- •Ю.Ф. Адамов, а.М. Грушевский, с.П. Тимошенков Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем
- •Часть 1
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Технология микроэлектроники и микроэлектронные полупроводниковые приборы
- •1.1. Типовые структуры и характеристики кремниевых биполярных транзисторов
- •1.2. Пределы миниатюризации кремниевых биполярных транзисторов
- •1.3. Типовые структуры и характеристики кремниевых
- •1.4. Тиристорный эффект в комплементарных моп - схемах
- •1.5. Ударная ионизация в канале и обусловленный ею ток подложки
- •1.6. Размерные эффекты в моп - транзисторах
- •1.7. Физические ограничения размеров моп - транзисторов
- •1.8. Прогноз предельных параметров моп-транзисторов
- •1.9. Прогноз развития элементной базы микроэлектроники
- •2. Единство интегральной технологии и схемотехники
- •2.1. Интегральная схемотехника – продукт развития технологии
- •2.2. Принципы интегральной схемотехники
- •2.3. Правила масштабирования моп - транзисторов
- •Закономерности масштабирования согласно трем различным методам
- •2.4. Топологическое проектирование масштабируемых микросхем
- •2.5. Влияние сложности логических схем на характеристики системы металлизации
- •2.6. Немасштабируемые элементы структуры
- •3. Проблемы развития интегральной схемотехники для нанометровых технологий
- •3.1. Кризис схемотехники нанометровых микросхем
- •3.2. Пути унификации схемотехнических решений
- •3.3. Характеризация библиотек транзисторов, логических элементов и простых функциональных блоков
- •4. Литография
- •4.1. Основные определения
- •4.2. Фотолитография – ключевой процесс планарной технологии
- •4.3. Электронно-лучевая литография
- •4.4. Резисты – полимеры, чувствительные к облучению
- •5. Эпитаксия полупроводниковых слоев
- •5.1. Основные определения
- •5.2. Эпитаксиальное выращивание слоев кремния из парогазовой фазы
- •5.3. Молекулярно - лучевая эпитаксия
- •5.4. Развитие эпитаксиальной технологии
- •Основные характеристики диэлектрических подложек, используемых при гетероэпитаксии кремния
- •6. Процессы нанесения диэлектрических покрытий
- •6.1. Назначение диэлектрических слоев и требования к ним
- •6.2. Методы получения диэлектрических покрытий
- •6.3. Термическое окисление кремния
- •6.4. Осаждение диэлектрических пленок
- •6.5. Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок
- •7. Легирование полупроводников
- •7.1. Назначение процесса легирования
- •7.2. Модели диффузии в твердом теле
- •Предельная растворимость примесей в кремнии
- •7.3 Диффузионные процессы легирования
- •8. Ионная имплантация – основной метод легирования полупроводников
- •8.1. Преимущества процесса имплантации
- •8.2. Оборудование для ионного легирования
- •8.3. Распределение пробегов ионов при имплантации
- •Значения критического угла каналирования в кремнии
- •8.4. Дефекты структуры в полупроводниках при ионном легировании
- •8.5. Отжиг дефектов и активация примеси
- •9. Плазмохимическое травление полупроводников, диэлектриков и металлов
- •9.1. Классификация процессов плазмохимического травления
- •9.2. Особенности плазмохимического травления
- •9.3. Травление кремния и металлов
- •9.4. Травление двуокиси и нитрида кремния
- •9.5. Плазмохимическое травление органических материалов
- •9.6. Производительность и управляемость процессом плазмохимического травления
- •10. Металлизированные соединения и омические контакты
- •10.1. Требования к металлизации
- •10.2. Материалы для электрических соединений
- •10.3. Омические контакты
- •10.4. Оборудование для нанесения металлических пленок
- •10.5. Методы осаждения металлов
- •10.6. Интеграция процессов металлизации
- •Характеристики металлов, применяемых для создания ок к GaAs
- •11. Интеграция технологических процессов в производственный маршрут изготовления микросхем
- •11.1. Взаимосвязь технологических процессов
- •11.2. Интеграция приборов в структуре микросхемы
- •11.3. Спецификация производственного маршрута
- •11.4. Принципы построения маршрута
- •11.5. Иерархическое построение маршрута
- •11.6. Цикличность маршрута
- •11.7. Управляемость и воспроизводимость
- •11.8. Электровакуумная гигиена
- •12. Маршрут производства и физические структуры кмоп - микросхем.
- •12.1. Применение, достоинства и недостатки кмоп - микросхем
- •12.2. Требования к структуре кмоп - микросхем
- •Параметры кмоп - структур
- •12.3. Физическая структура и маршрут изготовления быстродействующих цифровых микросхем
- •12.4. Изоляция приборов
- •12.5. Области истока, стока и контакты к «карманам»
- •12.6. Подзатворный диэлектрик
- •12.7. Затворы субмикронных моп - транзисторов
- •12.8. Контакты к поликремниевым затворам, истокам и стокам
- •12.9. Металлизация
- •13. Физические структуры и технология биполярных микросхем
- •13.1. Области применения и особенности технологии биполярных микросхем
- •13.2. Высокочастотные биполярные транзисторы
- •13.3. Высоковольтные биполярные транзисторы
- •13.5. Биполярные транзисторы в кмоп - микросхемах
- •14. Структуры и процессы формирования пассивных элементов микросхем.
- •14.1. Требования к пассивным элементам микросхем и их состав.
- •14.2. Интегральные резисторы
- •14.3. Интегральные конденсаторы
- •14.4. Интегральные индукторы
- •14.5. Пассивные элементы на основе волноводов
- •14.6. Варакторы
- •14.7. Диоды Шоттки
- •Высота барьера Шоттки б
- •15. Физические структуры микросхем на основе гетеропереходов соединений a3b5 и кремний - германий
- •15.1. Свойства гетеропереходов
- •15.2. Технология гетероструктурных микросхем
- •15.3. Биполярные транзисторы на подложках арсенида галлия
- •15.4. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов
- •15.5. Гетероструктурные полевые транзисторы на основе широкозонных полупроводников
- •15.6. Микросхемы на основе гетероструктур кремний - германий
- •16. Функциональные приборы и устройства
- •16.1. Основные определения
- •16.2. Оптоэлектронные приборы
- •16.3. Акустоэлектронные приборы
- •Параметры основных пьезоэлектрических материалов
- •16.4. Микроэлектронные электромеханические устройства
- •Важнейшие свойства Si, SiC, AlN
- •Технология поверхностной микромеханики
- •Технология объемной микромеханики
- •Технология корпускулярно - лучевого формообразования
- •Химическое травление кремния при получении многослойных структур
- •Плазмохимическое травление кремниевых структур.
- •Сращивание подложек с использованием промежуточных слоев
- •Перспективы применения структур кремний – на - изоляторе в микро- , наноэлектронике и микросистемной технике
- •Методы производства кни - структур
- •Специфика технологии микроэлектромеханических устройств
- •Компоненты нано- и микросистемной техники Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах
- •Принцип действия и основы проектирования микроакселерометра
- •Полевой датчик Холла на основе структур «кремний – на - изоляторе»
- •Микрозеркала в кремниевом кристалле
- •Биосенсоры и биомолекулярная электроника
- •16.5. Магниточувствительные устройства
- •17. Процессы сборки и герметизации микросхем
- •17.1. Разделение пластин на кристаллы
- •Скрайбирование
- •Резка диском с наружной алмазной режущей кромкой
- •Резка ультразвуком
- •Резка пластин термоударом
- •Резка лучом лазера
- •17.2. Корпуса для интегральных микросхем
- •Корпусная элементная база
- •Динамика развития основных исходных конструкторских параметров кристаллов по годам
- •17.3. Монтаж кристаллов в корпуса
- •17.4. Бескорпусная элементная база
- •Сравнительные характеристики корпусированных 64-выводных бис и их бескорпусных аналогов
- •Кристаллы с балочными выводами
- •17.5. Многокристальные модули в трехмерном исполнении
- •Анализ состояния возможностей 3d проектирования
- •Тенденции эволюции микропроцессоров
- •17.6. Герметизация микросхем
- •Защита от альфа-частиц
- •Многокристальные модули, бескорпусные и гибридные микросхемы
- •17.7. Тенденции и перспективы развития сборочной технологии
- •Глава 18. Многоуровневые коммутационные платы. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании.
- •18.1. Общие сведения о печатных платах. Конструктивные исполнения.
- •Конструкторско-технологические характеристики печатных плат
- •Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов печатного монтажа для узкого места в зависимости от классов точности
- •Линейные размеры пп
- •Электрические характеристики печатных плат
- •Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка, расположенными в соседних слоях
- •Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка на наружных слоях пп
- •Допустимые значения воздействующего фактора по группам жесткости
- •Классификация конструкций пп
- •Тонкопленочные платы
- •Тонкопленочные платы на основе анодированного алюминия
- •Толстопленочные платы
- •18.2. Материалы печатных плат
- •18.3. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании
- •Рекомендации по проектированию кп (на стеклотекстолите) в тпм
- •18.4. Изготовление фотошаблонов печатных плат
- •Предельные отклонения размеров элементов топологии фш
- •Значения несовмещений по контактным площадкам
- •18.5. Перспективы проектирования для техники поверхностного монтажа
- •Типовые конструкции многоуровневых коммутационных плат (мкп) и технология их реализации
- •Глава 19. Сборка электронных устройств на печатных платах
- •19.1. Методы выполнения электрических соединений
- •19.2. Технология создания микросварных соединений
- •Физико-химические особенности сварки
- •Особенности соединений
- •Термокомпрессионная сварка
- •Сварка с косвенным импульсным нагревом
- •Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом
- •Сварка взрывом
- •Ультразвуковая сварка
- •19.3. Особенности микромонтажа бескорпусных микросхем
- •Оценка структуры
- •Оценка напряжений в сварных соединениях
- •Конструктивное исполнение сварных узлов
- •Технологические рекомендации по выполнению сварных узлов
- •19.4. Технология создания микроконтактов методами пайки
- •Подготовка поверхностей
- •Механическая очистка поверхностей
- •Химическая очистка поверхностей
- •Предварительное облуживание поверхностей
- •Проверка подготовленных поверхностей
- •Особенности и способы пайки. Флюсы для пайки
- •Марки флюсов, их состав и назначение
- •Технология пайки
- •Перспективы бессвинцовых технологий в производстве электронных средств
- •Основные типы бессвинцовых припоев
- •Совместимость покрытий
- •Маркировка
- •Возможные дефекты
- •Способы пайки
- •Пайка расплавлением дозированного припоя лазером
- •Достоинства и недостатки методов пайки
- •19.5. Конструктивные варианты монтажа на печатной плате
- •Заключение
- •Литература
17.3. Монтаж кристаллов в корпуса
Монтаж обычно включает две стадии:
-
соединение кристалла с основанием корпуса;
-
соединение контактных площадок на кристалле с выводами корпуса.
Есть два способа крепления кристалла – это соединение припоем или эпоксидным клеем. Для соединения припоем на основание корпуса необходимо нанести тонкий слой металла. Обратная сторона кристалла должна быть свободной от диэлектриков. Тонкая фольга из припоя помещается между кристаллом и основанием корпуса. В качестве припоя часто используется эвтектический сплав золото - кремний с температурой плавления 370С. Температура припайки кристалла должна быть выше температур последующих операций. Кремний с кристалла частично растворяется в жидком припое и при охлаждении крепко соединяется с основанием. Припой обеспечивает наилучший теплоотвод от кристалла к корпусу. Однако припой очень жесткий и неэластичный. Термомеханические напряжения в структуре, вызванные разностью коэффициентов температурного расширения кристалла и основания корпуса, могут порождать дефекты в кремнии вплоть до раскола кристалла. Кристаллы относительно больших размеров (более 3 мм) обычно соединяют с основанием корпуса эпоксидным клеем с мелкодисперсным наполнителем. Наполнитель повышает теплопроводность клея и улучшает его механические свойства. В качестве наполнителя обычно используют серебро или окись кремния. Эластичный клей сохраняет единство конструкции микросхемы даже при больших термомеханических смещениях кристалла и основания. Теплопроводность клея в 1020 раз меньше, а модуль упругости в 30 раз меньше, чем у припоя. Температура полимеризации клея лежит в диапазоне 125175С. Однако клеевое соединение выдерживает и более высокие температуры при последующих технологических операциях.
Наиболее распространенный способ соединения контактных площадок кристалла с выводами корпуса – это сварка проволокой. Широко распространенная ранее сварка золотой проволокой постепенно заменяется алюминиевой. Причина этого – самопроизвольный синтез интерметаллических соединений в контакте золота с алюминием и их кристаллизация. Поликристаллическая прослойка в контакте нарушает его механическую прочность, увеличивает сопротивление и снижает надежность. Основной метод сварки алюминиевой проволокой – ультразвуковой. Вибрация инструмента передается материалам проволоки и контактной площадки. Окислы разрушаются, а материал проволоки под действием нагрузки течет. Свежие поверхности площадки и проволоки прочно свариваются.
Второй способ соединения площадок кристалла и выводов корпуса – это использование фольгированного полиимидного носителя. Для каждой микросхемы необходимо изготовить специальный полиимидный носитель. Соединительные проводники вытравливаются в металлической фольге на полиимидной пленке. Сама пленка вытравливается в местах сварки. Носитель автоматически совмещается с кристаллом и корпусом так, что оголенные концы проводников совпадают со сварочными площадками на кристалле и в корпусе. Ультразвуковой инструмент по очереди обрабатывает сварочные соединения. При использовании носителя повышается производительность процесса, что очень важно для микросхем с большим числом выводов (более 100).
Третий способ соединения площадок на кристалле и выводов корпуса вообще не предполагает крепления кристалла на основание. Это способ перевернутого кристалла. Для этого на контактных площадках кристалла формируются шарики припоя. Процесс начинается с последовательного напыления хрома, меди и золота на все контактные площадки на пластине. Напыление ведется через металлическую маску. Слой припоя (свинец - олово) можно напылять через маску и осаждать гальванически. Отжиг структуры проводится в вакуумной камере, где пленка припоя благодаря силам поверхностного натяжения собирается в выпуклую каплю. Для монтажа в корпус необходимо, чтобы металлизированные площадки на основании совпадали с площадками на кристалле. Монтаж кристаллов ведется при температуре плавления припоя. Это самый высокопроизводительный способ сборки микросхем. Однако у него есть и недостатки. Экономически он оправдан только тогда, когда выпуск изделий ведется миллионами штук в месяц. Для каждого типа изделия требуется своя модификация корпуса с индивидуальным размещением внутренних площадок. Теплоотвод от кристалла к основанию корпуса возможен только через капли припоя, что явно недостаточно. Поэтому теплорастекатель монтируется дополнительно. Теплорастекатель может крепиться к основанию корпуса или быть внешним по отношению к микросхеме. В этом случае кристалл изолируется от воздействия внешней среды заливкой по периметру органическим герметиком. Теплорастекатель механически крепится к основанию и прижимается к обратной стороне кристалла через теплопроводную пасту, содержащую серебро. Этот способ распространен при сборке микропроцессоров с большим числом выводов.
Различные варианты реализации кристаллодержателей типа BGA и CSP приведены на рис. 17.10 и 17.11. Преимущества кристаллодержателей типа BGA (см. рис. 17.10) по сравнению с PGA – эффективное использование знакоместа на КП; улучшенное исполнение в отношении тепловых и электрофизических показателей; уменьшенная толщина корпуса; лучшая ремонтопригодность. Несмотря на то, что разработано множество конструкторско-технологических вариантов корпусов BGA (для применения их в ЭУ самого разного назначения), их конструкции и технологии постоянно совершенствуются в направлении не только уменьшения массогабаритных показателей, но и повышения функциональных возможностей размещаемых в них СБИС (УБИС), причем для этого используются самые разные конструкторско-технологические методы (от уменьшения шага шариковых выводов и увеличения слоев коммутации платы-носителя до трехмерной интеграции, реализуемой различными способами) [3, 15, 16].
Р
Р
Р