2. Материалы подложек.

Материал подложек должен иметь высокое объемное и поверхностное удельное сопротивление. Это требование вытекает из необходимого обеспечения электрической развязки между элементами. Диэлектрические потери должны быть низкими, поскольку это снижает потери энергии вследствие поглощения в диэлектрике. Высокая теплопроводимость подложек обеспечивает отвод тепла от микросхемы и выравнивание температурного градиента по ее поверхности. Согласование коэффициента температурного расширения подложки и охлаждаемых пленок уменьшает механические напряжения в пленках и тем самым снижает вероятность появления в них микротрещин, разрывов и т.п. Высокая механическая прочность подложек облегчает механическую обработку для получения требуемой формы и размеров и создание в них отверстий, а также предупреждает поломку подложек в процессе сборки микросхем. Подложки должны быть достаточно термостойкими при операции пайки и сварки. Материал подложки и структура поверхности должны обеспечивать хорошую адгезию осаждаемых пленок к подложке.

В таблице 1 приведены характеристики диэлектрических материалов, которые в большей или меньшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подложкам тонкопленочных микросхем.

Таблица 1— Сравнительная характеристика материалов подложек

Тип диэлектрических материалов	Удельное сопротивление, Ом·см	Относит. диэлектрич. проницаем.	Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106Гц	Теплопроводность, Вт/(м·С°)	К-т линейных расширений, 10-6 К
Боросиликатное стекло	1016	4,6	6,2·10-3	0,27	3,25
Алюмооксидная керамика типа «поликор»	1014	10,8	2·10-4	7580	7,57,8
Алюмооксидная керамика (96% Al2O3)	1014	9,1	2,7·10-3	3060	6,4
Бериллиевая керамика	1016	6,6	3·10-4	200250	7-9
Кварцевое стекло	1016	4	3,8·10-4 2·10-4	0,36	0,56
Ситаллы	10131014	6,5		1,5	5
Сапфир	-	8,6	2·10-4	6,5	5

3. Обоснование применения материала

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основаниями для расположения пленочных и навесных элементов и служат для теплоотвода. Электрофизические параметры материалов подложек даны в таблице 2, а химический состав некоторых из них – в таблице 3.

Для маломощных ГИС можно применять бесщелочные боросиликатные стекла С41 – 1 и С48 – 3, а также ситаллы. По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситалл имеет ряд преимуществ перед стеклами. Он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, а по механическим свойствам в 2 – 3 раза прочнее стекла. В отличие от большинства высокопрочных кристал­лических материалов ситалл хорошо обрабатывается. Его мож­но прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центро­бежным способом. Температура деформации ситалла выше, чем температура начала размягчения исходного стекла. Ситалл выдерживает резкие перепады температур в воздушной среде: от — 60° С до + 700° С. Он обладает высоким элект­рическим сопротивлением, которое несколько уменьшается с повышением температуры. По электрической прочности ситалл не уступает лучшим образцам вакуумной керамики. Ситалл имеет высокую сопротивляемость исти­ранию, обладает высокой химической стойкостью к кисло­там. Он не порист, дает незначительную объемную усадку, газонепроницаем и имеет малую газоотдачу при высоких температурах. Из-за рассеивания света на границе кристаллов ситаллы в слое 0,5-1 мм уже непрозрачны.

Для мощных ГИС применяют керамику поликор, а для особо мощных ГИС – бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность.

Недостатком керамики является значительная шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. По этой причине керамику 22ХС используют только для толстопленочных ГИС. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путем глазурования керамики слоем бесщелочного стекла приводит к значительному уменьшению теплопроводности.

В случаях, когда требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жесткость конструкции, применяют металлические подложки: алюминиевые подложки, покрытые слоем анодного оксида, или эмалированные стальные подложки. Габаритные размеры подложек стандартизированы. Обычно на стандартной подложке групповым методом изготовляют несколько плат ГИС (заметим, что платой называется часть подложки с расположенным на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС). Деление стандартной подложки на части, кратные двум и трем, дает ряд типоразмеров плат, приведенных в таблице 4. Платы №3 –10 используют в стандартных корпусах, остальные – в бескорпусных ГИС и микросборках. Толщина подложек составляет 0,35 – 0,6 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1 – 0,3 мм).

Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ситалла от частоты показано на рисунке 1. Диэлектрические потери в ситаллах во многом опре­деляются свойствами остаточной стекловидной фазы. Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот (кроме HF) и щелочей. Доступность сырья и простая технология обеспечивают невысокую стоимость изделий.

Таблица 2 — Электрофизические параметры материалов

подложек ГИС

Параметр	Материал
	Стекло		ситалл СТ50-1	плавленый кварц
	С41-1	С48-3
Класс чистоты обработки поверхности	14	14	13 – 14	14
Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР при Т=20300С	(412) ·10-7	(482) ·10-7	(502) ·10-7	55·10-7
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·С)	1	1,5	1,5	7 – 15
Диэлектрическая проницаемость при f=106 Гц и Т=20С	7,5	3,2 – 8	5 – 8,5	3,8
Тангенс угла диэлектрических потерь при f =106Гц и Т=20С	20·10-4	15·10-4	20·10-4	-
Объемное сопротивление при Т=25С, Ом·см	1017	1014	-	1015
Электрическая прочность, кВ/мм	40	40	-	-

Таблица 3 — Химический состав подложек ГИС

Материал подложки	Состав
	SiO2	Al2O3	BaO	CaO	TiO2	MgO	B2O3	LiO2
С41 – 1	60,5	13,5	-	9,5	9,0	7,5	-	-
С48 – 3	66,3	3,5	-	-	-	0,5	20,9	0,2
СТ50 – 1	25,0	20,0	25,0	-	-	-	30,0	-

Таблица 4 — Типоразмеры плат ГИС (размеры, мм)

№ типоразмера	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
Ширина	96	60	48	30	24	20	16	12	10	10	5	2,5	16	32	8	8	24	15	20
Длина	120	96	60	48	30	24	20	16	16	12	6	4	60	60	15	10	60	48	45

Рисунок 1— Зависимости диэлектри­ческой проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ситалла от частоты