4. Пассивные микросборки

В конце 60-х - начале 70-х годов ХХ века в полном соответствии с основными идеями микроэлектроники наряду с полупроводниковыми и гибридными микросхемами, реализующими функции как активных, так и пассивных электрорадиоэлементов, появился новый вид изделий, получивший позднее название “пассивные микросборки”. Пассивные микросборки - это разновидность интегральных микросхем (пленочных или гибридных), в которых активные элементы (диоды, транзисторы и др.) отсутствуют, а функции пассивных электрорадиоэлементов (резисторов и конденсаторов) выполняют интегральные пленочные элементы или чиповые дискретные компоненты. Разработка и промышленный выпуск резисторных, конденсаторных и резисторно-конденсаторных (R-, C- и RC-) микросборок стали одним из важнейших направлений развития отечественной и зарубежной интегральной электроники. Так, уже к в конце 80-х годов выпуск пассивных микросборок за рубежом превысил 350 млн. шт. в год, а число схемных решений достигло 400.

Переход от дискретных пассивных компонентов к их микросборкам обусловлен такими очевидными преимуществами применения последних, как:

0. снижение массы электронной аппаратуры;

1. экономия пространства на печатной плате;

2. повышение плотности монтажа;

3. возможность автоматизации монтажных операций;

4. повышение надежности аппаратуры.

Кроме того, существенным преимуществом пассивных микросборок является высокая однородность характеристик их однотипных элементов, что особенно актуально при использовании в современной вычислительной технике (декодирующие матрицы, делители напряжения, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации и др.). Возможность изготовления микросборок, содержащих развязывающие емкостные элементы, позволяет использовать их совместно с полупроводниковыми микросхемами ТТЛ, ТТД-МОП, в устройствах сопряжения ТТЛ-микросхем и транзисторных логических микросхем с сопряженными эмиттерами и др.

Пассивные микросборки изготавливаются как по тонко-, так и по толстопленочной технологии. При этом они могут содержать навесные чиповые R- и С-компоненты, а остальные элементы микросборок, включая проводники, контактные площадки для присоединения внешних выводов и монтажа навесных компонентов, обкладки конденсаторных и контакты резисторных пленочных элементов выполняются на основе тонких или толстых пленок проводниковых, резистивных и диэлектрических материалов.

4.1. Тонкопленочные микросборКи

Тонкопленочные элементы микросборок (рис.4.1) выполняют на основе тонких пленок материалов с проводниковыми, полупроводниковыми и диэлектрическими свойствами. Эти пленки наносятся на диэлектрические подложки, в основном, методами вакуумного напыления (реже - газофазного осаждения, электрохимического анодирования и др.) и имеют толщины в пределах от 10 до 1000 нм.

Основные характеристики ряда материалов, используемых при изготовлении пленочных резисторных элементов отечественных конструкций тонкопленочных микросборок, приведены в табл. 4.1.

а б

Рис. 4.1. Простейшие тонкопленочные резисторный (а) и конденсаторный (б) элементы микросборок: 1 - токонесущая часть резисторного элемента (резистивный материал); 2 - контактные площадки; 3 - нижняя обкладка конденсаторного элемента; 4 - диэлектрик конденсаторного элемента; 5 - верхняя обкладка конденсаторного элемента.

Таблица 4.1

Материалы резисторных элементов тонкопленочных микросборок

резистивный материал	Удельное поверхностное сопротивление, s, Ом	ТКС, 10-4 К-1	Руд, Вт/см2	Материал контактных площадок
Хром	10...50	-2,5	1	Золото
Тантал	20...100	-1...-2	3	Нихром-алюминий
Нитрид тантала	200	0,1...1,0	3	Тантал
Нихром	300	±1	2	Медь
СплавМЛТ-3М	500	±2	2	Хром-медь
Сплав РС-3001	1000...2000	-0.2	2	Хром-золото
Сплав РС-3710	3000	23.0	2	Хром-золото
Кермет К-50С	3000...10000	-5...+3	2	Хром-золото

Широкое применение в качестве материала тонкопленочных резисторных элементов нашли специальные сплавы с “резистивными” свойствами, в первую очередь - сплавы типа РС, а также хромосилицидные керметные сплавы. Сплавы типа РС содержат около 30 % хрома, 0,7...0,8 % железа или никеля, а также кремний, силициды, карбиды, нитриды тугоплавких металлов. На их основе получают тонкие резистивные пленки в широком диапазоне удельных поверхностных сопротивлений (от 50 Ом до 5 кОм) с достаточно низкими значениями ТКС (от 1010^-6 до 10010^-6 К^-1).

Номинальное значение сопротивления пленочного резисторного элемента определяется, кроме удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки _s, значением коэффициента формы К_ф, равного отношению протяженности участка резистивной пленки между контактными площадками L к его ширине B (рис.4.1)

R = _s  К_ф,

где К_ф = L/B .

Конфигурация тонкопленочных резисторных элементов, обеспечивающая значения коэффициента формы до 10³, реализуется посредством ряда топологических решений, включающих, кроме прямоугольной формы участка резистивной пленки, такие геометрические варианты, как меандр с промежуточными контактными площадками, регулярный меандр и другие, рис. 4.2.

Для формирования простейшего пленочного конденсаторного элемента конструкции МДМ (металл - диэлектрик - металл), представленного схематически на рис.4.1(б) используются тонкие пленки металлов (верхняя и нижняя обкладки) и диэлектриков. В табл.4.2 представлены основные характеристики ряда материалов, используемых при изготовлении тонкопленочных конденсаторных элементов отечественных конструкций микросборок.

а б в

Рис.4.2. Варианты конфигурации резистивной пленки тонкопленочных резисторных элементов: а - прямоугольная полоса; б -меандр с промежуточными контактными площадками; в - регулярный меандр

При проектировании пленочных конденсаторных элементов с МДМ - структурой емкость элемента рассчитывают из соотношения:

С = (N-1)_о  S / h,

где N - число обкладок конденсаторного элемента,  - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической пленки, S - площадь перекрытия верхнего и нижнего электродов, h - толщина пленки диэлектрика.

Таблица 4.2

Материалы конденсаторных элементов тонкопленочных микросборок

материал диэлектрика	ε	Суд, пФ/мм2	tgδ..103, (f=1кГц)	ТКЕ, 10-4К-1	Епр,106 В/см	материа л обкладок
Моноокись германия	0...12	50...150	1...5	3,0...5,0	1...1,5	алюминий
Моноокись кремния	5...6	50...100	10...20	2,0...3,5	2...3	алюминий
Двуокись кремния	4	200	500...700	2,0...2,5	5...10	алюминий
Окись алюминия	8	300...400	300...1000	3,0...4,0	5...7	алюминий+ никель
Пятиокись тантала	20...23	500...2000	20	4,0	2	тантал+ ванадий
Боросиликатное стекло	3,9...4,2	150	1	0,2	3...5	алюминий+ ванадий (тантал)
Алюмосиликатное стекло	5,2...5,5	300	3	1,5	3...5	то же

На рис.4.3 приведена упрощенная эквивалентная схема пленочного конденсатора, элементы которой отражают наличие в нем потерь, обусловленных как процессами в диэлектрике (R_д), так и в пленочных электродах (R_р).

R_д

Рис. 4. 3. Эквивалентная схема пленочного конденсаторного элемента

Потери в диэлектрике, как и в случае дискретных конденсаторов, обусловлены неидеальностью диэлектрика, сопротивление которого R_д имеет конечную величину (обычно порядка 10⁷...10¹⁰ Ом). Потери в диэлектрике принято разделять на дипольно-релаксационные и миграционные. Поскольку тонкие диэлектрические пленки значительно более дефектны, чем диэлектрики дискретных конденсаторов, дипольно-релаксационная поляризация вносит существенный вклад в суммарные потери в довольно широком диапазоне частот (порядка 10³...10⁷ Гц при Т = 25С). Миграционные потери в диэлектрической пленке tg_м обусловлены как электронной, так и ионной составляющими электропроводности, и на заданной частоте f определяются, в основном, удельным объемным сопротивлением пленки диэлектрика _v и его диэлектрической проницаемостью :

tg_м = 2 / (_o f _v) .

Потери в обкладках пленочного конденсаторного элемента емкостью С, tg_о, зависят от их сопротивления R_р и частоты переменного электрического сигнала f:

tg_о = 2  f C R_{p .}

Из анализа приведенных соотношений применительно к тонкопленочным конденсаторным элементам следует, что на низких частотах преобладают миграционные потери в диэлектрических тонких пленках, а на высоких - потери в обкладках конденсаторных элементов. Данное обстоятельство существенно ограничивает диапазон рабочих частот тонкопленочных конденсаторных элементов, особенно в случаях применения для изготовления обкладок пленок относительно высокоомных материалов (анодированный тантал, титан и др.).

Увеличение толщины обкладок тонкопленочных конденсаторных элементов с целью снижения потерь в них является недостаточно эффективным приемом, так как при этом возрастает вероятность возникновения пробоя конденсаторного элемента. Расширение частотного диапазона в данном случае может быть достигнуто использованием для формирования обкладок материалов с более низкими значениями удельного сопротивления.

Типичные характеристики тонкопленочных R- и C-элементов микросборок представлены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Конструктивные и эксплуатационные характеристики элементов

тонкопленочных микросборок

Параметры	Элемент микросборки
	R	C
Толщина пленки, мкм	0,02...2	0,2...1
Размеры контактных площадок, мкм, не менее	100  100	100  100
Линейные размеры элемента, мкм, не менее	50  50	100  100
Удельное поверхностное сопротивление, s, Ом	102...105	-
Удельная емкость, пФ/см2	-	6104
ТКЕ, К-1	-	210-4
ТКС, К-1	210-4	-
Рабочее напряжение, В	-	50
tg	-	10-3...10-2
Сопротивление , Ом	50...1105	-
Емкость, пФ	-	1...2104
Удельная мощность рассеяния, мВт/мм2	(15...20)	-

Типовой технологический процесс изготовления тонкопленочных микросборок предусматривает использование интегрально-группового принципа обработки подложек. При этом резисторные и (или) конденсаторные элементы, контактные площадки и коммутационные проводники изготавливаются путем последовательного нанесения на подложку пленок материалов с заданными свойствами. Требуемая конфигурация топологических элементов достигается либо использованием соответствующих трафаретов при нанесении пленочных материалов, либо селективным удалением с использованием фотолитографии “лишних” участков пленок после их сплошного нанесения.

Электрическое соединение пленочных контактных площадок с жесткими выводами корпуса микросборки осуществляется с использованием таких методов микросварки, как термокомпрессионная, ультразвуковая, электронно-лучевая, лазерная и другие.

Для защиты от воздействий внешней среды микросборки обычно помещают в герметичные корпуса, применяемые для герметизации интегральных микросхем, что создает благоприятные условия для отвода выделяемого тепла, а также упрощает операции монтажа микросборок в аппаратуру. На корпуса микросхем распространяется ГОСТ 17467-82, устанавливающий их типы, габаритные и присоединительные размеры, а также условные обозначения.