книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

риалом, так как остаются практически инертными во время окис­ ления.

Хотя нитрид кремния при термическом окислении превра­ щается в двуокись кремния, эта реакция протекает очень мед­ ленно.

При использовании окисной изоляции отпадает необходи­ мость в отделении изолирующей области от базы транзистора. Показанная на рис. 17.57 область между ц-изоляцней и базой может быть исключена, чем достигается 40%-ная экономия пло­ щади.

Другим преимуществом является менее жесткое требование к допускам при создании базы, эмиттера и контакта к коллек­ тору, поскольку активная область, в которую проводится диф­ фузия, окружена участками окисной изоляции.

Проводящие соединения

В твердой схеме компоненты соединяются несколькими спо­ собами: нанесением металлических токопроводящих дорожек, изолированных от подложки слоем диэлектрика (как правило, двуокись кремния); с помощью создания высоколегированных диффузионных каналов в объеме полупроводника соединяющих компоненты; в некоторых случаях применяются дополнительно проволочные соединения с помощью термокомпрессии. Тонкопле­ ночные проводники наносят несколькими способами: нанесением проводящих красок, щелкографии, применением металлических полосок, химическим и электролитическим осаждением с приме­ нением фоторезиста, вакуумным напылением через маски. Однако наиболее широкое применение получил метод вакуум­ ного напыления через отверстия в слое фоторезиста или через окна в маске. При создании соединительных элементов методом фотолитографии проводящий материал наносят химическим и электролитическим осаждением.

Токоведущие пленки должны иметь хорошую адгезию с Si и Si02, омический контакт с материалами р- и д-типа, низкое удельное сопротивление, низкий коэффициент диффузии в Si02. Наиболее часто применяют Al, Au, Ag, Cu. Толщина применяе­ мых пленок обычно от 0,1 до 1 мкм.

На рис. 17. 58 в качестве примера показан процесс металли­ зации алюминием методом фотолитографии. С мест, где должны

пыляют тонкий (1 мкм) слой алюминия (см. рис. 17.58,6). Далее пластину покрывают фоторезистом (см. рис. 17.58, в) и обра­ батывают обычным способом: сначала удаляют фоторезист' в необходимых областях (см. рис. 17. 58, г), а затем алюминий трав­ лением едким натром (см. рис. 17.58, д). После удаления фото­ резиста проводящая пленка на пластине остается лишь в нуж-

302

бряный слой толщиной в 100 А наносят осаждением из паровой фазы. Слой А1 наносят также из паровой фазы до толщины 5000 А. Таким способом создается очень мелкозернистый слой, который хорошо сцепляется с подложкой.

Рис. 17.58. Процесс нанесения проводящих соединений

Межсоединения в ИС можно осуществить с помощью балоч­ ных выводов. В окна окисной пленки напыляется последова­ тельно какой-либо из благородных металлов (Pt. Au, Mo), затем титан или хром и вновь благородный металл. После этого в опре­ деленные участки пластины электролитически осаждаются по­ лоски золота толщиной 12,5 мкм, которые в дальнейшем исполь­ зуются в качестве выводов. Преимущество метода — отсутствие механического напряжения в месте контакта металл — полупро­ водник.

Метод балочных выводов дает существенную экономию при герметизации интегральных схем.

При взаимных пересечениях проводников существуют два способа соединений схем. Первый способ заключается в образо­ вании перемычки, методом диффузии. На рис. 17.59 показано пересечение металлической пленки и диффузионного проводника

303

р+-типа. Если перемычки короткие, то имеют малое сопротивле­ ние и изолированы от подложки переходами с обратным смеще­ нием. Другой метод состоит в образовании перемычек в виде мно­ гослойных окпсных пленок, изготовленных методом испарения (рис. 17.60). Они более сложны в изготовлении, но позволяют увеличить плотность монтажа ИС. Кроме того, в этом случае получается более низкое сопротивление соединений. Такие меж-

соединения выполняют из алюминия, а в качестве диэлектрика служит структура из слоев двуокиси кремния и нитрида кремния.

Двуокись кремния обычно используется в качестве диэлек­ трика для отделения однослойного рисунка межсоединений от кремниевой подложки. В виду того, что двуокись кремния очень медленно травится, применяют трехслойную структуру диэлек­ трика двуокись — нитрид — двуокись. Это обеспечивает хорошее сцепление слоев с кремнием и алюминием и быстрое травление отверстий для межсоединений. Для формирования сквозных отверстий многослойный диэлектрик маскируют фоторезистом и затем подвергают травлению. На рис. 17.60 показаны три типа междуслойных соединений.

Сборка

Полученная пластина может содержать несколько сотен отдельных интегральных схем. Далее их разрезают алмазным резцом по вертикальной и горизонтальной осям. Наиболее часто употребляют метод скрайбирования с последующим разламыва­ нием. Для этого готовую пластину помещают на вакуумный присос, который может перемещаться в системе координат. Алмазный резец с определенным усилением движется поперек поверхности пластины, образуя серии параллельных линий между схемами. После того как пластина надрезана таким обра­ зом в одном направлении, она поворачивается на 90° С и снова проводится серия линий между элементами перпендикулярно первым. Затем пластина снимается с присоса. Отдельные схемы еще связаны друг с другом, но могут быть разделены легким дав-

304

лемием. В результате пластина разламывается вдоль разрезан­ ных пазов.

После завершения обработки пластины необходимо обеспе­ чить электрическое и термическое соединение ее с другими эле­ ментами.

От механических и климатических воздействий интегральные схемы обычно защищают с помощью герметичного металличе­ ского корпуса, стеклянного или керамического покрытия, пласт­ массовых или эпоксидных материалов или же путем комбинаций этих способов.

Герметизация интегральных схем имеет большое значение, так как стоимость и надежность готовой схемы часто опреде­ ляется главным образом стоимостью и надежностью корпуса и выбранного метода монтажа.

Рис. 17.61. Цилиндрические и плоские корпусы инте­ гральных схем

Конструкцию корпуса выбирают исходя из условий эксплуа­

Наиболее широкое распространение получили цилиндрические корпусы типа ТО-5 и ТО-18 (рис. 17.61) выводы располагаются по окружности, всего их может быть от 2 до 12. Круглая форма корпусов обеспечивает равномерное распределение механических напряжений в спае, надежную герметизацию кристалла и высо­ кую механическую прочность сборки.

К недостаткам цилиндрических корпусов относятся —- огра­ ниченные размеры кристалла (не более 2,5X2,5 мм), ограничен­ ное число выводов, сравнительно большие габариты и вес.

Более перспективны плоские корпусы. Несколько типов та­ ких корпусов показаны на рис. 17.61. В стенку керамического или металлического плоского корпуса впаивают ленточные вы­ воды толщиной 0,1 мм. Размер плоских корпусов обычно состав­ ляет приблизительно 6X3 мм. В зависимости от конструкции плоских корпусов при сборке можно применять сварку, высоко­ температурную пайку твердым припоем и пайку прнпойным стек­ лом. Основными достоинствами плоских корпусов являются ма­ лые размеры и вес, а также сравнительно высокое отношение

305

площади кристалла к размерам корпуса. Недостатком плоских корпусов является сравнительно высокая стоимость.

При наиболее распространенном методе сборки в корпус обратную (нерабочую) позолоченную сторону кристалла припаи­ вают к позолоченной поверхности кристаллодержателя эвтекти­ ческим сплавом, например, «золото — германий», или мягким припоем (сплав свинца с оловом). Припайка происходит под определенным давлением на кристалл при температуре эвтек­ тики для системы золото — кремний.

■Ö)

Рис. 17.62. Сборка узлов и систем из интегральных схем

Выводы микросхемы соединяют с контактными площадками кристалла с помощью тонких алюминиевых проволочек. Посред­ ством термокомпресспи при температуре 400° С и давлении бо­ лее 2 ктс/см2 проволочку одним концом присоединяют к метал­ лизированному участку схемы, а другим — к покрытому алюми­ нием штырьку корпуса.

После укрепления интегральной схемы на ножке сборка за­ канчивается припариванием коваровой позолоченной крышки к фланцу. Чаще применяют горячую сварку.

Один из распространенных методов расположения схем в ком­ плекте показан на рис. 17.62, а. По этому методу перед осущест­ влением межсоединений необходимо герметизировать комплект схем. Затем соответствующие грани полученного куба обраба­ тывают так, чтобы вывести выводы на поверхность, после чего наносят межсоединения с помощью гальванического покрытия. К нижней части куба прикрепляют соединитель. На рис. 17.62,6 показана полная система с набором интегральных схем. Кубы с набором схем вставляют в разъемы, смонтированные на печат­ ной плате, или рассеивают на ней. При монтаже интегральных схем в блок, а также при сборке блоков в систему необходимо добиваться высокой плотности и в то же время обеспечивать необходимый отвод тепла, простоту ремонта, прочность и на­ дежность.

306

Совмещенные схемы

Наиболее полным использованием преимуществ микроэлек­ троники является создание так называемых совмещенных схем путем комбинации технологии твердых и пленочных схем. В объеме полупроводника методом планарной или планарно­ эпитаксиальной технологии создаются все активные компоненты, а затем на такую «активную» подложку, соответствующим обра­ зом защищенную, наносят пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы индуктивности) и токопроводящие дорожки.

Рис. 17.63. Разрез струк­ туры совмещенной схемы

Для изоляции транзисторов и диодов, расположенных в одной полупроводниковой пластине, используют те же методы, что и при изготовлении интегральных схем. Пассивные элементы изо­ лированы от активной подложки и друг от друга окисной пленкойНа рис. 17.63 показан разрез небольшого участка совмещен­ ной интегральной схемы с двумя транзисторами, тонкопленоч­ ным резистором, напыленным на пленку двуокиси кремния и тон­ копленочную емкость, полученную нанесением трехслойной структуры: металл — окисел — металл. Наиболее серьезным вопросом при совмещении тонкопленочных и монолитных схем

являются межсоединения.

В таких схемах сочетается высокая степень интеграции эле­ ментов с хорошими электрическими параметрами и возмож­ ностью в широких пределах варьировать величиной параметров пассивных элементов за счет применения пленок различных материалов.

Технология совмещенных схем позволяет создавать как актив­ ные, так и пассивные элементы с более высокими электрическими

иконструктивными параметрами. Она объединяет достоинства технологий, применяемых при изготовлении как пленочных, так

имонолитных схем, и представляется в настоящее время одной из перспективных.

Всовмещенных схемах резисторы высокостабильны и имеют низкий температурный коэффициент сопротивления. Пленочные конденсаторы отличаются высокой удельной емкостью и неболь­ шими токами утечки. Совмещенные схемы могут содержать также тонкопленочные индуктивности.

Винтегральной схеме вся рассеиваемая мощность выделяется

307

в кремниевом кристалле, что вызывает повышение его темпера­ туры и снижение надежности из-за тепловых перегрузок. В сов­ мещенной схеме рассеиваемая мощность распределяется между топкопленочными резисторами и кремниевым кристаллом.

Однако в связи с тем, что эта технология требует выполнения ряда дополнительных технологических операций, стоимость сов­ мещенных схем значительно выше стоимости интегральных, что и ограничивает их применение.

Преимущества совмещенных схем особенно проявляются в микроваттных схемах, где требуются высокие номиналы рези­ сторов при относительно малых их размерах, низкие температур­ ные коэффициенты сопротивлений и паразитные распределения емкости резисторов. Снижение до минимума паразитных пара­ метров пассивных элементов и правильный подход к выбору комбинации тонкопленочных и интегральных схем позволили создать цифровые системы с очень высоким быстродействием.

Функциональные полупроводниковые схемы

В связи с бурным развитием радиоэлектроники наблюдается все большее возрастание сложности и размеров электронных аппаратов. Для решения этих задач электронные элементы по­ стоянно находятся в стадии совершенствования. Однако разви­ тие этого процесса не может быть бесконечным, на его пути встречается все больше трудностей и ограничений.

Микроминиатюризация не сможет решить этой задачи, так как она имеет дело только с уменьшением габаритов и веса. Решение вопроса может быть получено лишь при полном отбра­ сывании понятий классических схемных элементов и непосред­ ственном использовании свойств твердого тела для выполнения функций системы. Эти функции будут осуществляться без объ­ единения элементов в системе и без многократного увеличения их количества. Устройства, изготовляемые на основе этого прин­ ципа, называются функциональными приборами (схемами). В таких схемах невозможно выделить локальные области, экви­ валентные элементам обычной схемы, а следовательно, невоз­ можно составить эквивалентную схему.

Работа функциональной схемы осуществляется за счет использования функциональных свойств одного полупроводнико­ вого прибора. Этот путь на современной стадии развития интег­ ральной электроники пока широкого распространения не полу­ чил. Однако полагают, что дальнейшее совершенствование интегральных схем пойдет именно по пути использования функ­ циональных полупроводниковых схем.

Функциональные свойства полупроводниковых приборов мо­ гут быть реализованы в основном путем использования прибо­ ров с отрицательным сопротивлением в качестве пороговых элементов, приборов, управляемых пленкой БіОг, элементов задержки.

308

О Г Л А В Л Е Н И Е

310

311