5. Микроминиатюризация в аэрокосмическом приборостроении

Микроминиатюризация позволяет значительно улучшить показатели качества изделий. Для электронных узлов такими показателями являются масса, объем, энергопотребление, быстродействие, чувствительность, точность, надежность, вибропрочность, безопасность, себестоимость и др.

Развитие микроэлектроники привело к комплексной интеграции электронных узлов, которая состоит из:

- структурной или схемной интеграции (то есть интеграция схемных функций в пределах одной структурной единицы);

- широкого использования групповых методов обработки (то есть интеграция значительного числа технологических операций в рабочем объеме одной единицы технологического оборудования);

- интеграция методов автоматизированного проектирования интегральных схем и оснастки для их изготовления (фотошаблоны, трафареты и др.).

В настоящее время активно развиваются два основных направления:

- полупроводниковая технология, то есть создание больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), реализующих в одном полупроводниковом кристалле целые устройства и даже системы;

- гибридно-интегральная технология – сочетание активных полупроводниковых приборов (к_у > 1) с пассивными пленочными элементами (R, C, L) и пленочной коммутацией.

5.1. Гибридно-интегральная технология

В зависимости от толщины используемых пленок и вида технологических процессов гибридно-интегральная технология подразделяется на два вида: тонкопленочную (толщина пленок до 1 мкм) и толстопленочную (толщина пленок ≈ 10 – 50 мкм). Ввиду принципиального различия физических явлений, лежащих в основе технологических процессов нанесения пленок, каждому из двух видов пленок соответствует своя базовая технология.

Пленочная технология открывает новые возможности, которые позволили создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей, которые разрабатываются как устройства частного применения для единичного и мелкосерийного производства, характерного для аэрокосмического приборостроения.

Гибридно-интегральные микросхемы (ГИМС) имеют по сравнению с полупроводниковыми микросхемами ряд преимуществ:

- обеспечивают широкий диапазон номиналов за счет выбора материалов и конфигурации элементов;

- обеспечивает меньшую погрешность изготовления во всем диапазоне номиналов;

- обеспечивает лучшие электрические характеристики пассивных элементов (добротность, температурная и временная стабильность, минимум паразитных связей и др.);

- имеется возможность использования навесных электрорадиоэлементов (ЭРЭ);

- возможность изготовление ГИМС достаточно большой мощности;

- широкое применение в пленочной технологии групповых методов производства.

Главный недостаток – меньшая, чем в полупроводниковой технологии надежность за счет большого количества контактных узлов и сварных соединений.

Гибридная интегральная микросхема (ГИМС) – это микросхема, содержащая, кроме пассивных пленочных элементов, простые и сложные компоненты (например, кристаллы полупроводниковых интегральных микросхем). Такая микросхема выполняется на диэлектрической подложке, а все пленочные элементы связаны между собой пленочными проводниками и изготовлены в виде однослойных и многослойных пленочных структур, а компоненты (транзисторы, кристаллы полупроводниковых интегральных микросхем, навесные ЭРЭ и др.) вмонтированы пайкой или микросваркой на специальные контактные площадки.

Рассмотрим основные элементы ГИМС.

Подложка. Она является диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов, а также служит теплоотводом. К подложке предъявляются требования, вытекающие из необходимости обеспечения заданных электрических параметров схемы и технологии изготовления пассивных элементов.

Подложки пленочных микросхем должны иметь следующие свойства: значительную механическую прочность при небольшой толщине, высокое удельное электрическое сопротивление и малые потери, температурный коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту осаждаемых пленок, химическую инертность к осаждаемым материалам, физическую и химическую стойкость при нагревании до нескольких сот градусов, обладать хорошей полируемостью поверхности, высокой теплопроводностью, не иметь газовыделений в вакууме.

Для маломощных ГИМС бесщелочные боросиликатные стекла и ситаллы (композиционные материалы на основе кремния). Для ГИМС большой мощности применяют бериллиевую керамику, имеющую очень хорошую теплопроводность.

При изготовлении пленочных микросхем большое значение имеет состояние поверхности подложки. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как микронеровности уменьшают толщину и однородность пленок. Подложки для тонких пленок обрабатываются до 14 класса чистоты поверхности. Подложки для толстых пленок обрабатываются до 8 – 10 класса чистоты поверхности.

Пленки микросхемы должны иметь прочную связь с подложкой. Эта связь не должна ухудшаться со временем или под влиянием электрического поля. Адгезия пленки к подложке различна для разных подложек и напыляемых материалов, она определяется окисным слоем, образующимся между пленкой и подложкой. Хорошо сформировавшийся окисный слой обычно обеспечивает отличную химическую связь. Загрязнения на подложке, имеющие толщину всего лишь в несколько атомных слоев, могут воспрепятствовать образованию хорошего окисного слоя и сильно ослабить адгезию.

Для обеспечения высокого качества поверхности подложки применяют различные способы очистки:

- эмульгирование – отделение жировой пленки от подложки с образованием эмульсии (бывает химическим и ультразвуковым);

- растворение в органических растворителях;

- ионная очистка приводит к расщеплению органических молекул загрязнений и образованию летучих соединений;

- вакуумная очистка от молекул влаги.

Для обеспечения хорошей теплопроводности и высоких механических характеристик применяют металлические подложки:

- алюминиевые, покрытые слоем анодного оксида;

- эмалированные стальные.

Габариты подложек стандартизированы. Для изготовления ГИМС стандарт 96 х 120 мм, для получения других размеров стороны делят на части кратные 2 и 3. Допуски на размеры подложек только минусовые в пределах 0,1 – 0,3 мм.

Пленочные элементы ГИМС.

Пленочный резистор конструктивно состоит из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Конструкция пленочных резисторов

Сопротивление пленочных резисторов

ℓ

R = ρ_v------ ,

b∙δ

где ρ_v – удельное объемное сопротивление резистивного материала; ℓ - длина пленочного резистора; b – ширина пленочного резистора; δ – толщина пленки.

Минимальные значения b ограничены возможностями технологии, а максимальные значения ℓ возможностями технологии и габаритными размерами (так, например, не рекомендуется ℓ/ b > 10, так как длинные щели в трафарете снижают его прочность).

В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, а также специальные композиционные материалы, состоящие из частиц металла и диэлектрика – керлиты. Из металлов применяют хром, тантал, из сплавов – нихром. Для высокоомных резисторов применяют конфигурацию сложной формы.

Точность пленочных элементов, полученных с применением групповых технологических процессов, составляет 5 – 10%. Для получения более высокой точности применяют подгоняемые резисторы.

Применяют плавную и ступенчатую подгонку:

- плавная позволяет получить точность до сотых долей процента;

- ступенчатая позволяет получить точность до единиц процента.

Плавную подгонку осуществляют, изменяя удельное поверхностное сопротивление или форму резистивной пленки. Удельное поверхностное сопротивление материала можно изменить путем термического, химического или механического воздействия, но на практике эти методы применяют редко.

Форму резистивной пленки изменяют путем удаления части резистивного материала. Это можно делать ступенчато, если применяются специальные конструкции подгоняемых резисторов или плавно, когда удаляется часть резистивной пленки лазерным, механическим или пескоструйным методами (рис. 5.2).

При ступенчатой и плавной подгонке при конструировании предусматривают меньшее сопротивление резисторов относительно их номинальных значений, так как подгонка увеличивает сопротивление резисторов.

Рис. 5.2. Конструкция подгоняемых пленочных резисторов

Пленочный конденсатор. Конструктивно пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл и состоит из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала.

К пленочным конденсаторам предъявляются следующие конструкторско-технологические требования:

- минимальные габариты;

- стабильность воспроизведения характеристик в процессе производства;

- совместимость ТП изготовления пленочных конденсаторов с ТП изготовления других элементов ГИМС.

Емкость пленочного конденсатора (рис. 5.3):

С = 0,0885ε_гS/d (пФ),

где ε_г – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d - толщина диэлектрика (см); S = B∙L – площадь взаимного перекрытия обкладок (см²).

Пленочный конденсатор большой емкости может иметь сложную конфигурацию. Это позволяет конструктору при разработке топологии электронного узла полностью использовать свободные участки подложки.

Рис. 5.3. Конструкция пленочного конденсатора

Характеристики пленочных конденсаторов во многом определяются свойствами применяемых материалов.

К обкладкам пленочных конденсаторов предъявляются следующие требования:

- высокая проводимость (низкое сопротивление) материала;

- тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) обкладок должен быть близким к ТКЛР подложки и пленки диэлектрика;

- высокая коррозийная стойкость.

Наиболее применяемый материал – алюминий А 99 с подслоем титана или ванадия.

К диэлектрической пленке конденсатора также предъявляются определенные требования:

- высокая диэлектрическая проницаемость;

- высокая электрическая прочность и сопротивление изоляции;

- малый температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;

- хорошая адгезия (сцепление) пленки.

Для изготовления диэлектрической пленки применяют различные окислы: монооксиды кремния и германия SiO и GeO, оксиды алюминия Al₂O₃, тантала Та₂О₅, титана ТiО₂ и других металлов.

При изготовлении пленочных конденсаторов также применяется подгонка. Подгоняемые конденсаторы делаются специальной конструкции, составные, то есть имеющие неизменную часть и участки, емкость которых можно изменить. Подгонка осуществляется за счет секционирования верхних обкладок – перерезание перемычек для уменьшения емкости и припайка перемычек для увеличения емкости (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Конструкция подгоняемых пленочных конденсаторов

Элементы коммутации. Тонкопленочные проводники и контактные площадки для электрического соединения компонентов и элементов ГИМС, а также для присоединения элементов схемы к выводам корпуса.

К материалу элементов коммутации предъявляются следующие требования:

- высокая электропроводность;

- хорошая адгезия к подложке;

- высокая коррозионная стойкость;

- возможность пайки или микросварки;

- совместимость ТП изготовления с ТП других элементов пленочной технологии.

Самым распространенным материалом является золото с подслоем хрома или титана. Подслой обеспечивает хорошую адгезию, а золото высокую проводимость. Толщина проводников 0,5 – 1,0 мкм. Также для проводников и контактных площадок широко используют медь.