Производство гибридных интегральных схем
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Родионов Юрий Анатольевич
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 300
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0460-0
Артикул: 744487.01.99
Рассмотрены особенности изготовления гибридных интегральных схем: диэлектрическая подложка на основе низкотемпературной керамики, подвесные активные элементы, толстоплёночные пассивные элементы. Уделено внимание технологии и компоновке элементов. Приводятся конкретные примеры из производства гибридных интегральных схем. Изложены технические приёмы и оборудование монтажа навесных элементов.
Для студентов, обучающихся по специальности 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также инженеров, занятых проектированием и обслуживанием электронных приборов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- ВО - Специалитет
- 11.05.01: Радиоэлектронные системы и комплексы
- 11.05.02: Специальные радиотехнические системы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Ю. А. Родионов ПРОИЗВОДСТВО ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020 1
УДК 621.382(076)
ББК 32.844.1я73
Р60
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор, главный научный
сотрудник кафедры физики твёрдого тела Белорусского государственного
университета Квасов Н. Т;
доктор технических наук, профессор кафедры микро- и нанотехники
Белорусского национального университета Сычик В. А;
кандидат технических наук, заместитель главного инженера
по серийному производству ОАО «ÄИнтеграл´ - управляющая компания
холдинга ÄИнтеграл´» Ковальчук Н. С
Родионов, Ю. А.
Р60
Производство гибридных интегральных схем : учебное пособие /
Ю. А. Родионов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 300 с. :
ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0460-0
Рассмотрены особенности изготовления гибридных интегральных схем: диэлектрическая подложка на основе низкотемпературной керамики, подвесные активные элементы, толстоплёночные пассивные элементы. Уделено внимание технологии и компоновке элементов. Приводятся конкретные примеры из производства гибридных интегральных схем. Изложены технические приёмы и оборудование монтажа навесных элементов.
Для студентов, обучающихся по специальности 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также инженеров, занятых проектированием и обслуживанием электронных приборов.
УДК 621.382(076)
ББК 32.844.1я73
ISBN 978-5-9729-0460-0
Родионов Ю. А., 2020
Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
2
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 5 ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА ПРОИЗВОДСТВА ГИС ............................................ 8 1.1. Подложка и компоновка многослойных структур ............................................ 8 ГЛАВА 2. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ТОНКИХ ПЛЁНОК ................................. 23 2.1. Подготовка поверхности к нанесению тонких плёнок ............................ 23 2.2. Вакуумное нанесение тонких плёнок ........................................................ 44 2.3. Магнетронное нанесение ............................................................................. 54 2.4. Электрохимическое нанесение ................................................................... 70 2.5. Осаждение из парогазовой фазы .............................................................. 100 2.6. Контрольные точки методов создания тонких плёнок .......................... 112 2.6.1. Зондовые методы измерений ........................................................... 112 2.6.2. Тестовый контроль .......................................................................... 115 2.6.3. Оптическая микроскопия ................................................................. 122 2.6.4. Просвечивающая электронная микроскопия ................................. 128 2.6.5. Метод реплик .................................................................................... 141 2.6.6. Растровая электронная микроскопия ............................................ 142 2.6.7. Оже-электронная спектроскопия .................................................. 145 2.6.8. Вторичная ионно-масс спектроскопия .......................................... 147 ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЙ ПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР ............................................................................................................. 149 3.1. Метод съёмной маски ................................................................................ 149 3.2. Метод контактной маски ........................................................................... 152 3.3. Фотолитография ......................................................................................... 156 3.4. Электронно-лучевая литография .............................................................. 186 3.5. Рентгеновская литография ........................................................................ 195 ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ГИС ................................................................................................ 199 4.1. Необходиме данные для проектирования и расчёта топологической структуры ГИС .................................................................................................. 200 4.2. Основные принципы проектирования топологической структуры ГИС ... 204 4.2.1. Выбор оптимального квадрата резистивной плёнки ................... 204 4.2.2. Выбор удельной ёмкости диэлектрической плёнки конденсатора ... 205 4.2.3. Определение необходимой площади под плёнку резисторов ........ 205 4.2.4. Определение необходимой площади подложки для размещения топологической структуры микросхемы ................................................ 205 3
4.2.5. Определение степени интеграции принципиальной электрической схемы устройства ...................................................................................... 206 4.3. Компоновка топологической структуры ГИС ........................................ 207 ГЛАВА 5. ПЛЁНОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИС ................................................. 210 5.1. Плёночные интегральные резисторы ....................................................... 210 5.1.1. Фрагменты расчёта тонкоплёночных резисторов ...................... 216 5.1.2. Плёночные переходные компоненты и межсоединения ............... 218 5.1.3. Создание точных плёночных резисторов ....................................... 220 5.1.4. Оценка сопротивления и индуктивности плёночных проводников .................................................................................................. 223 5.1.5. Частотные свойтва плёночных резисторов ................................. 223 5.2. Тонкоплёночные конденсаторы ................................................................ 224 5.2.1. Расчёт тонкоплёночных конденсаторов без подстроечных секций .................................................................................................................... 232 5.2.2. Расчёт гребенчатых конденсаторов ............................................. 234 5.3. Плёночные индуктивности ........................................................................ 235 ГЛАВА 6. МНОГОСЛОЙНЫЕ СВЧ ГИС НА КНТО ................................... 238 6.1. Элементная база многослойных ГИС на КНТО ..................................... 238 6.2. Средства проектирования многослойных СВЧ ГИС на КНТО ............. 248 6.3. Реализация пассивных СВЧ устройств в виде интегральных схем на КНТО ............................................................................................................. 249 ГЛАВА 7. МОНТАЖ НАВЕСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ........................................ 266 7.1. Сварка косвенным импульсным нагревом .............................................. 269 7.2. Контактная сварка ...................................................................................... 275 7.3. Технология контактной сварки ................................................................. 277 7.4. Инструмент контактной сварки ................................................................ 278 7.5. Оборудование для контактной сварки ..................................................... 279 ГЛАВА 8. ЗАЩИТА ГИС ОТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ ......................................................................................................... 281 8.1. Варианты защиты ГИС от СВЧ излучений ............................................. 284 4
ВВЕДЕНИЕ Интегральные микросхемы подразделяются на полупроводниковые, плёночные и гибридные. Однако это чисто формальная классификация, поскольку полупроводниковые схемы используют поверхностную коммутацию (металлизацию) и пассивацию, выполненные по тонкоплёночной технологии. С другой стороны в промышленном производстве практически не существует чисто плёночных микросхем, поскольку до сих пор не разработаны надёжные плёночные диоды и транзисторы. В гибридных схемах пассивные (резистор, ёмкость, индуктивность) элементы и разводка выполняются по тонкоплёночнай (толщиною до 1 мкм) и толстоплёночной (толщиною до сотен мкм) технологии. Активные элементы (диоды и транзисторы) навесные, а при необходимости и пассивные элементы используются навесными в случае больших номиналов. В полупроводниковых схемах используется монокристаллическая подложка (в основом кремниевая, реже германиевая), а в гибридных - разнообразные диэлектрические (керамика, ситалл, пластмассы, окисленный металл). Различия в интегральных схемах Пленочная ИС - все элементы и межэлементные соединения плёночные (тонкопленочные - менее 1 мкм, толстопленочные - свыше 1 мкм. Гибридная ИС - пассивные элементы (R, L, C) - плёночные, активные (бескорпусные диоды, транзисторы, МЭМС и кристаллы микросхем) - навесные. Полупроводниковая ИС - все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Совмещенная (смешанная) ИС - кроме полупроводникового кристалла, содержит тонкоплёночные и толстоплёночные пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. По функциональному назначения ИС делятся на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые ИС. В данном пособии рассматриваются только гибридные интегральные схемы. Производство любого изделия базируется на трёх факторах: проектирование, технология и организация производственного процесса, основанная на технико-экономических показателях. Поэтому в данном пособии особое внимание мы уделим не только физике работы процесса, но также подробностям технологии и проектирования ГИС. Для этой цели в пособии приводятся рекомендации и методики проектирования, проверенные в реальном проышленном производстве. Это позволит изучившим данное пособие быстрее адаптироваться в условиях работы на предприятиях. В настоящее время ГИСы переживают второе рождение. Это во многом связано с прогрессом нового вида вооружения - средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ), мощное направленное СВЧ воздействие которых эффективно выводит из 5
строя электронику, которая в основном базируется на GPS - программах и полупроводниковых микросхемах (биполярных и КМОП), неустойчивых к воздействию направленного СВЧ излучения. В этом случае гибридные схемы намного надёжнее. На рис. В1 приведена упрощённая версия полупроводниковой микросхемы, на рис. В2 - тонкоплёночной гибридной, В3 - толстоплёночной гибридной интегральной схемы, В4 - многочиповый модуль, В5 - процессор на основе MCM-C технологии. Рис. В1. Упрощённая структура полупроводниковой ИМС Рис. В2. Упрощённая структура тонкоплёночной ГИС Рис. В3. Толстоплёночная гибридная интегральная схема 6
Принципиальные преимущества ГИС: лучшая защита от электромагнитных и радиационных излучений; повышенная стойкость к механическим, климатическим и специальным воздействиям; экономическая целесообразность при мелкосерийном производстве; гибкость технологии; относительно невысокая стоимость оборудования; миниатюрное исполнение; температура рабочая - до 500 С; мощность от нескольких Вт. до нескольких кВт; диапазон рабочих частот от единиц МГц до 40 ГГц; возможность создание многочиповых модулей (рис. В3, В4, В5). Рис. В4. Многочиповый модуль Рис. В5. IBM Power5 - процессор на основе MCM-C технологии с размерами модулей 95x95 мм 7
ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА ПРОИЗВОДСТВА ГИС Гибридные интегральные схемы во многом используют элементы, принципы проектирования и технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем ИМС (химическую обработку плёночных технологических слоёв, тонкоплёночные резисторы и конденсаторы, фотолитографические принципы формирования топологии, ….). Однако с целью повышения эксплуатационной надёжности и помехоустойчивости элементов и схемы в целом, возможности экономической целесообразности малосерийного производства они используют также и толстоплёночные пассивные элементы, включая индуктивность и дискретные навесные активные элементы (диоды и транзисторы). Такое сочетание приводит к специфичным техпроцессам, компоновкам и методикам проектирования и делает такую продукцию незаменимой в системах вооружения и высокочастотной связи. Основная терминология Подложка - диэлектрическая плата, предназначенная для нанесения на неё пленочных элементов Контактная площадка - электропроводящая площадка на подложке для подсоединения навесных элементов, внешних выводов и контроля параметров пленочных элементов. Слой - часть пленочной микросхемы, выполненная за одну технологическую операцию с применением одного трафарета (резистивный слой, проводящий слой, диэлектрический слой, защитный слой и т. д.). Топология - взаимное расположение и геометрическая форма пленочных элементов микросхемы. Защита - предохранение от воздействий внешней среды на электрические параметров гибридных микросхем. 1.1. Подложка и компоновка многослойных структур Основные требования к подложкам: высокая механическую прочность при небольших толщинах; высокое удельное электрическое сопротивление и малые потери (tg б) на высоких частотах и при высоких температурах; химическая инертность к осаждаемым веществам минимальное газовыделение в глубоком вакууме; физическая и химическая стойкость при нагревании до 400-500 С; (ЛКТР), близкий к ЛКТР осаждаемых пленок; высокая адгезия к осаждаемым пленкам; класс поверхностной обработки - 14. 8
Коэффициент линейного расширения, 10 - 6 / C Таблица 1.1 Характеристики подложек Теплопроводность, кал/см ā с С Диэлектрические потери на частоте 106 Гц Диэлектрическая постоянная Ситаллы 1013-1014 6,5 10 - 3-6 ā 10 - 3 0,005-0,009 5 Лейкосапфир 1011 8,6 2 ā 10 - 4 0,0055 5 (96 Al2 O3 ) 1016 6,6 3 ā 10 - 4 0,25-0,5 7-9 Боросиликатное Стекло 107 4,6 6,2 ā 10 -3 0,0027 3,25 Алюмооксидная керамика 1014 9,1 2,7 ā 10 - 3 0,03-0,06 6,4 Кварцевое стекло 1016 4 3,8 ā 10 - 4 - 2 ā 10 - 5 0,0036 0,56-0,6 Материал диэлектрика Удельное сопротивление, Омāсм Алюмооксидная керамика типа «Поликор» 1014 10,8 2 ā 10 - 4 0,075-0,08 7,5-7,8 9
Совместимость с материалом проводников Прочность на изгиб, МПа Модуль Юнга, ГПа Теплопроводность, Вт/(мā) Таблица1.2 Промышленные материалы подложек Характеристики DuPontt www.dupont.com Heraeus www.heraeus.com Материалы КНТО Электрические Тепловые Механические İr tg į î 10 -3 ЛКТР (С -1) î 10 6 Толщина после обжига, мкм 36; 96; 130; 216 7,8 на 10 ГГц 1,5 на 10 ГГц 5,8 3,0 152 320 Pd/Ag, Ag 20,3; 40,6; 78,7; 104,1; 203,2 9,1 на 2,5 ГГц 2,0 на 2.5 ГГц 5,6 3,0 - 310 Au, Ag, Ag/Pd 52 Al, 28 Si, 8,5 Ca, 6 Ti Материал Химический состав GreenTape 943 76 Al, 9 Ca, 7,5 Ti 107; 217 7,5 на 10 ГГц 1,0 на 10 ГГц 6,0 4,4 149 230 Pd/Ag, Ag GreenTape 951 42 Al, 47 Si, 7 Ca Heratape CT2000 Heralock HL2000 92 7,3 на 2,5 ГГц 2,6 на 2,5 ГГц 6,1 3,0 - 200 Au, Ag, Ag/Pd 10