12.4. Технология изготовления твердых схем

Как уже было сказано, способ создания твердых схем состоит в том, что на базе одного или нескольких кристаллов полупроводникового материала изготавливают устройства, эквивалентные целым функциональным схемам. Для получения активных и пассивных элементов твердой схемы применяют сплавные, диффузионные и планарные полупроводниковые приборы, а также эпитаксиальные пленки. В такой конструкции, которая приобретает объемный характер, обычно трудно четко разграничить отдельные элементы схемы.

Некоторые типичные структуры представлены на рис. 12.30. На рис. 12.30, а показан резистор, полученный диффузией сурьмы в кремний с проводимостью р-типа. В результате диффузии образуется тонкий слой с низким удельным сопротивлением с проводимостью n-типа. Отношение удельного сопротивления исходного материала к удельному сопротивлению полученного слоя с проводимостью n-типа оказывается больше 100, поэтому образованием узкой канавки можно изолировать один полупроводниковый резистор этого типа от другого.

Если на обе поверхности рассматриваемого элемента нанести металлическую пленку металла с достаточной проводимостью, то получится схема, изображенная на рис. 12.30, б. Значения емкости и сопротивления зависят от величины приложенного напряжения. Схема такого вида может быть несколько изменена. Устройство, изображенное на рис. 12.30, в является фазосдвигающим НЧ фильтром с распределенными параметрами.

Вентильная схема (рис. 12.30, г) строится за счет использования свойств однополюсного транзистора. Запирающее сопротивление между точками 1 и 2 достаточно велико, если к элементу приложено большое обратное напряжение смещения. При нулевом смещении запирающее сопротивление мало. Таким образом, изменение смещения п-р перехода открывает или запирает схему между точками 1 и 2. Эта методика может быть применена для получения большой логической схемы, изображенной на рис. 12.30, д.

При подаче сигнала смещения на один из электродов G₁, G₂, G₃ схема между точками 1 и 2 открывается.

На рис. 12.30, е изображены усилитель и его эквивалентная схема. Металлический электрод р-слоя образует коллектор. Базовые электроды образуются нанесением металлических пленок с проводимостью re-типа. В упрощенной эквивалентной схеме усилителя на двух транзисторах Q₁ и Q₂ не указаны компенсационные термосопротивления и соединительная емкость. На рис. 16-30, ж изображено устройство, не имеющее стандартной схемной аналогии, а также характеристика такого элемента. На графике штриховой линией обозначена нагрузочная характеристика элемента. Схема в этом случае имеет два устойчивых положения. При наличии нагрузки большой величины (сплошная прямая линия) схема становится генератором пилообразных импульсов, частота которых определяется величиной приложенного напряжения. Одновременное использование нескольких подобных элементов позволяет получить более сложные функциональные схемы.

Рис. 12.30. Типичные структуры функциональных устройств на твердых схемах

Сравнение сложных полупроводниковых цепей со стандартными схемами лучше всего производить, сравнивая их функции, используя известные аналогии между элементами схемы и различными переходами в полупроводнике.

В твердых полупроводниковых схемах решается проблема объединения отдельных элементов. Благодаря использованию однородного, обладающего высокой чистотой материала число контактов сокращается, основные электрические соединения приходятся на входные и выходные контакты и на выводы для подключения питания.

Для превращения пластинки полупроводникового материала в функциональную схему требуется от 15 до 20 технологических операций. При таком небольшом количестве операций можно применять строгий пооперационный контроль качества. Это способствует повышению надежности схем.

Трудности математического описания процессов в полупроводниковых приборах связаны с их объемным исполнением. Этим объясняется и трудность теоретического описания методов создания функциональных полупроводниковых схем. Поэтому твердые схемы пока создают путем обработки отдельных частей полупроводникового материала в соответствии с обычными схемами. Одни участки выполняют как резисторы, другие как конденсаторы, диоды, транзисторы и т. п. Можно реализовать любое число таких участков так, чтобы их сочетание образовало желаемую схему. Так как все эти участки представляют собой часть одного и того же образца полупроводникового материала, то получается полностью монолитная структура. Часто в устройстве подобного типа, как было сказано выше, невозможно определить тот или иной участок по функциональному признаку. Поэтому составляют эквивалентную схему, которую можно построить по принципу проводимости в полупроводниковом материале. Если известны электрические устройства участков, то можно узнать и характеристики всего устройства в целом. В отдельных случаях некоторые участки можно имитировать подключением обычного элемента схемы, например при макетировании.

Рис. 12.31. Твердая схема RC с распределенными параметрами (конструкция и эквивалентна схема):

1 – диффузионный строй; 2 – p-n переход с большой поверхностью; 3 – объемный кусок полупроводника

На основе полупроводниковых материалов легко формируются цепи с распределенными RC-параметрами (рис. 12.31).

Индуктивность значительно труднее выполнить в малом объеме. В настоящее время не существует такого микроминиатюрного полупроводникового прибора, который обладал бы большой индуктивностью. Разработан полупроводниковый диод, эквивалентная схема которого при определенных условиях представляет собой индуктивность с высокой добротностью в последовательном соединении с отрицательным сопротивлением. Можно выполнить индуктивную цепь на активных элементах или заменить ее другими элементами, обеспечивающими в итоге эквивалентный эффект. Например, в схеме временной задержки можно вместо индуктивности применить полупроводниковую линию задержки; схемы RC могут заменить в ряде случаев схемы LC, дроссели заменяют полупроводниковыми приборами, использующими эффект поля; вместо согласующих трансформаторов применяют другие схемы согласования, без индуктивностей.

Небольшие индуктивности выполняют в виде спирали из полупроводникового материала. Если же требуются большие индуктивности, то практически выгоднее использовать смешанную конструкцию с применением индуктивностей обычного типа.

Диоды и транзисторы изготовляют методами диффузии или сплавления; диффузионный способ более удобен и при создании твердых схем.

В структуре полупроводниковых схем можно выполнять, например, однополюсные транзисторы, работающие на основе эффекта поля, туннельные диоды, приборы типа р-п-р-п, солнечные элементы, термоэлектрические элементы.

Ввиду малых размеров твердых схем их можно объединять разными способами, так как в любом случае достигается существенное уменьшение размеров аппаратуры по сравнению с обычным ее выполнением. Попытки укладывать твердые схемы в одной плоскости дают наименьшую экономию объема. Наиболее эффективный способ состоит в их монтаже параллельными рядами (рис. 12.32).

Рис. 12.32. Один из методов соединения твердых схем:

1 — тефлоновые листы, покрытые медью с травлеными отверстиями для выводов; 2 — твердые схемы; 3 — проводник, изолированный от листа; 4 —листы для подачи напряжения питания; 5 — лист для вывода сигнала цепей; 6 — проводник, приваренный к листу

При выполнении малогабаритной аппаратуры необходимо обеспечить минимальное рассеяние тепла на единицу объема. Для этой цели твердые схемы выполняют с минимальным потреблением электроэнергии и с большим отношением площади поверхности к объему.

Интересно провести оценку плотности элементов в твердых схемах. Сами по себе твердые схемы имеют плотность 350 млн. элементов в 1 дм³. Если учесть объем, занимаемый соединениями при объединении этих схем в блоки и системы, то плотность уменьшится до 9 млн. в том же объеме. С учетом заключения твердых схем в герметические корпуса получается плотность 0,6 млн. элементов, и, наконец, с учетом объема внешних электрических соединений блоков, равного объему самих блоков, — 280 тыс. элементов в 1 дм³. В целом твердые схемы позволяют значительно уменьшить габариты и вес радиоаппаратуры по сравнению с пленочными микроминиатюрными конструкциями.

Не следует, однако, считать, что пределы микроминиатюризации аппаратуры на основе твердых схем безграничны. Как известно, существенные ограничения накладывают условия рассеяния тепла и многие другие факторы.

Температура сферического блока радиусом R, выполненного из одинаковых элементов, имеющих объем d³ и развивающих мощность Р, вт, каждый, определяется уравнением

где  — температура в точках внутри сферы, имеющих радиус r;

₀ — температура на поверхности сферы радиуса R;

 — коэффициент теплопроводности.

Для твердых схем, состоящих из слоев полупроводника, заключенных между керамическими прокладками с печатным монтажом, коэффициент теплопроводности определяется как некоторая средняя величина между коэффициентами теплопроводности воздуха (0,025 вт/м на 1° С), полупроводника (148 вт/м на 1° С для кремния и 58 вт/м на 1° С для олова). С достаточной степенью точности можно считать, что коэффициент теплопроводности такой схемы имеет величину порядка 1 вт/м на 1° С.

Для устройства c d = 510^-4 м и рабочими температурами ₀ = 50° С и _макс = 175° С получается величина R = 310^-3 м, что соответствует шести слоям или приблизительно 200 элементам при мощности каждого элемента 0,01 вт. Существует несколько методов повышения допустимой предельной температуры: использование полупроводников с широкой запретной зоной (мышьяковистый галлий, фосфористый натрий и т. п.); проектирование устройств с большим отношением площади поверхности к объему для повышения эффективности охлаждения и др. С целью повышения теплопроводности выгодно ограничивать размеры твердой схемы некоторым оптимальным числом каскадов (порядка 100).

Рассеяние тепла ограничивает реальную плотность монтажа твердых схем, и указанная выше высокая плотность монтажа, достигающая 36 10⁵ элементов на 1 дм³, не может быть осуществлена, если не принять специальных мер для охлаждения. Для сферической конфигурации отношение объема к площади поверхности возрастает по линейному закону с увеличением диаметра, поэтому чем больше размеры твердой схемы, тем ниже должна быть плотность монтажа.

Твердую схему легче всего применить в устройстве, состоящем из ряда каскадов тождественной конструкции, работающих по простому принципу. Это относится в первую очередь к электронным вычислительным машинам и радиоаппаратуре автоматического регулирования. С другой стороны, преимущество твердых схем с точки зрения уменьшения веса и объема аппаратуры определяет целесообразность их применения в тех случаях, когда сокращение веса и объема имеет решающее значение, в частности в подвижных установках.

В заключение следует отметить, что технология изготовления твердых схем имеет очень много особенностей; научно обоснованные технологические процессы пока отсутствуют, за исключением отдельных данных, и эта область техники требует самостоятельного изучения и описания.