толстопленочные интегральные микросхемы: общие сведения, резисторы, полупроводники, топология

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

На тему:

«ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ: общие сведения, резисторы, полупроводники, топология»

МИНСК, 2008

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Толстопленочными называются интегральные микросхемы с толщиной пленок 10—70 мкм, изготавливаемые методами трафаретной печати (сеткография).

Сущность процесса изготовления толстопленочных микросхем заключается в нанесении на керамическую подложку специальных проводниковых, резистивных или диэлектрических паст путем продавливания их через сетчатый трафарет с помощью ракеля и в последующей термообработке (вжигании) этих паст, в результате чего образуется прочная монолитная структура.

Проводниковые и резистивные пасты состоят из порошков металлов и их окислов, а также содержат порошки низкоплавких стекол (стеклянную фритту). В диэлектрических пастах металлические порошки отсутствуют. Для придания пастам необходимой вязкости они замешиваются на органических связующих веществах (этил-целлюлоза, вазелины).

При вжигании паст стеклянная фритта размягчается, обволакивает и затем при охлаждении связывает проводящие частицы проводниковых и резистивных паст. Диэлектрические пасты после термообработки представляют однородные стекловидные пленки.

Относительная простота технологии при сравнительно низких затратах на оборудование и материалы, достаточно высокая эксплуатационная надежность и другие достоинства толстопленочных микросхем способствуют увеличению их производства и расширению областей применения. Конструктивно подобные микросхемы выполняются в виде наборов резисторов или конденсаторов, а также в виде гибридных микросхем, т. е. могут содержать навесные активные и пассивные компоненты. Широкое применение находит толстопленочная многоуровневая разводка межсоединений в гибридных микросхемах.

2. ПОДЛОЖКИ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ

Для изготовления подложек обычно используются керамические материалы или стекла. Чаще всего употребляется керамика на основе 96%-ной поликристаллической окиси алюминия. Для мощных микросхем применяется также бериллисвая керамика, обладающая хорошей теплопроводностью, но требующая особых мер обеспечения безопасности при обработке вследствие ее токсичности.

Точность получаемого в процессе трафаретной печати рисунка микросхемы в значительной степени зависит от плоскостности поверхности подложки и ее шероховатости. Максимальная кривизна поверхности (макронеровность) не должна превышать 4 мкм на 1 мм длины. Шероховатость (микронеровность) рабочей поверхности подложки должна быть не ниже восьмого класса (R_a = 0,32—0,63 мкм). Необходимо также иметь в виду, что слишком малая шероховатость может приводить к ухудшению адгезии наносимых пленок.

Размеры плат определяются конкретной конструкцией применяемых корпусов микросхем. Рекомендуются размеры 8х15 мм², 10х16 мм² и кратные им. Толщина плат составляет 0,6 мм.

3. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ПРОВОДНИКИ

Толстопленочные проводниковые пленки должны обладать следующими качествами: высокой проводимостью; хорошей адгезией к подложке (данное требование является общим для всех пленок); совместимостью с резистивными пастами для обеспечения электрического контакта; совместимостью с диэлектрическими пастами для создания конденсаторов и многослойной разводки соединений; возможностью присоединения навесных компонентов и внешних выводов микросхемы термокомпрессией, ультразвуковой сваркой или пайкой.

. Проводниковые пасты могут изготавливаться на основе золота, золота — платины, золота — палладия, палладия — серебра, индия, рения. В последние годы активно исследуется возможность изготовления проводниковых паст на основе неблагородных металлов — меди, никеля.

Толщина слоя проводника на основе композиции палладий — серебро составляет 10—25 мкм, минимальная ширина (длина) проводника колеблется в пределах 0,15—0,20 мм при нанесении пасты на керамику и 0,20— 0,30 мм при нанесении на слой диэлектрика. Минимальное расстояние между проводниковыми элементами 0,05— 0,20 мм в зависимости от рецептурного состава пасты. Сопротивление квадрата проводниковой пленки на основе данной композиции колеблется в пределах 0,05— 5,00 Ом/кв.

Ширина проводниковой дорожки выбирается в зави­симости от силы тока:

Пасты на основе золота обеспечивают наиболее низкое поверхностное сопротивление в пределах 0,001—0,003 Ом/кв, а на основе композиции золото-—платина — менее 0,1 Ом/кв. Золотосодержащая проводниковая паста позволяет изготавливать дорожки шириной 125 мкм с расстоянием между ними 175 мкм при толщине пленки 12 мкм.

Максимальная точность изготовления пленочных элементов из проводниковых паст на основе палладий — серебро находится в пределах ±(0,05 — 0,1) мм.

4. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

 

Основные свойства резистивных пленок. Резистивные

Толстопленочные элементы должны обеспечивать: широкий диапазон номиналов сопротивлений; высокую точность получения номиналов сопротивлений; высокую временную и температурную стабильности сопротивлений резисторов; хороший электрический контакт с проводниковыми элементами микросхем.

Среди названных требований важнейшее значение имеет требование температурной стабильности, которая характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

Удельное сопротивление сплошной толстой пленки может быть описано следующим выражением, известным как правило Матисона:

(1)

где  —удельное сопротивление объема проводящих частиц, вносимое рассеянием носителей тока на колебаниях кристаллической решетки; ₂ - удельное сопротивление, вносимое рассеянием носителей тока на дефектах кристаллической решетки проводящих частиц; ₃ — удельное сопротивление границ раздела (контактов) между проводящими частицами.

Рисунок 1 Перенос электрического тока через толстопленочную структуру

Схематично прохождение тока через толстопленочную структуру можно представить так, как это показано на рисунке 1.

Помимо указанных трех компонентов полного сопротивления, в толстопленочных структурах необходимо учитывать возможность проявления полупроводникового характера проводимости, связанной с наличием окислов металлов. Полагая, что в сравнительно узком рабочем диапазоне температур микросхем (обычно — 60...+ 125 °С) сопротивление резисторов изменяется в зависимости от температуры линейно, можно записать следующее выражение для ТКС:

где R₁, R₂ —сопротивления резистора при соответствующих температурах Т₁ и Т₂.

При повышении температуры рассеяние носителей тока на колебаниях кристаллической решетки возрастает, а рассеяние на дефектах почти не зависит от температуры. Вероятность проникновения носителей тока через контактные промежуточные слои между проводящими частицами с повышением температуры возрастает. В соответствии с этим ₁ в выражении (1) определяет положительный компонент, ₂ и ₃, а также полупроводниковая проводимость способствуют возрастанию отрицательного компонента в общем ТКС пленки. Будет ли окончательная величина ТКС пленки положительной, отри­цательной или нулевой, зависит от соотношения величин этих компонентов.

Резистивные пасты приготавливаются на основе композиции палладий — серебро. Они обеспечивают номинальные сопротивления резисторов от 25 Ом до 1 МОм. Сопротивление квадрата резистивной пленки соответствует следующему ряду значений: 5, 100, 500, 1000, 3000, 6000, 20 000, 50 000 Ом/кв.

В последнее время разработаны пасты, обладающие повышенной температурной и временной стабильностью. В их состав входят такие редкие металлы, как рутений и иридий, а также платина.

Обычная толщина резистивных пленок 18—25 мкм.

Расчет резисторов. Номинальное значение сопротивления резистора определяется по формуле

(2)

где  — сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом/кв;  — коэффициент формы, зависящий от длины и ширины резистора. Ширина резистора

(3)

где Р—расчетное значение мощности рассеяния резистора, Вт; Р_о — максимальная удельная мощность рассеяния резистивной пленки, Вт/мм²;

к_P —коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резистора:

п — допустимое отрицательное отклонение сопротивления резистора от номинального до подгонки, %. Максимальное значение п составляет 52%. Расчетная длина резистора находится по формуле (2).

Удельная мощность рассеяния резисторов на основе композиции палладий — серебро обычно принимается равной 0,5 Вт/см², однако резисторы могут быть нагружены и сильнее, до 6 Вт/см² и более, при условии правильной организации охлаждения.

Стабильная работа толстопленочных резисторов зависит также от величины падения напряжения на них.

Рисунок 2. Формы подгоняемых толстопленочных резисторов.

Допустимая нагрузка по напряжению не должна превышать 20 В/мм по длине резистивной полоски. Изменение номинала сопротивления (стабильность) в зависимости от приложенного напряжения составляет: для напряжения от 0 до 40 В — (0,5—1) 10^-4% /В; для напряжения от 40 до 400 В — (1—5) 10^-4 %/В.

Влияние напряжения на сопротивление объясняется проявлением частично-полупроводникового характера проводимости толстопленочных резисторов в связи с наличием в их структуре окислов металлов.

Повышение точности резисторов путем подгонки. Погрешность номинального сопротивления резисторов из паст на основе композиции серебро — палладий при подгонке лазером составляет ±2%. Точность подгонки зависит от инерционности устройства, перемещающего подложку с резисторами или инструмент, а также от инерционности измерительно-контрольного устройства. Прецизионная подгонка позволяет достичь в необходимых случаях погрешности номинала резистора не более 0,03%.

На рисунке 2 представлены различные варианты изготовления подгоняемых резисторов и конфигурации подгоночных резов (шлицев).