Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт станционного оборудования радиорелейных линий связи

..pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.76 Mб
Скачать

2 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 вводавы­ 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

Соседние файлы в папке книги