книги / Микроэлектроника толстых пленок

Таблица 2.6

Характеристики конденсаторов и резисторов

Типовые Специальные

Конденсаторы, нанесенныie методом трафарет!юй печати

конденсатора с номиналом 300 пФ, можно расположить навесной многослойный конденсатор на 10 000 пФ.

Проводники. Проектирование топологии толстопле­ ночных проводников во многом аналогично проектирова­ нию стандартных печатных плат. Проводники должны изготовляться предельно короткими, чтобы уменьшить дополнительное сопротивление схемы. Сопротивление толстопленочных проводников изменяется в пределах от 0,005 Ои/П для золотых проводников до 0,1 Ом/П

для проводников платина—золото или палладий—золо­ то. Система палладий—серебро имеет промежуточное значение сопротивления.

Для нанесения проводников нужно использовать только одну сторону подложки. Нанесение и вжигание проводников с обеих сторон керамической подложки усложняет технологический процесс и уменьшает про­ цент выхода годных изделий. Также очень трудно на­ нести проводник по ребрам подложки при переходе с одной поверхности подложки на другую.

Количество пересечений должно быть минимальным, поскольку для их создания необходимы две дополнитель­ ные операции нанесения и вжигания пленок. Для совре­ менной технологии стандартной шириной проводника считается 0,25 мм, однако, если это необходимо, можно изготовлять полоски шириной до 0,125 мм. В табл. 2.4 и 2.5 приведены основные стандарты, используемые при проектировании толстопленочных изделий.

При выборе типа дополнительных навесных элемен­ тов схемотехник должен четко представлять себе, какой из них является наилучшим, какие именно типы дискрет­ ных компонентов с наилучшими электрическими парамет­ рами необходимо приобрести, выбрать необходимые раз­ меры и конфигурации этих элементов и корпусов, а так­ же определить конкретные способы их присоединения к подложке. На этом этапе проектирования определяется основная стоимость материалов и объем работы. Сле­ дует помнить, что отбраковка изделий с уже присоеди­ ненными к подложке транзисторами, диодами и конден­ саторами резко увеличивает общие затраты. Подложка толстопленочной гибридной схемы является той базой, на которую наносятся и монтируются все необходимые элементы. Сами дискретные элементы присоединяются к подложкам толстопленочных гибридных схем в боль­ шинстве случаев теми же методами, которые исполь­ зуются в практике печатных плат. Кроме того, подложка используется для последующих операций сборки и корпусирования.

Очень важно, чтобы выбранный тип полупроводнико­ вых элементов удовлетворял заданным требованиям, что легче всего выясняется на стадии макетирования. Тип и размеры корпуса определяются размером полностью соб­ ранной схемы. Если размер схемы не является одним из основных факторов ее целевого использования, то проек­ тировщик может найти способ наиболее экономично создать схему с нужными электрическими характеристи­ ками. Если же объем, занимаемый схемой, является важным фактором, то нужно искать компромиссное ре­ шение для удовлетворения требований к электрическим характеристикам схемы и ее объему. Такой компромисс ведет к понижению процента выхода годных изделий и повышению их стоимости.

При выборе метода создания гибридной схемы необ­ ходимо, чтобы каждая последующая операция произ­ водства и сборки схемы проводилась при более низкой температуре. При монтаже активных элементов на пас­ сивную подложку следует по возможности избегать

нагрева. При производстве многочиповых гибридных структур иногда бывает необходимым длительное время выдерживать подложку при температуре образования эвтектики системы золото — кремний, в течение которого электрические характеристики активных элементов мо­ гут изменяться. Учет этого явления становится особенно важным, если приходится создавать шестиили восьми­ чиповые системы.

Вследствие этого ряд заводов, изготовляющих гиб­ ридные схемы, отказываются от эвтектического метода сборки и используют эпоксидные смолы. Однако прави­ тельственные нормативы на гибридные схемы для воен­ ных целей запрещают использование эпоксидных смол для приклеивания чипов к корпусу. Трудности, возни­ кающие при эвтектическом методе, уменьшаются, если небольшие участки подложки подогревать селективно горячим воздухом до температуры образования эвтек­ тики.

В ряде операций сборки, таких, как присоединение активных элементов, а также присоединение подложек к корпусу, используются различные клеи. Качество этих операций зависит от времени и особенно от температуры полимеризации клея. Чем ниже температура, тем боль­ ше время полимеризации. Полностью собранная гибрид­ ная схема обычно монтируется на печатную плату изве­ стными стандартными методами. Если при монтаже гиб­ ридной схемы к печатной плате используется мягкий припой, то его температура плавления должна быть ни­ же температуры сборки гибридной схемы.

2.5. Дискретные компоненты и их характеристики

При проектировании гибридных схем необходимо учитывать наличие изготовляемых промышленностью дискретных компонентов, возможность их приобретения и время поставки. Стандартные дискретные компоненты могут быть получены за короткое время, тогда как для приобретения специальных компонентов требуется го­ раздо больше времени. Фирмы-изготовители дискретных компонентов разрабатывают их в различном конструк­ тивном оформлении. В табл. 2.6 перечислены различные

изготовляются почти любой формы и размера; электро­ ды могут быть расположены в разных плоскостях и мо­ гут находиться на одной и той же плоскости и иметь так называемую «флип-чип»-конфигурацию.

Преимущество многослойного конденсатора заклю­ чается в легкости его припайки к подложке вследствие специальной конфигурации электродов и

ввысоком значении номиналов.

Вмногослойных конденсаторах элек­ троды наносятся методом трафаретной печати на тонкие слои диэлектрика. Ке­ рамические платы с нанесенными на них электродами собирают в столбики, кото­ рые затем прессуются для удаления воз­ духа между слоями и обеспечения хоро­ шего контакта. Столбики могут раз­ резаться на отдельные конденсаторы, размер которых зависит от желаемой величины номинала. Конструкция много­ слойного конденсатора представлена на фиг. 2.8.

Другим типом конденсатора является танталовый электролитический конден­ сатор, обладающий высоким значением номинала при малой площади электро­

дов. Но электролитические конденсаторы нестабильны при изменении температуры и частоты и имеют большой импеданс на высоких частотах и большое значение коэффициента потерь.

При проектировании гибридных схем нужно избегать применения индуктивностей. Однако небольшие торои­ дальные индуктивности могут все-таки использоваться в небольших импульсных и широкополосных трансфор­ маторах. Эти индуктивности имеют очень высокое значение проницаемости, так что уже несколько витков обеспечивают большую индуктивность. Такие индуктив­ ности в основном используются на промежуточных часто­ тах и в радиочастотном диапазоне. Обычно в гибридных схемах используются индуктивности с подстройкой, по­ скольку допуск на другие постоянные элементы велик.

Вследствие того что в настоящее время еще не нала­ жено производство индуктивностей малых размеров выше 20 мГн, часто применяются активные RC-цепочки для получения нужных рабочих характеристик гибрид­ ной схемы. С уменьшением размеров индуктивностей уменьшается и их добротность. Поэтому для изготовле­ ния приборов с высоким значением добротности индук­ тивности обычно используются лишь в активных филь­ трах и в умножающих ячейках.

2.6. Тепловые характеристики и перенос тепла

При проектировании гибридных схем необходимо учи­ тывать различные тепловые факторы. Большие площади контактирования различных материалов и компонент могут привести к повышению термоупругих механиче­ ских напряжений. Такие напряжения возникают, на­ пример, в клее, используемом для приклеивания подлож­ ки к корпусу. При любом отклонении температуры от комнатной различные материалы либо сжимаются, либо расширяются. Величина этих деформаций различна для разных материалов. При изменении температуры на ДТ относительное смещение двух жестко связанных

пластин (основание коварового корпуса и подложки из окиси алюминия) вызывает в клее напряжения. Если эти напряжения превышают определенную величину, то клей разрушается. Разрушение может произойти и в случае, когда это критическое значение не достигается, но деформация повторяется несколько раз. Такая де­ формация может быть уменьшена путем уменьшения диапазона изменения температуры, путем использования материалов с близкими значениями коэффициентов тер­ мического расширения либо путем увеличения толщины слоя клея.

Уход температуры за интервалы, допускаемые спе­ цификацией, приводит к дополнительным изменениям параметров элементов и к катастрофическим отказам. Температура элементов зависит от их способности рас­ сеивать тепло, от способа переноса тепла, температуры тела, которому это тепло отводится, и от взаимного рас­ положения других источников тепла.

Для выбора допустимой температуры надо знать тепловое сопротивление, которое определяет повышение температуры элемента относительно некоторой началь­ ной, приходящееся на единицу рассеиваемой мощности. За начальную температуру может быть принята темпе­ ратура окружающей среды или температура изготовле­ ния гибридной схемы.

На практике для описания рассеивающей способ­ ности толстопленочных резисторов используется единица Вт/см2. Несмотря на удобство, использование величины теплового сопротивления при проектировании толстопле­ ночных резисторов все же является некоторым прибли­ жением, поскольку рассеяние тепла зависит также и от теплоотвода и способа корпусирования подложки. Ти­ пичные значения рассеиваемой мощности в гибридных схемах обычно находятся в интервале от 0,04 до 0,08 Вт/мм2.

ЛИ ТЕ Р А ТУ Р А

1.SOBHANI М., ISAAK Н. R., Design Considerations In Thick-Film Hybrid Microcircuits Layout, Solid State Technology, pp. 37—45

(June 1969).

2.BURKS D. P., Design of Thick-Film Hybrid Integrated Circuits, NEPCON, January 1967.

3.MANDEL A. P., Hybrid Microelectronics Modules Designed Using

Basic Thermal Design Guidelines, NEPCON, 1969.

4.HAMER D. W., Reduced Titante Capacitor Chips For Thick-Film Hybrid ICs, Proc. Electronic Component Conf., 1968.

5.MANDEL A. P., VAHEY P. K-, Thermal Design Criteria For Hyb­

rid Microelectronic Modules, 1968 Microelectronics Simposium.

6.LINDEN A. E., TOPFER M. L., COTE R. E., MAYER S. E., ThickFilm Microcircuit Design and Manufacture, NEPCON. 1969.

3, Технология

3.1. Выбор материалов для изготовления подложек

На ранних этапах развития толстоплеиочной техно­ логии в качестве материалов для изготовления подло­ жек использовались окись бериллия, стеатит, 99%- и 96%-ная окись алюминия. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 3.1.^Каждый из этих материа­ лов имеет свои преимущества и недостатки. Окись бе­ риллия обладает хорошими тепловыми свойствами, но по прочности уступает окиси алюминия; стеатит отно­ сительно недорог, но имеет плохие тепловые свойства; у 99%-ной окиси алюминия слишком гладкие поверхно­ сти, вследствие чего адгезия нанесенных на эти поверх­ ности пленок очень низка. По мере развития толстопле­ ночной технологии 96%-ная окись алюминия стала про­ мышленным материалом из-за высокой механической прочности, хороших тепловых характеристик, стабиль­ ности в широком температурном интервале, удовлетво­ рительной шероховатости поверхностей, постоянства геометрических размеров и легкости приготовления.. Типичные характеристики 96%-ной окиси алюминия приведены в табл. 3.1.

Одним из основных недостатков окиси алюминия, так же как и других керамических материалов, являет­ ся трудность изготовления на них плоских поверхностей. Большинство подложек имеет заметную кривизну. Обыч-