Пасинков В. В., Сорокин В. С. Материалы електронной техники
|
|
Скачати 209.7 Kb.
|
|
ДЕРЖАВНИЙ KOMITET ЗВ'ЯЗКУ ТА ІФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій КАФЕДРА Технічної електроніки ЗАТВЕРДЖУЮ Завідуючий кафедрою ___Р. В, Уваров_____ (підпис, прізвище) ”____”________ 2004 року Тільки для викладачів ЛЕКЦІЯ № 8 3 навчальної дисципліни_______„Хімія та електроматеріали"________________________ Напряму підготовки__________Телекомунікації, радіотехніка_______________________ Освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр _________________________ Спеціальності Телекомунікаційні системи та мережі, інформаційні мережі зв’язку, поштовий зв’язок__________________________________________________________ Тема____Мікромініатюризація радіоелектричної_апаратури________________________ (повна назва лекції) ____________________ _ _ Лекція розроблена ___________________________ ст.викл. Латиповим І.М._______________________________ (вчена ступінь, вчена ступінь та звання, прізвище та ініціали автора) О  бговорено на засіданні кафедри (ПМК)Протокол № ”____”_________________2004 року Київ 2004 Навчальні цілі: Вивчення фізико-технологічних основ створення ІМС, конструктивних елементів гібридних ІМС, особливості властивостей, технологія виготовлення Виховні цілі: Показати зв`язок матеріалу, що вивчається з практикою створення нових поколінь РЕА та приборів в умовах прискорення науково-технічного прогресу Час: 2 год. ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ Введення мікромініатюризація РЕА __________________________________ - хвилин Навчальні питання
Заключення Напрямки розвитку сучасної мікроелектроніки _________________________- хвилин ЛІТЕРАТУРА: (рекомендована для студентів)
НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ (наочні посібники, схеми, таблиці, ТЗН та інше) Плакат – Технологія виготовлення гібридних ІМС Мікромініатюризація мікроелектронної аппаратури. 1.Гібридні та напівпровідникові ІМС Етапи та напрямки розвитку інтегральних мікросхем Сучасні та перспективні зразки техніки зв’язку розробляються та виготовляються на новій елементній базі –інтегральних мікросхемах (ІМС). Проблеми розробки, виготовлення та експлуатації техніки зв’язку на ІМС займається спеціальна наука –мікроелектроніка. Мікроелектроніка дозволяє створити зразки техніки, які відрізняються від існуючих зразків на дискретних елементах такими якостями, як: висока надійність, незначне споживання електроенергії, малі габаритні розміри та маса, низька собівартість виготовлення. Ці якості досягаються за рахунок застосування так називаємої інтегральної технології виготовлення ІМС, при якій процеси виготовлення радіоелементів і з’єднання їх у функціонально закінчений вузол суміщаються. За рахунок інтегральної технології став можливим перехід від традиційних методів збірки функціональних вузлів на дискретних радіоелементах до групового методу виготовлення та з’єднання інтегральних радіоелементів у єдиному конструктивно закінченому функціональному вузлі. Рівень мініатюризації техніки зв’язку характеризується відношенням числа радіоелементів у вузлі до об’єму, який займає цей вузол, і називається густиною наковки. Прийнято вважати, техніка зв’язку пройшла у своєму розвитку чотири етапи мініатюризації. Кожному етапу відповідає своє покоління елементної бази (мал.1).
Мал.1.етапи розвитку мініатюризації електронної техніки Перший етап-це етап вакуумної електроніки. Елементну базу на цьому етапі складали електронно-вакуумні прилади. На цьому етапі здійснювалася мініатюризація електронних ламп пасивних елементів, покращувались характеристики й параметри, використовувався пакетний монтаж. Це дозволило збільшити густину паковки до 200 елементів на 1 дм³ (0,2 ел/см³). Другий етап- етап дискретної напівпровідникової електроніки настав з появою і широким впровадженням в РЕТ у якості елементної бази дискретних напівпровідникових приладів-діодів, транзисторів. Застосування транзисторів і мініатюрних радіоелементів забезпечило якісний стрибок у мініатюризації РЕТ, підвищення її надійності, економічності, зменшенні габаритних розмірів і маси. До цього часу (в 60 –ті роки) широке розповсюдження отримав так званий функціонально-вузловий метод конструювання РЕТ. Сутність методу заключається в конструюванні РЕТ не із окремих радіодеталей, а із уніфікованих функціональних вузлів (УФВ)- підсилювачів, генераторів, перетворювачів, тригерів та інш. Такі УФВ, зібрані на дискретних елементах, отримали назву модулів (мікромодулів). Їх застосування дозволило отримати густину упаковки до 2 ел/см³. Третій етап-етап мікроелектроніки. На цьому етапі мікромініатюризації РЕТ у якості елементної бази використовуються інтегральні схеми (ІС). Термін „схема” включає в себе поняття пристрою, вузла, а термін „інтегральна” означає об’єднання великої кількості електрично з’єднаних елементів в одному корпусі. Четвертий етап-етап комплексної мікромініатюризації. Елементною базою для побудови РЕТ служать інтегральні схеми підвищеного рівня інтеграції (ВІС) та надвеликі інтегральні схеми (НВІС). Технологія виготовлення пасивних елементів ІС. В даний час у радіоелектронній промисловості для виготовлення ІС використовуються дві технології (мал.2): гібридна та напівпровідникова.  Мал.2.технології виготовлення ІС До технології виготовлення пред’являються протирічні вимоги. З однієї сторони, необхідно підвищувати ступінь інтеграції ІС, а з іншої, необхідно мати типові (універсальні) ІС. Однак збільшення рівня інтеграції ІС обмежує область їх застосування. Наявність двох технологій дозволяє, в деякій мірі, задовільнити цим протирічним вимогам. Найбільшу густину паковки ІС забезпечує напівпровідникова технологія. Однак її складність та властивості отриманих елементів не завжди задовольняють технічним вимогам. Більш економічною являється гібридна технологія. Вона дозволяє отримати ІС із кращими властивостями елементів, але більш низьким рівнем інтеграції. 2.Пасивні елементи гібридних ІМС. Вивчення характеристик інтегральних схем є достатньо складним процесом, що вимагає застосування спеціальних вимірювальних приборів, тому для ознайомлення з принципами інтегральної технології у якості об’єкта дослідження пропонується гібридна інтегральна схема з пасивними R, C, L –елементами, виконаними на діелектричній пасивній підкладці. Базовими технологічними процесами при виготовленні інтегральних схем є нанесення тонких плівок, різні методи легірування, фотолітографічна обробка, герметизація та корпусування, вимірювання параметрів схем як на кінцевому етапі виробництва, так і в процесі їх виготовлення. Гібридні інтегральні схеми (ГІС) виконуються на діелектричній підкладці. В якості пасивних підложок для інтегральних схем широке застосування має полікристалічна кераміка типу сіталла (98% SiO2), полікора (97% Ai2O3), BeO2. З монокристалічних підкладок великого застосування має сапфір (a –Ai2O3),п’єзокварц (a –SiO2), ніобатлітія (LiN6O3), гранати. Загальною вимогою до матеріалів підкладок є висока механічна стійкість, добра теплопровідність, хімічна стійкість, технологічність обробки. Тонкоплівкові провідники (мікросмуги) в інтегральних схемах виконуються з високопровідних матеріалів. При відсутності доброї адгезії застосавуються багатошарові структури. Мікросмугові елементи виконуються з використання вакуумного напилення чи напилення з наступним гальванічним осадженням при захисній плівці. Основними вимогами до мікросмугових елементів є висока електропровідність, добра адгезія до підложки, хімічна та антикорозійна стійкість, технологічність до пайки або зварювання. Основні характенистики матеріалів для провідних елементів представлені в таблиці 1. Таблиця 1
ПЛІВКОВІ РЕЗИСТОРИ. У гібридних інтегральних схемах застосовуються тонкоплівкові резисторні елементи. У випадках наявності в одній схемі резисторів, у яких номінали різняться у сотні разів, на підложці крім тонкоплівкових резисторів може бути застосований навісний монтаж. Для отримання резисторів на підкладку наносять резистині плівки. Резистори невеликого опору отримують із плівок, які представляють собою сплав високого опору (наприклад, ніхром). Для резисторів високого опору застосовується суміш металу з керамікою (кермет). Опір плівкового резистора (мал.3,б) залежить від товщини та ширини плівки, її довжини та матеріалу. Для збільшення опору виготовляють плівкові резистори зигзагоподібної форми(мал.3,а). Їх питомий опір вимірюють в омах на квадрат (Ом/ٱ). У тонкоплівкових резисторів питомий опір складає від 10 до 300 Ом/ٱ і номінали від 10 до 10⁶ Ом. Точність їх виготовлення ±5%, підгонка заключається в частковій заміні резистивного шару до необхідного розміру. Т  овстоплівкові резистори мають питомий опір від 5 Ом до 1 МОм/ٱ, номінали від 0,5 до 5·10 Ом, точність виготовлення ±5%,стабільність в часі гірша чим в тонкоплівних резисторів.При розрахунку тонкоплівних резисторів користуються формулою: R=ρs·K, b де K=l/b –коефіцієнт форми, ρs -поверхневий опір, Ом/ٱ l Коли резистор має складну форму (мал. 3), Резистивна то його опір визначається за формулою: плівка R= ρs·(K+0,55N) Контактні площадки де N –число вигібів, K –коефіцієнт форми на лінійних ділянках. а) б) Мал. 3. Будова плівкового резистора Характеристики матеріалів для тонкоплівчатих резисторів представлені в таблиці Таблиця 2
Діапазон номіналів плівкових резисторів лежить у межах 50 Ом ... 10 МОм. За максимально допустиму питому потужність розсіювання приймають потужність, яка приходиться на квадрат плівки, при якій температура резистора не перевищує +60° С при температурі навколишнього середовища +25º С. У процесі настройки мікросхем у деяких випадках необхідно виміряти номінал резистора. Для цього на резистивну плівку напиляють перемички, число і розміщення яких залежить від умови підстройки. Коли необхідно підстроїти номінал резистора в бік збільшення, резистивну плівку частково видаляють хімічним травленням або за допомогою променя лазерного пристрою підгонки. Плівкові резистори можуть робити при наругах до декількох сотень вольт на частотах до декількох сотень мегагерц. ПЛІВКОВІ КОНДЕНСАТОРИ. Плівкові конденсатори виконуються на діелектричній підкладці в вигляді трьох шарових структур метал –діелектрик –метал (мал. 4).  В якості матеріалів для обкладок частіше всього використовують алюміній, Обкладки а також золото, срібло, тантал, мідь. Діелектрик Діелектриками служать моноокис кремнію SiO2, моноокис германію GeO, трьохсерниста сурма Sb2S3, п’ятиокис танталу Ta2O5, бороселікатне та алюмосилікатне скло. Ємністьплівкового конденсатора визначається за формулою: Підложка С=0,0885·ε·S/d, Мал. 4. Конструкція плівкового конденсатора де С –ємність, пФ; ε –діелектрична проникність діелектрика; S –площа обкладок конденсатора, см²; d –товщина діелектрика, см. Ємність конденсатора, площа обкладок якого дорівнює 1 см², називається питомою ємністю С₀ (виражається вона у пФ/см²): С₀=0,0885·ε/d. Тоді ємність конденсатора можна визначити за формулою: C= С₀·S. Як видно з формули, величину питомої ємності визначають діелектрична проникливість і товщина діелектрика. Для отримання великої питомої ємності застосовують діелектрики з високим значенням діелектричної проникливості, а також зменшують товщину діелектрика, котра звичайно, складає десяті долі мікрометра. Електрична міцність діелектрика оцінюється величиною пробивної напруги Uпроб і відповідає значенням напруженості електричного поля Епр, між якими існує залежність: Епроб= Uпроб/d Основні електричні та експлуатаційні властивості плівкових конденсаторів приведені в таблиці 3. Таблиця 3
Важливим експлуатаційним показником конденсаторів є температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ), який визначається за формулою: ТКЕ=С2-С1/С1(Т2-Т1), де С1 –ємність при першоначальній температурі; С2 –ємність при підвищеній температурі; Т1 –початкова температура; Т2 –кінцева температура. Втрати у діелектрику плівкового конденсатора відображають через тангенс кута діелектричних втрат tg δ. Розрахунок плівкових конденсаторів при вибраній товщині діелектрика зводиться до визначення площи обкладок за формулою: S=Сн/С₀, де Сн –заданий номінал ємності. Питома ємність змінюється в межах від десятків до тисяя пФ на 1 мм², при площі конденсатора в 25 мм²(5×5 мм) номінальна ємність може досягати від сотень до десятків тисяч пікофарад, точність виготовлення ±15%, а температурний коефіцієнт ємності отримується рівним (0,005 -0,2)· 10ˉ К ֿ¹. Ємність реального плівкового конденсатора завжди буде відрізнятися від розрахованої у наслідок наступних причин: -невідповідність розмірів механічних або фотолітографічних масок розрахованим розмірам електродів; -розкид значень величини ε діелектрика; -невідповідність товщини плівки діелектрика розрахованому значенню. ПЛІВКОВІ КОТУШКИ ІНДУКТИВНОСТІ. Плівкоі котушки індуктивності являють собою плоскі круглі(мал. 5, а) або прямокутні спіралі (мал. 5, б) нанесені на поверхню підкладки. Ширина полосок та просвітів між ними складає декілька десятків мікрометрів із питомою індуктивністю 10 -20 нГн/мм² на площі 25 мм² можна отримати індуктивність до 0,5 мкГн. Збільшення індуктивності досягається шляхом нанесення на котушки феромагнітної плівки, яка виконує роль сердечника.  Мал. 5. Плівкові котушки індуктивностіІндуктивність котушки с круглими витками можна визначити за формулою: L =24,75 Dсер ³√N(lg 4Dсер /t)·10ˉ³, мкГн; а індуктивність котушки з квадратними витками за формулою: L =55,5a ³√N(lg 8a/t)·10ˉ³, мкГн. де Dсер- середній діаметр спіралі, см. Dсер =½(Dн-Dвн), 3. Технологія створення інтегральних схем і елементної бази гібридних ІМС. Особливістю конструювання гібридних інтегральних мікросхем являється з’єднання конструктивних та технологічних рішень, зв’язаних із формуванням тих чи інших компонентів схеми. Подивимося основні етапи ізготовлення гібридних інтегральних мікросхем. І етап –аналіз принципової електричної схеми та дослідження можливостей її реалізації у вигляді плівковоїгібридної мікросхеми. На цьому етапі визначають типи використовуваних елементів, їх номінальні параметри, виявляють, які елементи будуть виготовленні в плівковому виконанні, а які – в дискретному, а також число і росположення контактних площ. ІІ етап –розробіток топологічної структури плівкової мікросхеми. Топологічне креслення мікросхем це конструкторський документ, визначаючий орієнтацію та взаємне розташування усіх елементівмікросхеми на площині підложки, а також форму та розміри пассивних елементів. ІІІ етап –виготовлення фотошаблонів та масок. На основі топологічного креслення в фотолабораторії виготовляють мініатюрні фотошаблони, розміри яких співпадають зрозмірами мікросхеми. Фотошаблони виконують на фотопластинках с дозволяючою здібністю порядка 400 ліній/мм. На їх основі виробляють маски (трафарети), через які напиляють необхідні матеріали. В якості підложек для масок використовують нікеліровану мідну фальгу, фальгу із нержавіючої сталі, із бронзи і т.д. Необхідний малюнок маски можно отримати пропалюванням підложек електронним промінем чи травленням. Найбільше поширення отримал другий спосіб. Щоб отримати малюнки травленням підложки, користуються способом фотолітографії. В процессі фотолітографії використовується полімерний матеріал – фоторезист. Виготовлення металевихмасок способом фотолітографії показано на малюнку 6. На підложок маски тонким шаром наноситься фоторезист. Після просушки на нього наноситься фотошаблон та ультрофіолетовими променями, під дією яких фоторезист полімеризується, проходить експонування. Після цього підложку протравлюють кислотою. Ділянки, не захищенні полімеризованим фоторезистором, витравляються наскрізь, утворюючи потрібний малюнок. Полімеризований фоторезист смивають органічним розчинником. При виготовленні плівкових мікросхем маски можуть використовуватися багаторазово. IV етап –нанесення плівкових пасивнихелементів мікросхеми. Існують декілька способів отримання тонкоплівкових елементів. Найбільше поширення отримали вакуумне напилення та катодне роспилення.  Мал. 7. Фотолітографічний метод виготовлення металевих масок: а – підкладка з нанесенимфоторезистором; б – експонування через шаблон: в – підкладка після травлення; г – готова маска після видалення фоторезиста ( 1- фоторезист; 2 – підкладка ; 3- фотошаблон)  Мал. 8. Установка випаровування в вакуумі : 1 – паромасляний насос; 2- манометри; 3- плита з герметизованою прокладкою; 4- заслінка; 5- оглядове вікно;6- ковпак; 7- анод;8- підкладка; 9- маска; 10- випаровувач; 11- вакуумний насос; 12- гвинти. Мал. 9. Установка для катодного розпилення: 1-обертаючийся вхід; 2- заслонкаж; 3- катоджд; 4-ковпак; 5- заземлений екран; 6- підкладка;7-анод; 8- нагрівач; 9- базова плита; 10- підвід інертного газу; 11- підвід реактивного газу; 12- фланець високовакуумного заслона. На мал. 8. Показана конструкція установки для запилення в вакуумі. Установка складається з плоскої плити 3 з герметизованою прокладкою. На плиту встановлюють склянний або металевий ковпак 6 з оглядовим вікном 5. На деякій відстані від випаровувача 10 влаштовується підкладка 8, на яку повинна бути нанесена плівка. Для отримання очікуваного малюнка схеми використовуються маски 9. Випаровування здійснюється після відкачки до вакуума порядка 10-3 Па. В цьому випадку атоми випаровуванної речовини поширюються прямолінійно, та осідая на підложці, утворюють шар плівки потрібної товщини. Для отримання плівок із тугоплавких матеріалів використовують катодне розпилення. Схема установки для катодного розпилення показана на мал. 9. Розпилювальний матеріал служить катодом. На анод подається висока напруга (біля 20 кВ). Підкладу та маску розташовують на невеликій відстані від катода (1 – 5см). Із установки відкачують повітря, після чого у неї подають інертний газ, утворюючи під ковпаком тиск порядком 0,1- 1 Па. Під дією високої напруги в установці утворюється іонівація газу. Важкі іони, потрапляючи на катод, руйнують його. Частинки катода розлітаються у різні сторони і осідають на підкладці, утворюючи на ній шар плівки необхідної товщини та форми. V етап – встановлення дикретних елементів. Для з’єднання навісних активних елементів з плівковим монтажом використовується пайка низькотемпературними припоями, що виключає пошкодження приборів та порушення адгезії металезованих ділянок підложки із-за перегріву. Пайкапроводиться мініатюрними механізованими паяльниками з автоматизованим дозуванням припоя та авторегулюванням температури нагрівання зони з’єднання. VI етап – конструктивне оформлення мікросхеми. Використовуються два способи захисту плівкових гібридних мікросхем від впливу зовнішніх факторів та від механічних пошкоджень: безкорпусний захист ( герметизація за допомогою міцних корпусів різного типу). Корпусний захист ркомендується використовувати при довгій ( більше десяти діб) експлуатації мікросхем в умовах підвищеної вологості. Корпус повинен мати достатню механічну пружність, малу масу та габарити, добру електричну ізоляцію. Крім цього, всередині нього потрібно підтримувати достатньо стабільні температурні умови. Для гібридних інтегральних мікросхем застосовують в основному три види корпусів: металевосклянний круглий, металокерамічний плоский та металевосклянний плоский. Металевосклянний круглий корпус типа ТО має вісім, десять чи дванадцять виводів, направлених в один бік перпендикулярно площі основи. Круглі корпуси мають високу механічну пружність та достатню надійність. До їх недоліків можна віднести низьке використання об’єму корпуса, а також малу густину упаковки корпусів у блоці. В теперішній час для захисту мікросхеми все більше застосовуються плоскі корпуси з виводами, направленими в протилежні боки. |
Схожі:
| Пасинков В. В., Сорокин В. С. Материалы електронной техники Навчити студентів оцінювати властивості діелектриків по характеристиці і визначити можливість практичного використання в радіоелектроніці... |
ЕРЫВНОГО ОБУЧЕНИЯ ЕВРОПЕЙСКОГО СОЮЗА ЕВРОПЕЙСКИЕ МОДУЛИ ЖАНА МОНЕ... Интеграционные приоритеты Украины в современном геоэкономическом пространстве: материалы научно-практической конференции «Интеграционные... |
| Программа: 1 Основные понятия Знать требования техники безопасности и факторы возможного вредного влияния компьютера на состояние здоровья |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua