книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные микросхемы

личной степени сложности и разнообразного функциональ­ ного назначения.

Воспроизводимость параметров пленочных элементов в значительной степени зависит от свойств подложки. Размер зерна керамики, колебания толщин подложек влияют на разброс сопротивлений пленочных резисторов. Шерохова­ тость поверхности, число и состав присадок керамической шихты определяют адгезию пленок к подложке. Коэффици­ енты термического линейного расширения материалов под­ ложки и стекол, входящих в состав паст, должны иметь близкие значения во избежание разрушения пленочных эле­ ментов и снижения дрейфа их параметров.

Материалом для подложек чаще всего служит керамика 22ХС. Д ля схем, работающих при повышенных мощностях,

внекоторых случаях применяют подложки из бериллиевой керамики, имеющей на порядок лучшую теплопроводность, чем алюмооксидная керамика. Однако этот материал ток­ сичный и дорогой.

Для получения качественной толстопленочной схемы нужно тщательно очистить поверхность подложки. Сильные кислоты и щелочи для этого не применяются из-за опасности вытравливания материала подложки. Используется ультра­ звуковая очистка в водной среде, промывка в деионизиро­ ванной воде, отжиг в печах. Температура отжига выбирается

взависимости от состава и материалов подложки. Качество очистки влияет на адгезию пленок к подложке.

Нанесение паст производится на установке трафаретной печати продавливанием пасты через отверстия сетчатого

трафарета.

Для изготовления толстопленочных ГИС требуется комп­ лект трафаретов для нанесения определенного пленочного слоя: проводникового, одного или нескольких резистивных* изолирующих и т. д. Каждому трафарету соответствует оп­ ределенный фотошаблон, выполненный на основе топологи­ ческого чертежа ГИС.

Основным элементом трафарета является сетка из нейло­ на или нержавеющей стали с размером ячейки 80 — —240 мкм. Выбор размера ячейки определяется требования­ ми толщины и ширины пленочных элементов. Сетка натягиг вается на держатель — алюминиевую рамку, зажимается и обрезается по краям. Размер рамки должен обеспечить рас­ стояние 25—50 мм от краев.рисунка схемы до краев трафа­ рета. На натянутую сетку наносится слой фоточувствительной эмульсии. Методом фотолитографии формируется необ­ ходимый рисунок. После травления образуются окна в

Оснастка, используемая при нанесении паст, должна обеспечить точное совмещение отдельных пленочных слоев схемы. Резистивный слой, как правило, наносится послед­ ним, так как повторные вжигания изменяют сопротивление резисторов.

Кроме трафаретной печати можно наносить резистивные пасты под давлением с помощью пневматического дозатора. Дозировка пасты уменьшает разброс сопротивлений резис­ торов. Однако для каждого типоразмера резистора требует­ ся отдельное сопло к дозатору. Это создает сложности при изготовлении ГИС, включающих в себя резисторы с боль­ шим разбросом номинальных значений сопротивлений. На­ личие дозатора не исключает применение трафаретной печа­ ти для создания других слоев ГИС.

После нанесения проводится сушка и вжигание пасты. При сушке (120—200° С) происходит удаление летучих ор­ ганических растворителей. Лучше использовать инфракрас­ ную сушку. При других методах сушки на поверхности слоя пасты может образоваться корка, препятствующая выходу летучих веществ, вследствие чего после вжигания пленка может быть пористой и содер­

ния. Нижняя обкладка конденсатора может быть нанесена одновременно с проводниками. При создании диэлек­ трических слоев, верхней обкладки необходимо осуществить отдельно циклы нанесения и вжигания. Кроме того, лазерная подгонка конденсато­ ров очень трудоемка, она. требует вы­ сокой квалификации оператора. Если при подгонке резистора испаряемая часть пленки занимает сравнительно небольшую долю его площади, то в случае подгонки конденсатора выжи-. гаемая или отсекаемая площадь верх­ ней обкладки пропорциональна тре­ буемому изменению емкости, т. е. 30—40. %. При подгонке конденсато­ ров не должна повреждаться диэлек­ трическая пленка. Трудоемкость из­ готовления толстопленочных конден­ саторов ограничивает их применение, поэтому в толстопленочных ГИС чаще применяют навесные конденсаторы.

В толстопленочных ГИС обычно используют пленочные резисторы. В отдельных случаях, когда требуется высокая точность или температурная стабильность, применяют тонкопле­ ночные резисторы, изготовленные на

отдельной плате и монтируемые на подложку толстопле­ ночной ГИС.

Дискретные полупроводниковые компоненты толстопле­ ночных ГИС имеют балочные, гибкие проволочные и жест­ кие выводы.

Монтаж навесных компонентов на подложку производят методом эвтектической пайки, пайки мягким припоем или с помощью токопроводящих клеев. Выбор метода определяет­ ся условиями эксплуатации навесного компонента. Пайка обеспечивает хорошую электропроводность и теплопровод­ ность соединения. Приклейка компонента с помощью ком­ паундов используется наиболее часто. Вводя в компаунд на­ полнители, можно в широких пределах менять электро- и теплопроводность клеевого соединения. Все методы монтажа должны обеспечить механически прочное соединение навес:- -ного компонента с подложкой.

Выводы навесных компонентов выполняются из мягких и пластичных металлов — золота и алюминия. Они присое­ диняются к предварительно облуженным контактным пло­ щадкам подложки термокомпрессионным или ультразвуко­ вым методом. Температура выполнения соединений при тер­ мокомпрессионной сварке около 300° С. В некоторых слу­ чаях нагрев навесного компонента может ухудшить его ха­ рактеристики. Тогда следует применять ультразвуковую сварку, при которой происходит лишь локализованный на­ грев места соединения.

Монтаж навесных компонентов с жесткими выводами (например, шариковыми) проводится с помощью лудящих паст. Паста наносится через трафарет с увеличенным раз­ мером ячеек сетки (до 200 мкм), позволяющий нанести боль­ шое количество пасты на малые площадки подложки. Пос­ ле нанесенияпасты устанавливают компоненты с шарико­ выми выводами методом перевернутого кристалла. Компо­ ненты фиксируются лудящей пастой как при установке, так и в процессе пайки при температуре 190—230° С.

Процесс монтажа навесных компонентов с помощью припойных паст легко поддается автоматизации.

Аналогичным образом в зависимости от конструкции вы­ водов монтируются навесные тонкопленочные резисторы. Дискретные конденсаторы обычно имеют облуженные кон­ тактные площадки и монтируются с помощью пайки (см. рис. 1.11).

Для получения более высокой степени интеграции мон­ таж схемы проводится на обеих сторонах подложки. Необ­ ходимым условием такого монтажа является обеспечение электрических соединений между коммутирующими прово­ дниками, расположенными на противоположных сторонах подложки. В подложке с отверстиями эти соединения осу­ ществляют развальцованные металлические проводники и выводы ГИС. При отсутствии отверстий могут быть ис­ пользованы вилкообразные выводы, припаиваемые к кон­ тактным площадкам с обеих сторон подложки (рис. 2.19).

После сборки при необходимости может быть проведена функциональная подгонка схемы. Она отличается от простой подгонки тем, что контролируемым параметром является не сопротивление подгоняемого резистора, а непосредствен­ но выходные параметры, характеризующие схему: коэффи­ циент усиления, уровень выходного напряжения и т. д.

Изготовленную толстопленочную ГИС устанавливают в корпус и герметизируют. Надежность ГИС, стабильность ее параметров обеспечиваются на всех этапах изготовления.

ПРИМЕНЕНИЕ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ В МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

§3.1. Особенности применения гибридных ИМС в. МЭА

ГИС, выпускаемые промышленностью, разрабатываются и изготавливаются в виде серий. В каждую серию включены микросхемы, предназначенные для совместного применения. Поэтому ГИС, входящие в одну серию, имеют один тип кор­ пуса, одинаковые напряжения питания, показатели надеж­ ности и допустимые уровни внешних воздействий при экс­ плуатации.

В аналоговой аппаратуре ГИС по сравнению с полупро­ водниковыми ИМС имеют более широкие схемотехнические возможности благодаря использованию различных навесных компонентов (полупроводниковых ИМС, транзисторов, конденсаторов, индуктивных катушек и т. д.). ГИС позво­ ляют реализовать широкий класс функциональных элект­ ронных схем — усилителей, преобразователей, коммутато­ ров, устройств селекции и сравнения,, вторичных источни­ ков питания, являясь при этом экономически целесообраз­ ными в условиях серийного и даже мелкосерийного произ­ водства.

В табл. 3.1 приведен состав наиболее распространенных серий отечественных ГИС. К группе перспективных отнесе­ ны серии, выпускаемые по современной технологии и облада­ ющие функциональной полнотой; к группе неперспективных

— серии при наличии аналогичных ИМС, превосходящих их по техническим характеристикам и функциональным воз­ можностям, а также выпускаемых в металлоемких и неэко­ номичных для широкого потребления корпусах; к группе морально устаревших — серии, выпускаемые в течение дли­ тельного времени или по устаревшей технологии.

Применение ГИС в аппаратуре требует учета особеннос­ тей, связанных с реализованными в них схемотехнически­ ми решениями и конструктивно-технологическим исполне­ нием.

При использовании ГИС в качестве элементной базы МЭА возникает задача согласования микросхем между собой и с другими радиокомпойентами, для облегчения которой жела­ тельно применять ГИС одной серии.

Кроме того, должны быть обеспечены меры по устране­ нию наводок, исключению самовозбуждения и отводу тепло­ ты. В связи с этим при конструировании аппаратуры стре­ мятся применять ГИС с возможно большей степенью интег­ рации, даже если это приводит к более сложным схемотехни­ ческим решениям. При таком подходе повышается надеж­ ность устройств, улучшаются их эксплуатационные харак­ теристики, уменьшаются масса и габаритные размеры. На рис. 3.1 приведены конструкции корпусов наиболее распро­ страненных серий ГИС.

§3.2. Микросхемы для телевизионных приемников

Втелевизионных приемниках (ТВ) цветного и черно­ -белого изображения наряду с полупроводниковыми ИМС серии К 174 широко применяют ГИС серий К224, К245, К416.

ИМС серии К174 имеют большие функциональные воз­ можности, их используют в узлах ТВ, в которых полоса частот не превышает 50 МГц, но требуется усиление и обра­ ботка сигналов с повышенной точностью.

ИМС серии К224 применяют в радиоканале, в блоках цветности, кадровой и строчной развертки. Микросхемы вы­ полнены по толстопленочной технологии на керамических подложках, обеспечивающих хороший теплоотвод, что по­ зволяет использовать их в мощных выходных каскадах. Р а­ нее микросхемы этой серии впрессовывались пластмассой, в настоящее время осуществляется более дешевая и надеж­ ная герметизация обволакиванием защитными покрытиями по типу обычных электрорадиоэлементов в корпусе типа 115.9-1, 422.12-1 (К224УН16, К224УН18, К224УНЗ) или типа 426.18-1 (К224УН17, К224УН19). Последние два типа корпусов имеют мощный теплоотвод. Напряжение питания ИМС серии К224, как правило, равно 12 В ±10 %.

В усилителях промежуточной частоты изображения (УПЧИ) применяют ГИС К2УС247, К2УС2413, К2ЖА245, К2УБ242.

ИМС К2УС247 обеспечивают высокую чувствительность УПЧИ. В рабочем диапазоне частот 30—45 МГц неравно­ мерность частотной характеристики меньше 3 дБ. На часто­ те 35 МГц крутизна вольт-амперной характеристики более 50 мА/В. Потребляемая мощность не превышает 300 мВт.

ИМС К2УС2413 представляет собой каскодный усили­ тель, выполненный по схеме ОЭ — ОБ. На частоте 35 МГц при сопротивлении нагрузки 100 Ом крутизна характери­ стики прямой передачи более 25 мА/В. Потребляемая мощ­ ность до 250 мВт.

Система АРУ на ИМС К2ЖА245 позволяет осуществить регулировку усиления в широких пределах и уменьшить перекрестную модуляцию.

Выход УПЧИ нагружен на два детектора. Первый выде­ ляет разностную частоту звукового сопровождения 6,5 МГц, второй — сигналы яркости и цветности. Эти сигналы пода­ ются на предварительный видеоусилитель на ИМС К2УБ242.

ИМС К224УРЗ, К224УР4 и К2УС248 используют в усили­ телях промежуточной частоты звука (УПЧЗ). К УПЧЗ предъявляются повышенные требования по избирательности в полосе пропускания для устранения проникновения в ра­ диоканал частот видеоспектра.

Усилитель на ИМС К2УС248 (рис. 3.2, а) выполнен по схеме ОЭ-ОК-ОБ. Первый каскад (ОЭ) — апериодический усилитель, второй и третий — усилитель-ограничитель.

во