книги / Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт станционного оборудования радиорелейных линий связи
..pdf2 J
Рис. 68. Схема проволочного |
Рис. 69. К процессу нане |
монтажа |
сения пасты на подложку |
микросхемы стремятся проектировать так, чтобы они содержали минимум таких элементов. При необходимости микроиндуктив ности могут быть сформированы из пленки, а элементы с относи тельно большой индуктивностью — в виде навесных катушек. Та ким катушкам часто придают плоскую форму, а их сердечники выполняют разомкнутыми. Материалом для сердечника обычно служат ферриты и карбонильное железо.
Добротность пленочных индуктивных катушек невелика. У на весных катушек она значительно больше и достигает десятков единиц.
Современные технологии гибридных интегральных микросхем позволяют получить 2—3-ю степени интеграции (БГИС).
Собранную гибридную микросхему заключают в металлический или пластмассовый корпус, изолирующий ее от внешних воздейст вий (влаги, пыли и др.). Размеры корпуса обычно составляют единицы миллиметров. Контактные выводы размещают в опре деленном порядке, а корпус снабжают срезом или выступом для его ориентировки при монтаже.
Как уже отмечалось, основой ГИС и БГИС служат пленочные микросхемы. Толстопленочные и тонкопленочные схемы, состоя щие из пассивных элементов, можно применять и в качестве само стоятельных функциональных узлов (логические схемы, дешиф раторы и др.).
Толстыми принято называть пленки, толщина которых превы шает 1 мкм. Чаще всего используют пленки с толщиной в несколько десятков микрометров. Иногда толщина пленки достигает 150— 200 мкм.
Технология получения толстопленочных микросхем была раз работана одной из первых. Основанием толстопленочной схемы служит специальная пластинка из отполированного стекла, квар ца или керамики. Состав стекла, керамики тщательно подбирают, исходя из многих требований, в частности адгезии, т. е. способно сти прочно удерживать нанесенную пленку.
На подложку 3 методом трафаретной печати с усилием Р на носят слой пасты 1 (рис. 69), состав которой варьируется в зави симости от характера изготовляемых элементов.
После снятия трафарета 2 (маски) подложку с рисунком из нанесенной пасты термически обрабатывают при температуре
1000 К. В результате образуется фигурная пленка, толщина кото рой зависит от толщины фольги, из которой изготовлен трафарет. На полученный рисунок накладывают другой трафарет и с по мощью пасты другого состава наносят новую пленку. При изго товлении сложных схем эти процессы могут повторяться много кратно. Для обеспечения необходимой точности и воспроизводи мости параметров схемы, а также повышения производительно сти труда этот процесс автоматизирован.
Толщина сформированной пленки обычно порядка 1 мм, шири на и длина — несколько сантиметров.
Для изготовления проводников и контактных площадок на толстопленочны'х схемах применяют пасту, содержащую порошки металлов с высокой проводимостью, устойчивых к химическим и температурным воздействиям (платину, золото, серебро, палла дий), и стекло. Стекло в составе пасты обеспечивает прочное сцепление пленки с подложкой после отжига. Ширина толстопле ночных проводников, получаемых по этой технологии, составляет доли миллиметра (обычно от 100 мкм до 0,5 мм).
Толстопленочные резисторы изготовляют из смеси порошков серебра и палладия со стеклом. Чем больше содержание стекла, тем выше сопротивление и меньше электропроводимость пасты. На значение сопротивления влияют также размеры и форма пле ночного резистора 2 (рис. 70), соединенного с контактными пло щадками 1. Электропроводимость изготовленных резисторов мо жет отличаться от требуемых значений, поэтому после Контроля значение сформированного сопротивления доводят до номиналь ного, уменьшая толщину пленки с помощью абразивов или делая надрезы лазерным лучом.
Толстопленочные конденсаторы (рис. 71) получают последо вательным формированием пленок из проводящей 3 и диэлектри ческой 4 паст на подложке /, соединенных с контактными пло щадками 2. Диэлектрическую пасту изготовляют из Порошков титаната бария и сегнетокерамических материалов с высоким зна чением диэлектрической проницаемости.
Рис. |
70. |
Пленочные рези |
Рис. 71. Пленочный кон |
сторы с малым (а) и боль |
денсатор |
||
шим |
(б) |
сопротивлением |
|
Конденсаторы повышенной емкости, а также индуктивные катушки и трансформаторы в толстопленочных схемах делают навесными.
Толстопленочные схемы обладают рядом достоинств, которые обеспечили им широкое применение прежде всего в устройствах, требующих большой точности и стабильности параметров пассив ных элементов. Они надежны и сравнительно недороги, а исполь зование навесных элементов позволяет уменьшить число пересе чений в плоскости и количество выходных контактов.
Сформированную толстопленочную схему помещают в герме тичный корпус или заливают компаундом.
Технология изготовления толстопленочных схем относительно проста, а сами схемы сравнительно дешевы. Подложки для этих схем не требуют особо тщательной шлифовки. Устройства спо собны рассеивать большую тепловую мощность (сотни ватт), од нако использовать их целесообразно при частотах, не превышаю щих единиц гигагерц. При более высоких частотах используют тонкопленочные схемы.
При тонкопленочной технологии можно изготовлять более мелкие элементы, чем те, которые формируются в толстых пленках. Именно это и требуется в СВЧ-технике. Ширина соединительных линий в тонкопленочных схемах обычно не превышает 50 мкм, что дает возможность существенно повысить плотность монтажа по сравнению с достигаемой на толстых пленках.
Ктонким относят пленки, толщина которых составляет десятые
исотые доли микрометра.
При изготовлении интегральных микросхем по тонкопленочной технологии для токопроводящих линий, с помощью которых соеди няются пленочные элементы, и контактных площадок для под соединения навесных элементов применяют различные металлы с высокой электропроводимостью: алюминий, медь, серебро, золото, никель, хром, олово, их соли и сплавы. Металлы должны быть устойчивы к химическим воздействиям и иметь хорошую адгезию к подложке.
Для изготовления конденсаторов чаще всего применяют алю миний и медь. Индуктивные элементы (рис. 72) изготовляют из никеля, серебра или хрома.
Для получения резистивных элементов используют тантал, титан, никель, хром и их сплавы, а также углерод и кремний.
Изолирующие диэлектрические пленки получают окислением внешних слоев металлических пленок или нанесением покрытий из диэлектрических материалов.
Для нанесения тонких пленок на подложку применяют различ ные методы: вакуумное напыление, катодное распыление, хими ческое осаждение и электролитическое анодироввание.
В методе вакуумного напыления (рис. 73) материал для изго товления пленки помещают в тугоплавкий тигель 6 из платины
Рис. 72. Пленочная ин |
Рис. 73. К методу вакуумного |
дуктивная катушка |
напыления пленки |
или вольфрама. Устройство для напыления плотно закрывают колпаком /, давление под которым понижают до Ю"''3 Па. Затем тигель нагревают до температуры — 1000 К. Материал 5 начинает интенсивно испаряться, осаждаясь на более холодной подложке 3. Осажденная пленка должна быть однородной и плотно соединять ся с подложкой, для чего ее поверхность должна быть хорошо очищена от посторонних примесей. С этой целью подложку подо гревают подогревателем 2. Между испарителем и подложкой уста навливают экран 4, который поглощает молекулы, не попадающие на нее. Осаждающиеся на экране дорогостоящие металлы в даль нейшем смывают и используют вторично.
Для создания композитных пленок в камере размещают не сколько испарителей. При формировании пленок из тугоплавких материалов (вольфрама, титана, молибдена) испарение осуществ ляют электронным лучом.
При катодном распылении к электродам подводят постоянное напряжение в несколько тысяч вольт. Катод выполняют из рас пыляемого материала. Используются ионы инертного газа, за полняющего рабочую камеру, которые выбивают из Катода моле кулы, осаждающиеся затем на подложке. В этом случае не нужны высокие температуры при формировании пленок из самых туго плавких материалов.
При химическом осаждении молекулы, осаждаемые на под ложке, образуются в результате химических реакций газообраз ных реагентов.
Электролитическое анодирование производят в Жидком элек тролите, где подложка используется в качестве анода.
Каждый слой пленки, наносимой на подложку, должен иметь определенную строго рассчитанную конфигурацию. Это достига ется применением фотолитографии, удивительного Технологичес кого приема, который заслуживает несколько боле£ подробного рассмотрения.
Процесс фотолитографии начинается с изготовления негатива. На двухслойном листе из синтетического материала с прозрачной
81
основой и зачерненной поверхностью вычерчивают необходимый рисунок. Важно отметить, что делается это самыми обычными способами, например, с помощью ручного или автоматического координатографа, который снимает непрозрачный слой в местах, где должны быть «белые» контуры.
С негатива размером около 1 м2 делают уменьшенный отпеча ток с помощью специальной фотокамеры. Обычно уменьшение производят в 2—3 ступени, пока отпечаток не достигнет нужных микроскопических размеров. Окончательный отпечаток делают на специальной фотопластинке и называют фотошаблоном.
Стеклянная основа фотошаблона должна быть идеально чистой и строго плоскопараллельной, что абсолютно необходимо для ис ключения брака.
Следующий этап фотолитографии состоит в нанесении фото резиста на подложку или на напыленную ранее пленку.
Фоторезистами называют эмульсии на основе высокомолекулярных соедине ний, которые обладают свойством после облучения изменять степень раствори мости в специально подобранных средах.
Фоторезисты подразделяются на негативные и позитивные.
Впервых под действием облучения образуются нерастворимые,
аво вторых — растворимые участки.
Обычно подложку с каплей фоторезиста помещают в центри фугу. Под действием центробежной силы фоторезист равномерно и плотно распределяется по всей поверхности подложки. На про сушенный фоторезист накладывают фотошаблон и экспонируют в ультрафиолетовом свете.
В пленке из негативного фоторезиста при облучении образу ются нерастворимые участки, которые после проявления остаются на подложке и экранируют ее от напыления. В позитивном фото резисте облучение формирует растворимые участки, на месте ко торых после проявления образуются окна. Через эти окна напы ляемый материал оседает на подложке.
После напыления проводящей или резистивной пленки фото резист смывают и на поверхности остаются необходимые элемен ты тонкопленочной схемы.
При формировании микросхем последовательно применяют оба вида фоторезистов. Это позвогяет получать хорошее совме щение пассивных элементов схемы, контактных площадок и токо проводящих дорожек.
§ 19. Полупроводниковые интегральные микросхемы
Полупроводниковые интегральные микросхемы изготовляют в одном кристалле введением легирующих примесей в определенные микрообласти.
Современная технология позволяет создавать в приповерхно стном слое кристалла весь набор активных и пассивных элементов, а также межэлементные соединения в соответствии с топологией схемы.
В качестве активных элементов ИМС широко применяют как биполярные транзисторы, так и транзисторы типа МДП.
МДП-транзисторы проще в изготовлении, дают больший про цент выхода годных изделий, позволяют получить более высокую плотность размещения приборов, потребляют меньшую мощ ность, дешевле биполярных. Недостаток МДП-транзисторов — сравнительно высокая инерционность.
Один из важных критериев оценки ИМС, характеризующий уровень интег рации,— это отношение числа диодов к числу выводов, соединяющих микрросхему с внешними цепями (питание, интерфейс и др.).
Чем больше отношение количество диодов/количество контак тов, тем надежнее электронные блоки на базе ИМС. Для простых логических схем это отношение меньше единицы. Для сложных — достигает десяти и более.
Основой полупроводниковых интегральных микросхем в боль шинстве случаев служит кремний. На одной пластинке кремния диаметром 75 мм и толщиной 0,2 мм можно сформировать десятки тысяч полупроводниковых ИМС.
Широкое применение кремния обусловлено его способностью сохранять полупроводниковые свойства при относительно высо ких температурах и образовывать в кислородной среде поверх ностную оксидную пленку, выполняющую роль диэлектрика. Кроме того, эта пленка защищает кристалл и сформированные в нем миниобласти с заданным типом электропроводности от загрязне ний, а также используется для формирования маски, через кото рую осуществляют локальную диффузию примесей.
Применяется групповой метод изготовления ИМС: на отполи рованной пластине кремния тысячи одинаковых схем формируют одновременно. Затем алмазным резцом делают насечки по грани цам схем и разламывают пластину на кристаллы. Полученные заготовки снабжают внешними выводами, заливают герметиком, помещают в корпусы и оформляют в виде серийных электронных приборов.
Групповой метод изготовления ИМС обеспечивает высокую стандартизацию и экономичность производства.
Возможность серийного производства ИМС была подготовле на созданием и совершенствованием планарно-эпитаксиальной технологии.
Технология называется планарной потому, что все процессы реализуются в плоской поверхности кристалла, а эпитаксиаль ной — потому, что базируется на процессе эпитаксии.
Эпитаксией называют процесс осаждения молекул вещества на монокристаллическую пластину (подложку) с образованием пленки, повторяющей ее струк туру.
Наибольшее распространение получили два метода создания кремниевого эпитаксиального слоя: восстановление кремния из его тетрахлорида в водородной среде и термическое разложение
соединений кремния (пиролиз). Для повышения качества эпи таксиальных слоев применяют комбинацию методов восстанов ления и пиролиза.
Различают однослойные и многослойные эпитаксиальные структуры. Однослойные (диаметром от 25 до 40 мм) представля ют собой кремниевую монокристаллическую пластину толщиной 0,2 мм, покрытую эпитаксиальной кремниевой пленкой толщиной от 8 до 15 мкм. В многослойных структурах пленку наращивают с двух сторон пластины.
Промышленностью изготовляются также гетероэпитаксиальные структуры, в которых кремниевый слой наращивают на моно кристаллическую сапфировую подложку.
Полупроводниковая ИМС формируется в тонком приповерх ностном слое кристалла в результате последовательного осущест вления следующих процессов:
окисления кремниевой подложки с целью защиты ее поверх ности пленкой диоксида кремния;
превращения зашитной пленки в маску заданной конфигура ции с помощью фотолитографии;
диффузии легирующих примесей в верхний слой подложки через окна в маске.
В результате в подложке или в эпитаксиальном слое получают легированные области размером в единицы микрометров.
Универсальным элементом монокристаллической ИМС служит р-п- или м-р-переход, изолирующий микрообласти, сформирован ные в кристалле.
Этот переход может непосредственно выполнять роль диода. Структуры из нескольких таких переходов образуют транзисторы, тиристоры и другие активные элементы. Переход, запертый об ратным постоянным напряжением, выполняет роль конденсатора. Обратное сопротивление перехода — это высокоомный резистор. Для получения резистора с сопротивлением в сотни килоом ис пользуют входные цепи эмиттерных повторителей, собранных на м-р-переходах. В качестве небольших сопротивлений используют участки эпитаксиального слоя.
Существенные трудности связаны с получением индуктивных катушек, поэтому монокристаллические микросхемы обычно про ектируют без них.
Многослойные структуры (рис. 74) с несколькими м-р-пере ходами получают, повторяя рассмотренные процессы.
При создании сложных микросхем (рис. 75) требуется много кратное снятие и повторное нанесение (до полутора десятков раз) новой маски методом фотолитографии. При этом важно совме стить маски в соответствии с топологией схемы.
Сформированную планарную структуру покрывают пленкой оксида кремния, в которой вытравливают окна для напыления алюминиевых или золотых контактных площадок и соединитель
HI— w —t!
Рис. |
74. Полупроводнико- |
Рис. 75. Структура сложной ИМС одно- |
вая |
многослойная струк- |
каскадного усилителя на транзисторе |
|
тура |
|
ных линий. Стандартизованные по размерам контактные площад ки служат для подвода питания, подачи входных и снятия выход ных сигналов.
Достаточно сложные схемы не удается выполнить без пере сечения токопроводящих дорожек. В этих случаях схемы соедине ний напыляют в два слоя и более, разделяя их изолирующими пленками.
Полностью сформированные и испытанные интегральные ми кросхемы крепят на керамическом основании корпуса 4, имею щего внешние выводы 2. Контактные площадки 3 соединяют с внешними выводами тонкими золотыми проволочками 1 (рис. 76). Для повышения прочности соединения и уменьшения переходного сопротивления между контактной площадкой и проволочкой ис пользуют термокомпрессионную (нагрев и давление) или ультра звуковую сварку.
После выполнения проволочных соединений схемы герметизи руют, заливая компаундами на основе эпоксидных или кремнийорганических смол.
Корпусы интегральных микросхем изготовляют из металли ческих сплавов, стекла, керамики и различных пластмасс, обла дающих механической и электрической прочностью, коррозион ной стойкостью и не вызывающих химического загрязнения кристаллов ИМС.
Рис. 76. Монтаж интегральной ми кросхемы в круглом корпусе
Разновидностью полупроводниковых интег ральных микросхем являются совмещенные ИМС. Технология их изготовления не имеет принципиальных отличий от рассмотренных ра нее.
Название «совмещенные» эти ИМС получи ли потому, что в них оптимальным образом со четаются достоинства полупроводниковых и пленочных элементов, при этом активные эле менты схем изготовляют в приповерхностном слое полупроводникового кристалла, а пассив ные — в тонкой пленке, нанесенной на его по верхность.
Интегральные микросхемы находят примене
ние во всех областях современной техники. Особенно велико их значение для дальнейшего развития техники связи, вычислитель ной техники, автоматики и телемеханики. Малые габаритные раз меры и масса, большая надежность, высокая стабильность и вос производимость параметров, низкий уровень собственных шумов, малое потребление энергии позволяют ИМС успешно конкуриро вать со схемами, собранными на дискретных элементах.
Маркировка интегральных микросхем состоит из трех элементов. Принад лежность прибора к ИМС обозначают индексом К. Второй элемент определяет технологическую принадлежность схемы: цифрами 1, 5, 7 обозначают полупро водниковые ИМС, цифрами 2, 4, 6, 8 — гибридные. Третий элемент маркировки — двузначное число — номер серии, указывающий функциональную принадлеж ность микросхемы (генератор, усилитель и т. п.).
§ 20. Микропроцессоры
Цифровая электронная вычислительная машина (ЦЭВМ) в об щем случае состоит из устройства, выполняющего арифмети ческие и логические операции (АЛ У); оперативной и долговре менной памяти, в которой может быть выделен и ряд промежуточ ных ступеней; устройств для ввода в машину перерабатываемой информации (УВ); устройств для вывода информации из машины и отображения ее в привычной для человека форме (УО) и управ ляющего устройства (УУ), обеспечивающего согласованную ра боту и взаимодействие перечисленных устройств.
Совершенствование ИМС позволило довести степень их интег рации до такого уровня, при котором в объеме одного кристалла площадью в несколько квадратных миллиметров оказалось воз можным разместить сотни тысяч активных и пассивных элементов.
При этом количество стало переходить в качество: структур ное объединение арифметического устройства, логических схем, оперативной памяти и устройства управления позволило до долей микрона сократить длину соединительных линий и до долей микро секунды уменьшить время передачи внутренних сигналов управ ления.
Так возник микропроцессор — микросхема, способная решать разнообраз ные математические и логические задачи с точностью и скоростью, соизмеримыми, а иногда и не уступающими тем, которые достигнуты в современных ЭВМ.
Микропроцессоры с помощью согласующих схем ввода—вы вода информации (интерфейса) подключают к системам радио связи и автоматического управления, практически неограниченно расширяя их возможности вплоть до наделения элементами ин теллекта.
Термин «микропроцессор» объединяет целую группу электрон ных устройств, отличающихся друг от друга сложностью, воз можностями, стоимостью. Микропроцессор, предназначенный для решения одной задачи в конкретной радиоаппаратуре, проще универсального микропроцессора, рассчитанного на применение
в различных системах автоматического управления или в микроЭВМ.
Важнейшие характеристики микропроцессора — разрядность и быстродействие. От количества разрядов в числах, которыми оперирует микропроцессор, зависит точность обработки информа ции и, следовательно, точность работы устройства или системы, взаимодействующей с микропроцессором. Быстродействие не только определяет время решения сложных задач, но и обеспечи вает возможность работы систем в реальном масштабе времени.
Последнее особенно важно для радиотехнических систем, в которых речевые и видеосигналы обрабатываются непосредствен но в процессе радиообмена.
Базовыми элементами микропроцессоров служат микроячейки, формируемые в интегральных микросхемах по известным техно логиям, например планарной. Эти ячейки реализуют основные логические функции: сложения ИЛИ, умножения И и отрицания НЕ. Комбинируя базовые микроячейки первого уровня, получают более сложные базовые элементы второго уровня, реализующие логические функции ИЛИ-И, И-ИЛИ-НЕ и др.
Из функциональных базовых элементов строят регистры, сумматоры, дешифраторы и т. д. Таким образом, микропроцессор может рассматриваться как сложная система логических схем, сформированная в кристалле кремния размером со спичечную головку.
Базовые логические элементы («логика») современных микро процессоров реализуется на основе транзисторов и диодов. В за висимости от характера связи между транзисторами выделяют различные типы логики, например транзисторную логику с непо средственными связями ТЛНС, транзисторно-транзисторную ло гику Т2Л, диодно-транзисторную логику ДТЛ и ряд других.
Чаще всего в микропроцессорах применяется транзисторно транзисторная логика, которая реализуется на основе планарно эпитаксиальной технологии.
Использование в этом технологическом процессе все более ко ротковолновых излучений позволяет увеличивать плотность микросхем и продолжать миниатюризацию процессоров. Новые возможности для дальнешей миниатюризации и повышения быстродействия микропроцессоров дает применение эмиттерносвязанной (ЭСЛ) и инжекционной интегральной (ИИЛ) логик.
Помимо биполярных транзисторов для изготовления логи ческих элементов микропроцессоров широко применяют полевые транзисторы.
Промышленностью серийно выпускаются микропроцессоры с разрядностью 4, 8, 16, 32. В некоторых микропроцессорах предус мотрена возможность удвоения количества разрядов. Быстродей ствие составляет от 200 тыс. до 2 млн операций в секунду.
В радиотехнических системах применяется два типа микро