книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные функциональные устройства

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гибридные интегральные микросхемы, микросборкн, гибридные интегральные функциональные устройства и узлы — все эти микроэлектронные изделия в виде сбороч­ ных единиц входят в состав микроэлектронной аппаратуры (МЭА). Их изготавливают с использованием гибридной тон­ коили толстопленочной технологии (см. книгу 4). При их проектировании стремятся достичь высоких показателей микроминиатюризации МЭА (см. книгу 8). В чем же раз­ личие между ними? ГИС проектируют и выпускают серийно либо как микросхемы общего применения, а также как схе­ мы частного применения, необходимые для производства конкретного вида МЭА. Микросборки создаются только как изделия частного применения. Существует такое определе­ ние: микросборка — это микроэлектронное изделие, кото­ рое выполняет определенную функцию преобразования сиг­ нала, состоит из интегральных микросхем (в корпусах или бескорпусных) и других электрорадиоэлементов, находя­ щихся в различных сочетаниях, разрабатывается и изготав­ ливается производителями радиоэлектронной аппаратуры для улучшения показателей ее миниатюризации.

Термин «гибридные интегральные функциональные уст­ ройства» (ГИФУ) появился в конце 70-х годов для обозна­ чения функционально и конструктивно сложных микро­ электронных изделий, с особо высокими показателями мик­ роминиатюризации. ГИФУ могут содержать не только бескорпусные и корпусированные ИМС и различные электро­ радиоэлементы, собранные на одной коммутационной плате, но и несколько коммутационных плат, конструктивно и электрически связанных между собой. Они, так же как и микросборки, не могут быть использованы для самостоя­ тельного применения вне той аппаратуры, для которой соз­ даны. Этим они функционально и конструктивно отличают­ ся от радиоэлектронных ячеек.

Для обозначения микросборок и ГИФУ в настоящее время предложен единый термин (см. ГОСТ 26632—85)

«радиоэлектронный функциональный узел» (РЭФУ). РЭФУ — это радиоэлектронное устройство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующее функ­ цию преобразования сигнала и не имеющее самостоятельно­ го эксплуатационного применения.

В данном учебном пособии рассмотрены различные типы ГИФУ, особое внимание уделено операциям сборки этих ^сложных изделий.

Л. А. Коледов

ВВЕДЕНИЕ

В устройствах МЭА плотность упаковки элементов, до­ стигнутая в кристаллах ИМС, из-за низкой плотности про­ водников печатных плат, необходимости применения уст­ ройств теплоотвода и других габаритных конструкционных элементов снижается. Одним из принципиально новых кон­ структивно-технологических направлений совершенствова­ ния техники монтажа МЭА в части увеличения плотности упаковки элементов и компонентов, снижения материало­ емкости (а следовательно, снижения габаритов и массы), роста надежности ячеек и блоков, систем и комплексов МЭА является создание гибридных интегральных функциональ­ ных устройств (ГИФУ). Это направление характеризуется применением базовых процессов тонко- и толстопленочной технологии для создания многоуровневых коммутационных плат ГИФУ с высокой плотностью проводников (вместо пе­ чатных плат), причем такие платы одновременно могут слу­ жить высокоэффективным средством теплоотвода. Кроме того, для ГИФУ характерна высокая плотность размещения на коммутационной плате ИМС и радиокомпонентов (чаще всего бескорпусных).

ГИФУ представляют собой изделия микроэлектроники, состоящие из элементов, компонентов и (или) ИМС, а также микросборок. Несмотря на то что ГИФУ выполняет частную целевую функцию и автономно не эксплуатируется, они чаще всего являются функционально и конструктивно закончен­ ным изделием МЭА. К отличительным особенностям ГИФУ необходимо отнести также высокую интеграцию (обычно они содержат свыше 100 000 элементов и компонентов); многоуровневую коммутацию с высокой разрешающей спо­ собностью рисунка для электрической связи отдельных элементов, компонентов, ИМС и микросборок, установлен­ ных на коммутационную плату; достаточно большие размеры коммутационных плат, изготавливаемых преимущественно методами тонкопленочной или толстопленочной технологии (порядка 100 X 100 мм); при этом конфигурация платы мо­

жет быть достаточно сложной; плата имеет крепежные от­ верстия, необходимые формы для компоновки ГИФУ друг

сдругом и т. п.

Всвязи с высокой плотностью монтажа навесных эле­ ментов, компонентов, ИМС и микросборок на коммута­ ционной плате нецелесообразно использование специальных устройств для обеспечения жесткости конструкции и тепло­

отвода; для этого чаще всего применяют саму плату и не­ обходимые устройства для герметизации.

ИМС, устанавливаемые в ГИФУ, относятся к классу бескорпусных (напомним, что бескорпусные ИМС гермети­ зируются в составе микросборки, ячейки или блока МЭА после завершения регулировочно-монтажных операций). Применение бескорпусных ИМС обеспечивает максимальные плотность монтажа и надежность ГИФУ.

Несмотря на то что в состав ГИФУ могут входить отдель­ ные микросборки и гибридные ИМС, развитие данного на­ правления позволяет исключить при изготовлении сложных изделий микроэлектроники данный структурный (иерархи­ ческий) конструктивно-технологический уровень. Необхо­ димость использования микросборок остается в случае про­ ектирования МЭА СВЧ-диапазона. При этом ГИФУ вы­ полняют функции первого или даже второго структурного уровня конструктивной иерархии МЭА (ячейка, субблок или блок); при дальнейшем монтаже ГИФУ компонуются в мо­ ноблоки, подсистемы и системы, являющиеся составной ча­ стью любого радиоэлектронного комплекса и представляю­ щие собой автономно эксплуатируемые изделия МЭА.

Таким образом, при использовании ГИФУ значительно сокращается материалоемкость МЭА (особенно важна эко­ номия таких драгоценных и дефицитных материалов, как золото, серебро, вольфрам, ковар и др.). Учитывая то, что конструкции ГИФУ более приспособлены для поточного производства изделий широкой номенклатуры, понятна пер­ спективность их дальнейшего развития. Именно проектиро­ вание и изготовление ГИФУ являются определяющими на данный момент в создании МЭА различного назначения.

Основными требованиями к конструкциям современных ГИФУ является обеспечение: 1) нормальной работы уст­ ройств при действии дестабилизирующих факторов окру­ жающей среды (температура, механические воздействия, электрические и магнитные поля, влажность, перепад дав­ ления и т. п.); 2) минимальной материалоемкости; 3) мини­ мизации массогабаритных показателей; 4) нормальной ра­ боты устройств с необходимой надежностью; 5) условий для

довательном виде, то это также позволяет уменьшить число выводов (ценой снижения быстродействия). Кроме того, каждая группа логических схем может представлять собой законченный функциональный блок машины — в этом слу­ чае также достаточно меньшее число выводов.

В тех случаях, когда время задержки сигнала важно, соединительный провод, по которому он распространяется, следует рассматривать не как простой проводник, а как линию передачи; при этом сигнал представляют в виде

Необходимо учитывать и исключать по мере возможно­ сти (особенно для ГИФУ СВЧ-диапазона) перекрестные па­ разитные связи между линиями, характеризуемыми их взаимными индуктивностью и емкостью. Кроме того, для такого класса аппаратуры следует учитывать потери на излучение.

При проектировании линий электрических соединений ГИФУ СВЧ-диапазона нужно учитывать еще два обстоятель­ ства: 1) линии связи следует рассматривать не как простые проводники, а как линии передачи; при этом сигнал рас­ сматривается как волна, распространяющаяся по линии передачи; напряжение в каждой ее точке зависит как от расстояния до источника сигнала, так и от времени с мо­ мента подачи сигнала. В этом случае при проектировании соответствующих конструкций коммутационных плат не­ обходимо предусмотреть распределительные экранирующие проводящие плоскости или слои с опорными напряжениями. Сигнальные линии коммутационных плат МЭА СВЧ-диа­ пазона преобразуются в симметричные или несимметричные

пу «непрерывной» схемы приводит к планарности конструк­ ции блока: из-за особенностей стыковки микрополосковых линий микросборки (рис. В. 2) могут располагаться в два слоя.

Межсоединения между СВЧ-микросборками выполняют с помощью микрополосковых перемычек (в виде балок или проволок). Необходимы последовательная стыковка с вы­ сокой точностью большого числа микросборок друг с другом на общем поддоне, а также хорошее электрическое соедине­ ние экранирующих слоев микросборок и поддона.

В последнее время при конструировании микроэлект­ ронных устройств СВЧ все большее применение находят гибкие платы из полимерных диэлектрических материалов (полиофелины, сополимеры структурированного стирола, полисульфон и др.). Основные преимущества таких плат — способность легко принимать любую форму, хорошие диэ­ лектрические свойства на высоких и сверхвысоких часто­ тах, небольшие масса и габариты — позволяют эффективно использовать их вместо жестких плат. Развитие такой тех­ нологии монтажа может способствовать переходу от планар­ ных конструкций СВЧ ГИФУ к объемно-интегральным, от отдельных микросборок к единым системам соединитель­ ных линий передачи электромагнитной энергии, что харак­ терно для ГИФУ цифроаналоговой аппаратуры.