книги / Микроэлектроника толстых пленок
..pdfВВЕДЕНИЕ |
31 |
|
пых элементов для получения желаемых электрических параметров.
Тонкопленочная и толстопленочная технологии во многих случаях дополняют друг друга. Вообще говоря, производство толстопленочных гибридных схем обхо дится дешевле (при одинаковых рабочих характеристи ках), чем производство тонкопленочных схем. Эти технологии хорошо сочетаются с процессом корпусирования. Они могут быть использованы для создания вы соковольтных и высокомощных схем, линейных схем, для которых основным фактором является величина допуска на номиналы пассивных элементов, и, наконец, сложных систем, которые обладают большими возможностями, чем монолитные интегральные схемы. В технике СВЧ лучше использовать тонкопленочные гибридные схемы вследствие возможности прецизионного контроля про цесса их производства.
Для изготовления пленок с малыми потерями мощ ности, что важно в технике СВЧ, необходимо, чтобы их толщина составляла от 0,5 до 1 мкм. Минимальная тол щина для данного материала должна быть не меньше трех толщин скин-слоя. Если для создания топологии схемы необходимо применять фотолитографический про цесс, то экономические выгоды, которые дает толстопле ночная технология, пропадают. В этом случае лучше применять напыленные пленки, поскольку они намного чище пленок, полученных по толстопленочной техно логии.
Основным фактором с точки зрения стоимости, раз меров и надежности является выбор метода сборки. Речь идет о выборе между обычными методами сборки дискретных элементов на печатной плате с использова нием припоев и методами сборки гибридных схем. Гиб ридный метод сборки выгоднее при следующих условиях: 1) стоимость сборки схемы выше стоимости ее элемен тов; 2) для широкой номенклатуры продукции требуется применять однотипные корпуса; 3) требуется уменьше ние размеров; 4) требуется высокая надежность.
При необходимости выбора между монолитными ин тегральными схемами и гибридными схемами последние обладают преимуществом при следующих условиях:
32 |
ГЛ А ВА 1 |
1) желательно либо очень большое, либо очень малое рассеяние мощности; 2) схема предназначена для рабо ты в области очень высоких частот; 3) нежелательно изменение существующих конструкций схем; 4) пара метры схемы могут быть изменены в процессе производ ства; 5) желательно уменьшить стоимость оборудова ния и начальных затрат; 6) большая часть элементов схемы является пассивной; 7) необходим низкий темпе ратурный коэффициент или жесткие допуски на пассив ные изделия; 8) необходимо разнообразие типов и номиналов компонент.
1.5. Требования к мастерству операторов
Несмотря на то что три вышеизложенные технологии используют различное оборудование и методы произ водства интегральных схем, требования к уровню зна ний и навыков персонала, работающего на сборке и ис пытаниях этих схем, одинаковы. Вновь поступившие операторы должны иметь двухили трехнедельный пе риод интенсивной подготовки и лишь после этого они допускаются к производственной линейке. Для достиже ния удовлетворительного уровня выполнения задания обычно проходит два или три месяца от начала работы.
Уровень требований к навыкам персонала, изготов-' ляющего кремниевые пластины и подложки для тонко пленочных схем, существенно выше требований к навы кам персонала, изготовляющего подложки для толсто пленочных схем. Поэтому в первых случаях необходимы более тщательное наблюдение и контроль за работой операторов. Во многих случаях изготовление полупро водниковых пластин и подложек для тонкопленочных схем производится тщательно подготовленными техни ками, имеющими после окончания средней школы мини мум одноили двухгодичное специальное образование.
Поскольку для изготовления подложек для тол стопленочных схем используются автоматические или полуавтоматические установки и оборудование, это уменьшает требования к навыкам оператора. На таких работах могут использоваться рабочие и с меньшим профессиональным навыком.
ВВЕДЕНИЕ |
33 |
1.6. Требования к оборудованию
Чтобы производство монолитных интегральных схем было экономичным и конкурентоспособным, необходимы очень большие капитальные вложения в технологиче ское, сборочное и испытательное оборудование. Так, для того чтобы быть конкурентоспособным, технологическое оборудование должно обладать возможностью произво дить по крайней мере 500 000 интегральных схем в ме сяц. Только в этом случае могут быть оправданы сред ства, затрачиваемые на автоматизацию оборудования сборки и испытаний интегральных схем.
При одинаковых производственных мощностях тех нологическое оборудование для производства тонкопле ночных схем требует больших капиталовложений, чем оборудование для производства толстопленочных схем. Специфическое оборудование для производства тонко пленочных схем сложнее и дороже и требует больших вложений для контроля вакуумных установок и другой аппаратуры. Но оборудование для сборки и испытаний как для тонкопленочных, так и для толстопленочных схем одинаково. Ранее рассматривалось необходимое оборудование для производства монолитных и тонко пленочных схем. В последующих главах будет рассма триваться оборудование для толстопленочной техно логии.
1.7. Сравнение стоимости производства опытных
исерийных интегральных схем
Втабл. 1.1 сравнивается стоимость производства некоторой гипотетической схемы при использовании раз личных методов сборки. Как видно, наибольший эконо мический эффект получается при производстве моно литных интегральных схем. Однако здесь необходимо учитывать стоимость переналадки оборудования и за траты на проектирование и изготовление фотошаблонов
и |
масок. |
Учет последних статей |
расхода составляет: |
||
а) |
~ 1000 долл, для |
изготовления |
печатных или толсто- |
||
пленочных |
схем; б) |
— 1500 |
долл, |
для тонкопленочных |
|
схем и в) |
~ 30 000 долл, для |
монолитных интегральных |
|||
2 Зак. 367
34 ГЛАВА 1
схем. С учетом приведенных цен трудно говорить о про изводстве обычных монолитных интегральных схем, если требуемое количество этих схем меньше 10000 штук. С другой стороны, трудно заинтересовать поставщика за казом, если количество заказанных изделий меньше 50000 штук. И только на таком уровне производство
монолитных |
интегральных схем |
может |
быть выгодным |
|||||
и экономичным. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица J.1 |
|
|
|
|
Стоимость производства схем, долл. |
|
||||
^Ч. Количество |
|
|
|
1 001— |
10 001— |
100001- |
||
ч . |
ч . |
схем, |
1—25 |
26-100 |
101-1 000 |
|||
|
шт. |
-10000 |
-100 000 |
- I 000 000 |
||||
Тип |
^ Ч ^ |
|
|
|
|
|
|
|
Печатные . . . |
45 |
40 |
35 |
30 |
20 |
15,50 |
||
Монолитные |
|
|
|
|
|
|
||
интеграль |
|
|
17,50 |
10 |
8 |
4,50 |
||
ные . . . . |
35 |
25 |
||||||
Толстопленоч |
|
|
|
|
|
|
||
ные |
гибрид |
|
|
30 |
25 |
15 |
12 |
|
ные . . . . |
50 |
40 |
||||||
Тонкопленоч |
|
|
|
|
|
|
||
ные |
гибрид |
75 |
60 |
45 |
32,50 |
20 |
15,50 |
|
ные . . . . |
||||||||
При сравнении приведенной стоимости изделий, из готовленных различными технологическими методами, можно видеть, что толстопленочная технология наибо лее экономична. Толстопленочные схемы конкурентоспо собны со схемами на печатных платах, даже при малых сериях. Тонкопленочные схемы становятся конкуренто способными, если изготовляются в количестве, большем 10000 штук. При меньшем количестве производство тон копленочных схем в отличие от толстопленочных эконо мически невыгодно. Тонко- и толстопленочные схемы обладают лучшими рабочими характеристиками, мень шими размерами и большей надежностью по сравнению со схемами на печатных платах. Это следует иметь в
ВВЕДЕНИЕ |
35 |
виду, если требования к указанным свойствам схем ва жны, даже если требуется изготовить небольшое коли чество изделий. Кроме того, гибридные схемы могут обладать более высокими эксплуатационными характе ристиками, чем монолитные ИС.
1.8. Время изготовления схемы
Другим важным фактором, который нужно иметь в виду при выборе технологического метода, является время, необходимое для разработки и изготовления схем. Для схем на печатных платах или для гибридных схем это время составляет 6—8 недель, а для монолит ных интегральных схем — в большинстве случаев 6 ме сяцев 1).
ЛИТЕРАТУРА
1.HANNAY N. В. (ed.), Semiconductors, Reinhold Publ. Corp., New York, 1959.
2.FULLER C. S., DITZENBERGER J. A., Diffusion of Donor and Acceptor Elements in Silicon, /. Appl. Phys., 27, 544—553 (May
1956). |
|
3. BOTTAKS |
B. J., Diffusion in Semiconductors, Academic Press, |
Inc., New |
York, 1963. |
4.SHOCKLEY W., The Theory of p — n Junctions in Semiconductors and p —n Junction Transistors, Bell System Tech. J., 28, 435—489
(July 1949).
5.SHOCKLEY W., Electrons and Holes in Semiconductors, D. Van Nostrand Co., Inc., Princeton, New Jersey, i960.
6.EARLY J. M., Design Theory of Junction Transistors, Bell System
Tech. J., 32, 1271— 1312 (November 1953).
7.PHILLIPS A. B., Transistor Engineering, McGraw-Hill, New York,
1962, p. 2161.
8.HOFSTEIN S. R., HEIMAN E. P., The Silicon Insulated-Gate Field-Effect Transistor, Proc. IEEE, 51, 1190—1202 (September
1963).
9. FROSCH C. J., DERICK L., Surface Protection and Selective Masking During Diffusion in Silicon, I. Electrochem Soc., 104,
547—552 (September 1957).
i) Если не используются машинные методы проектирования.--
Прим. ред.
2*
36 |
ГЛАВА 1 |
10.JAVITZ А. Е., HALBY S. A., GREGOR L. V., The Materials of Thin Film Device, Electro-Technol. (New York), 72, 95— 122 (Sep tember 1963).
11.BOND W. L., Notes On Solutions of Problems in Old Job Vapor
Coating, /. Opt. Soc. Am ., 44, 429—438 (June 1954).
12.WARNER R. M. (ed.) Integrated Circuits: Design Principles and Fabrication, McGraw-Hill, New York, 1965.
13.SIDAL G., PROBYN B. A., Vacuum Deposition of Electronic Com
ponents, Radio and Electronic Comp. (May 1961).
14.SOBEL H., Extending IC Technology to Microwave Equipment, Electronics (March 20, 1967).
15.HAMER D. W., The Economics of Thick Film Hybrid Microcircuit Production, Proc. Electronic Components Conf., 1970.
16.LINDEN A. E., TOPFER M. L., COTE R. E., MAYER S. E., ThickFilm Microcircuit Design and Manufacture, NEPCON, 1969.
2. Методы проектирования
2.1. Общие принципы проектирования
Для того чтобы гибридные схемы были экономиче ски эффективны, необходимо постоянное сотрудничество между схемотехниками и технологами. Еще до проекти рования схемы проводится ее всесторонняя оценка — создается экспериментальный макет на дискретных эле ментах и исследуется его работа во всем требуемом тем пературном диапазоне1). Лишь после этого можно при ступать к изготовлению схемы в гибридном исполнении. Рабочие характеристики созданного гибридного вариан та схемы оказываются не хуже характеристик макета, выполненного на дискретных элементах, а высокочастот ные параметры даже лучше из-за уменьшения паразит ных емкостей монтажа.
При проектировании гибридных схем нельзя превы шать существующий допуск на номиналы элементов. Толстопленочные резисторы могут наноситься и вжигаться в лучшем случае с точностью до ±10% , хотя различие температурных коэффициентов сопротивления паст исходных материалов и готовых резисторов состав ляет 5*10~6/град. Если, основываясь на таком малом отличии этих коэффициентов, удастся повысить точ
*) В настоящее время для этого начинают применяться методы математического моделирования с использованием ЭВМ. — Прим, ред.
38 Г Л А ВА 2
ность изготовления резисторов, то отпадет необходимость последующей подгонки их к номиналу и уменьшится стоимость схемы. Таким образом, отмеченное выше сотрудничество может привести к оптимальному проек тированию гибридных схем.
При выборе размеров проектируемых резисторов необходимо учитывать обычные ограничения, наклады ваемые мощностью рассеяния. Поэтому необходимо точно рассчитать мощность рассеяния каждого резистора и указать ее предельные значения. Если в макете схемы можно использовать резисторы мощностью 0,125 или 0,25 Вт, то в спецификацию проектируемой гибридной схе мы элементы с такой большой мощностью вносить нельзя.
Для облегчения испытаний необходимо сложные, многокомпонентные схемы изготовлять в виде несколь ких отдельных модулей. В одном корпусе нельзя монти ровать много элементов. Это приводит к уменьшению процента выхода годных изделий и трудностям их испы таний. По возможности нужно использовать опыт преды дущих разработок и опыт производства полупроводнико вых приборов. К понижению процента выхода и по вышению стоимости приводит также использование в проектируемой схеме большого числа разнотипных полупроводниковых элементов. Для уменьшения наводок и шунтирующих емкостей монтаж схем лучше всего проводить «напрямую» без использования длинных со единительных проводников.
2.2. Поэлементный анализ и блок-схемы ’
Толстопленочные гибридные схемы изготавливаются путем нанесения на керамическую подложку резистив ных, проводящих и диэлектрических паст, последующего их вжигания, а также присоединения к ним навесных полупроводниковых элементов, конденсаторов и индук тивностей. На фиг. 2.1 выделены основные этапы произ водства толстопленочных гибридных схем [6]. Прежде чем приступать к разработке схемы, необходимо убе диться в экономической целесообразности использования гибридной технологии. Стоимость схемы можно снизить путем уменьшения числа печатных плат, размера ячеек.
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
39 |
разбиения системы для облегчения испытании и т. д. Именно на этом начальном этапе определяется конфи гурация и конструкция корпуса, возможность приобре-
Фиг. 2.1. Основные этапы производства толстых пленок.
тения надежных источников питания транзисторов, дио дов и интегральных схем. Сказанное вновь подтверждает необходимость постоянного тесного сотрудничества между разработчиками систем и схем, а также техноло гами.
40 Г Л А В А 2
На фиг. 2.2 представлены этапы проектирования и проверки работоспособности толстопленочных гибридных схем [6]. При планировании гибридных систем необходимо
иметь |
в виду общие правила разработок гибридных |
схем и сведения об основных параметрах их элементов. |
|
Ниже приводятся некоторые из этих правил. |
|
1. |
Емкости желательно выбирать возможно мень |
шими, для того чтобы наиболее эффективно использо вать площадь подложки.
Обратная связь (в случае необходимости)
Фиг. 2.2. Основные этапы создания схем.
2.Допуски на емкости и резисторы должны быть воз можно большими.
3.Индуктивности и трансформаторы по возможности следует располагать вне схемы.
При разработке гибридных схем необходимо знать следующие спецификации об элементах этих схем:
Резисторы: номинал; допуск; мощность; температур
ный коэффициент сопротивления.
Конденсаторы: номинал; допуск; рабочее напряже
ние; частота; допустимые потери.
Проводники: размещение критических точек схемы,
в которых нельзя допускать наличие паразитных связей. Подложка: размер; наличие или отсутствие пор; до
пуски; температурные требования.
Активные элементы: их полная спецификация, вклю
чая размер и форму корпуса; размер и форма соедини тельных проводников; описание материала соединитель ных проводников; размер и форма чипов, если исполь зуются некорпусированные чипы; положение контакт ных площадок.