2. Конструктивно-технологические особенности изготовления гис

Оптимальность конструкции проектируемой ИМС в значительной степени определяется взаимной увязкой исходных схематических, конструктивных, технологических и эксплуатационных требований и ограничений.

В зависимости от назначения и условий применения ИМС может понадобиться формулирование дополнительных схематических требований, таких, например, как величина сопротивления коммутационных связей, значения реактивных сопротивлений пленочных элементов, значения паразитных параметров между отдельными элементами и компонентами, величина наведенных сигналов и т.п.

В связи с этим, остановимся на основных направлениях технологии ГИС, укрупненная классификация методов которой показана на рис. 1. Перечислим основные конструктивно-технологические требования и ограничения при проектировании ГИС, обусловленные технологией их изготовления.

ГИС может быть спроектирована на основе как тонкопленочной, так и толстопленочной технологии.

Выбор той или иной технологии осуществляется исходя из следующих общих свойств процессов:

1. Основное преимущество толстопленочной технологии – простота применяемого оборудования и низкая стоимость производства. Толстопленочная технология позволяет располагать элементы и компоненты на обеих сторонах платы. Соединяя между элементами, расположенными на разных сторонах осуществляют через отверстия или внешние контактные площадки. Суммарная площадь элементов в одном уровне не должна превышать 70 % площади стороны платы.

2. Точность получения элементов с помощью тонкопленочной технологии существенно выше, чем с помощью толстопленочной. Точность выполнения линейных размеров элементов Δl и Δb составляет:

   • для тонкопленочных ГИС ± 10 мкм;

   • для толстопленочных – ± 50 мкм.

3. Целесообразность применения той или иной технологии зависит также от масштаба выпуска микросхемы. Масочный метод применяют в мелкосерийном и серийном производстве, достижимая точность ± 1%. Толстопленочная технология может быть применена во всех типах производства.

4. Каждая плата микросхемы должна иметь ключ, которым является нижняя левая контактная площадка с вырезом по большей стороне платы или специализированный знак в виде треугольника или прямоугольника.

5. Навесные компоненты рекомендуется применять с одинаковыми размерами и материалом выводов и располагать рядами, параллельными сторонам платы.

6. Не допускается установка компонентов на пленочные конденсаторы, индуктивности и пересечения проводов. Допускается установка компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком.

В таблице 1 приведен ряд конкретных требований и ограничений при проектировании ГИС. В столбцах соответственно обозначены: М – масочный способ создания элементов, Ф – фотолитографический, К – комбинированный, Т – толстопленочная технология.

Технология нанесения пленочных элементов и выбор метода формирования контуров резисторов, конденсаторов, контактных площадок и проводников определяется требованиями технического задания. Рассмотрим кратко особенности методов формирования пленочных элементов.

Масочный метод подразделяется на метод свободной маски и метод контактной маски. При применении свободных масок рекомендуется следующая последовательность формирования слоев: 1 – резисторов; 2 – проводников и контактных площадок; 3 – межслойной изоляции; 4 – проводников; 5 – нижних обкладок конденсаторов; 6 – диэлектрика конденсаторов; 7 – верхних обкладок конденсаторов; 8 – защитного слоя. В каждом конкретном случае возможно упрощение типовой последовательности. Например, при отсутствии изолированных пересечений проводников исключаются операции 3 и 4.

Метод свободной маски используется в мелкосерийном и серийном производстве при изготовлении ГИС и микросборок с малой и средней степенью интеграции, если не требуется высокая плотность компоновки, и не предъявляются высокие требования к точности параметров пассивных элементов. При использовании биметаллических свободных масок абсолютная погрешность геометрии элементов составляет ± 20 мкм. Для формирования замкнутых фигур необходимо применять две маски с частично перекрывающимися окнами, что усложняет процесс производства.

Таблица 1.

Элемент топологии	Требование, ограничение		Размеры при использовании метода
			М	Ф	К	Т
1	2		3	4	5	6
	1. Минимально допустимый размер резистора, мм	b	0,1	0,1	0,1	0,8
		l	0,3	0,1	0,3	0,8
	2. Минимально допустимые расстояния между пленочными элементами, расположенными в одном слое, [мм]	a	0,3	0,1	0,3	0,3
	3. Максимально допустимое соотношение размеров	l / b	10	100	30	-
	4. Минимальное расстояние от пленочных элементов до края платы, [мм]	d	0,5	0,2	0,5	0,1
	5. Величина перекрытия для совмещения пленочных элементов, расположенных в разных слоях, [мм]	lk	0,2	0,1	0,2	0,1
	6. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенных в разных слоях, [мм]	c	0,2	0,1	0,2	0,4
	7. Минимально допустимое расстояние между краем пленочного резистора и краем его контактной площадки, [мм]	j	0,2	0,1	0,2	0,2
	8. Минимально допустимые расстояния, [мм]: - между краями диэлектрика и нижней обкладки кон- денсатора	f	0,1	0,1	0,1	0,2
	- между краями верхней и нижней обкладок конден- сатора	g	0,2	0,2	0,2	0,3
	- между краем диэлектрика и соединением вывода конденсатора с другими пленочным элементом	h	0,3	0,3	0,3	0,3
	- от пленочного конденсатора до приклеиваемых на- весных компонентов	z	0,5	0,5	0,5	0,5

1	2			3	4	5	6
	9. Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсаторов, [мм]		l x b	0,5 х 0,5			1х1
	10. Минимальная ширина пленочных проводников, [мм]		i	0,1	0,05	0,1	0,15
	11. Минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных компонентов, [мм]		m x n	0,2 х 0,1
	12. Минимальные размеры контактных площадок для контроля электрических параметров, [мм]			0,2 х 0,2			0,4 х 0,4
	13. Минимальные расстояния от края навесного компонента, [мм]: - до края платы		q	0,4
	- до края другого компонента,		r	0,4
	- до края контактной площадки, предназначенной для приварки проволочных выводов,		s	0,4
	- до проволочного проводника			0,3
	14.Минимальные размеры контактных площадок для приварки проволочных проводников или проволочных выводов навесных компонентов при диаметре проволоки:
		30 мкм для одного проводника		0,15 х 0,1
		30 мкм для двух проводников		0,2 х 0,2
		30 мкм для трех проводников		0,2 х 0,3
		50 мкм для одного проводника		0,25 х 0,2
		50 мкм для двух проводников		0,3 х 0,3
		50 мкм для трех проводников		0,3 х 0,5

Контактные маски применяют контактные маски, когда требуется достаточно высокая точность геометрических размеров пленочных элементов (абсолютная погрешность ± 2 мкм), формируемых из материалов, которые трудно поддаются селективному травлению, например, керметы Cr – Si O[1, 2]. В качестве материала контактной маски используют легко растворимые в слабых травителях металлы (медь, алюминий, никель и др.). Металлические маски отличаются повышенной термостойкостью.

Метод фотолитографии является высокопроизводительным и применяется при серийном и массовом производстве. Существенно упрощается процесс подготовки производства (не требуется изготовления масок) и сам процесс производства.

Для формирования резисторов, проводников и контактных площадок применяют две фотолитографии. Контуры пленочных элементов формируются с помощью селективного травления пленок, не защищенных фоторезистором. Возможны два варианта технологии [1, 2]:

1. Напыление материала резистивной пленки, напыление материала проводящей пленки, фотолитография проводящей пленки, фотолитография резистивной пленки.

2. Напыление материала резистивной пленки, напыление материала проводящей пленки, фотолитография резистивной и проводящей пленок, фотолитография только проводящей пленки. Вариант технологии выбирается в зависимости от применяемого сочетания материалов, так как для каждого сочетания должен подбираться соответствующий селективный травитель [1].

Метод двойной фотолитографии применяют для ГИС высокой степени интеграции. Данный метод позволяет с помощью одного резистивного материала обеспечить большое отношение сопротивлений резисторов, так как коэффициент формы может находиться в пределах от 0,1 до 100.

Комбинированный метод применяют тогда, когда требуется получить резисторы высокой точности, а плотность монтажа может быть невысокой. Фотолитография используется для формирования резисторов, а контактные площадки и проводники формируются методом свободной маски.

Типовая последовательность технологических операций при комбинированном методе следующая:

1. Нанесение материала резистивной пленки.

2. Напыление проводящей пленки на резистивную.

3. Фотолитография проводящего и резистивного слоев.

4. Фотолитография проводящего слоя.

5. Напыление через маску нижних обкладок конденсаторов.

6. Напыление через маску диэлектрика.

7. Напыление через маску верхних обкладок конденсаторов.

8. Нанесение защитного слоя.