книги / Микроэлектроника толстых пленок

Р А З Д Е Л Е Н И Е НА БЛОКИ

211

Маркерный генератор собран на триггерах M1F, M2F, M3F и M4F, которые используются для деления входного сигнала частотой 2,4 кГц и получения маркер­ ных сигналов частотой 300 и 150 Гц. Уровень этих сиг­ налов смещается в цепях CR1, СЗ, R6 и CR2, С4, R7, так чтобы колебания проходили между нулем и 5 В. Сигнал частотой 300 Гц служит для обозначения ИК-коммута- тора, а сигнал частотой 150 Гц — для коммутатора све-

+5В

Фиг. 7.15. Схема сдвига уровня для маркерных сигналов.

Все резисторы с номиналом ±1%.

товых сигналов. Маркерные сигналы позволяют отли­ чать ИК-сигналы от световых на воспроизводящем устройстве системы записи без изменения канала запи­ си. Кроме того, в каждый сеанс по каналу 3 каждого коммутатора подается и записывается временной код космической связи для получения корреляции между из­ мерениями радиометра и положением космического ко­ рабля на орбите. Генератор маркерных сигналов и свя­ занные с ним блоки показаны на фиг. 7.14 [1].

В дискретном варианте сдвиг уровня достигается пу­ тем использования емкости, диода и сопротивления. Но в гибридном варианте применение большой емкости создает серьезную проблему. Поэтому необходимо пере­ строить блок, как показано на фиг. 7.15 [1].

212

ГЛ А ВА 7

Четыре триггера в маркерном генераторе построены на четырех интегральных чипах, которые корпусируются вместе с блоком сдвига уровня в одном плоском корпу­ се размером 25X25 мм. Двойной 16-канальиый комму­ татор, показанный на фиг. 7.4, собирается на печатной плате и помещается в корпус размером 110X150X15 мм весом 175 г. При использовании гибридной технологии площадь этой платы может быть уменьшена до 44 см2, а вес снижен до 50 г. На плате находятся следующие корпуса:

Число	Корпус	Р “ “ ер'
1	Адресный регистр и деш ифратор...................................	25	X 25
5	Предусилитель на М О П -стр ук тур ах ..........................	10 X		10
2	Матрица переключателей на полевых транзисторах	25 X 25
2	Выходной каскад....................................................................	12	X	12
1	Цепь ограничителя................................................................	12 X		12
1	Усилитель мощности ...........................................................	1 2 X 1 2
1	К ал и бр атор .............................................................................	12	X	12
1	Маркерный ге н е р а т о р ........................................................	25	X 25

Дальнейшее уменьшение веса достигается за счет существенного уменьшения основания для плат и корпу­ са, которые делаются из сплава на алюминиевой основе. Другое важное обстоятельство — стоимость. Пленочные резисторы, используемые в рассматриваемом устройстве, достаточно дороги (50 центов при 1 % и 2,5 долл, при 0,5% отклонения от номинала). Кроме стоимости постав­ ки, следует учитывать и затрату времени на поставку (от 11 до 12 недель). Полупроводники заказываются и корпусируются отдельно, в результате чего стоимость интегрального чипа превышает 50 долл. Каждый дискрет­ ный транзистор или диод стоит несколько долларов. При использовании гибридной технологии стоимость чи­ па должна быть много меньше, поскольку не нужны ди­ скретные резисторы и объем поставок значительно со­ кращается,

Р А ЗД Е Л Е Н И Е НА БЛОКИ	213
7.3. Надежность гибридных	схем

Неоспоримым стал факт, что толстопленочиые гибрид­ ные схемы намного надежнее других микроэлектронных схем. Соответствующие доказательства были приведены при рассмотрении процессов пайки, соединения чипов и внешних соединений.

Компанией космических и тактических систем (Space and Factical Systems Corporation) было проведено ис­ следование паяных соединений орбитальных космических систем за ряд лет. Были исследованы соединения, про­ работавшие в общей сложности свыше 11 млн. модулечасов работы в более чем 30 различных космических аппаратах с 1965 г. Эти приборы включают системы па­ мяти, вычислительные машины, шифраторы и исполни­ тельные устройства. Они находились на таких космиче­ ских станциях, как спутник связи, орбитальная геофи­ зическая обсерватория, спутники военно-морских и военно-воздушных сил. Схемы из этого уникального собрания гибридных модулей малой мощности требо­ вали высокоточных сопротивлений и емкостей, поэтому их нельзя было изготовить в виде монолитных схем.

Использование гибридных схем диктовалось требо­ ванием малых размеров, малого веса и высокой надеж­ ности. Превосходная надежность гибридных блоков свя­ зана с тем, что на одной подложке содержатся все не­ обходимые сопротивления и проводники, хорошо соеди­ ненные друг с другом. Это сводит к минимуму вероят­ ность нарушений в блоке и отказов в паяных соедине­ ниях — наименее надежных элементах системы. Отпа­ дает необходимость в обозначении номиналов компонен­ тов, их контроле и дополнительном вмешательстве человека. Кроме того, приблизительно на 45% умень­ шается число необходимых паяных и сварных соедине­ ний.

Сопоставление числа паяных и сварных соединений в дискретных и гибридных системах дано в табл. 7.1 [6]. Гибридные модули, проработавшие в общей сложности

свыше	4	млн. ч		на орбите	без	отказов,	приведены в
табл.	7.2,		а	результаты	наземных		испытаний — в
табл.	7.3	[6].	Суммарное время			работы	в космосе без

Т аблица 7.1

Процент уменьшения соединений при использовании пленочных пассивных элементов

				Пленочный компонент		Дискретные	Общее число
							необходимых	Уменьшение в	Уменьшение
						1ГП\1ПЛ и о п^гт^т	соединений при
Функция схемы						iVUiilllUtlLll 1 OK		соединениях при	паяных и
				сопротив­	емкость	(диоды, транзи­	использовании	пленочном	сварных
						сторы и др.)	дискретных	варианте	соединений
				ление			компонентов
Т р и ггер ...............................				9	8	16	70	34	48,5
К л ю ч	...................................			6	2	12	42	16	38,0
Преобразователь двоич­
ного	кода	в	четве­	4	4		60	16
ричный ..........................						20			26,7
Преобразователь двоич­
ного	кода	в восьме­		8		32	88	16	18,2
ричный ..........................
Преобразователь			циф­	25	—	8	74	50	67,5
ра — ..................а н а л о г
Входной буфер			. . . .	16	—	12	62	32	51,6
Триггер Шмитта . . . .				15	2	7	54	34	63,0
Сдвоенный		усилитель		22	2	16	86	28	55,7
считы ..................вания
•Формирователь			блока	10	4	12	58	28
оперативной			памяти						48,2
				Сред*[ий проце]ят уменьшения			<соединений 46,3

Таблица 7.2

Характеристики гибридных систем, используемых в космической аппаратуре

Вычислительная машина автокорре­

ляции ........................................................

Эксперименты с авроральными ча-

стицами...................................................

Маломощное запоминающее устрой­

ство на магнитных сердечниках

Запоминающее устройство . . . .

Программируемый преобразователь

мощности № 1 ..................................

Программируемый преобразователь

мощности № 2 ..................................

10-канальный проц ессор .....................

Программируемый преобразователь

мощности № 3 ..................................

Накапливающий регистр для чисел

с плавающей за п я т о й .....................

Общее число модуле-часов на ор­

бите до 30 июня 1968 г....................

Спутник

IMP-F

OGO-D

NRL

USG

IMP-E

IMP-F OGO-E

OGO-E

OGO-E

Дата	Число	Число часов	Общее число
запуска	модулей	на орбите	модуле-часов

24/V—1967 г.	172	9 552	1 642 944
28/VII— 1967 г.	100 ‘	8 040	804 000
18/XI— 1965 г.	22	22 872	503 184
—	22	10 824	238 128
19/VII— 1967 г.	30	8 180	254 400
24/V—1967 г.	30	9 552	286 560
14/Ш— 1968 г.	223	I 800	401 400
14/Ш—1968 г.	30	1 800	54 000
14/Ш— 1968 г.	50	1 800	90 000
			4 274 616

Таблица 7.3

Характеристика гибридных систем по результатам наземных испытаний

Число Число модулей проверочных Модуле-члсы

часов

ВМ	автокорреляции		S/N1 . .		172
ВМ	автокорреляции		S/N2 . .		172
ВМ	автокорреляции		S/N3 . .		172
Эксперименты	с	аврораль-
нымн частицами......................					100
Маломощное ЗУ на магнит-
ных сердечниках		S/NI . . .			22
Аналоговая	цифровая			(им-
пульсная)	система		S/N1 . .		294
Аналоговая	цифровая			(им­
пульсная)	система		S/N2 . .		294
Проверка	и оценка		модулей		105
Одноканальная	система			S/N2	48
Одноканальная	система			S/N3	48
10-канальный процессор . . .					232
Источники питания для шаго­
вых двигателей ......................					50
З У					22
Программируемый преобразо­
ватель	мощности		для	ана­
лизатора	напряжений			S/N1	30
Программируемый			преобра­
зователь	мощности			для
анализатора	напряжений
S / N 2 ...........................................					30
Программируемый преобразо­
ватель	мощности		для	ана­
лизатора	напряжений			S/N3	30
Программируемый			преобра­
зователь	мощности			для
анализатора	напряжений
S .........................................../ N 4					30

1 000		172 000
	750	129 000
	750	129 000
1300		130 000
	750	16500
2 150		632 000
1 750		515 000
.1	100	116 000
	600	29000
	600	29 000
1250		280 000
10 150		507 500
	750	165000
4 950		148000
4 850		145 500
4 850		145 500
4 850		145500

			Р А З Д Е Л Е Н И Е	ИА БЛОКИ		217
					Продолжение табл. 7.3
				Число	Число	Модуле-часы
					проверочных
			модулей		часов
Программируемый преобразо­
ватель		мощности для	ана­	30	4850
лизатора			S/N5			145500
ЗУ	S / N	1		90	550	50 000
ЗУ	S / N	2 ......................................		90	550	50 000
ЗУ	S / N 3 ......................................			90	550	50 000
ЗУ	S / N 4 ......................................			90	550	50000
Шифратор ..........................				135	650	88000
Шифратор ..........................				135	550	74000
Шифратор ..........................				135	350	47 500
Общее		число проверочных				3841500
модуле-часов до июня 1968 г.

отказов (в часах) составляло для соединений 258-10"6, для сопротивлений 42-106, для конденсаторов 17* Ю6.

Другим направлением применения толстопленочных гибридных схем, которое позволяет воспользоваться опубликованными данными для оценки их надежности, служит использование полупроводниковой технологии в системах вычислительных машин ИБМ-360 (эта техно­ логия подробно рассматривается в следующей главе). Для обеспечения высокой надежности своих систем фир­ ма ИБМ собрала обширные данные по надежности. Пер­ воначально опубликованные данные, включающие ре­ зультаты с начала эксплуатации систем, приводили к частоте отказов 0,003% на 1000 ч. В последующие годы по мере улучшения технологии эта частота снизилась до 0,001% на 1000 ч. Программа фирмы по анализу от­ казов теперь охватывает свыше 50 млн. модуле-часов на­ дежностных данных для 30-нс твердотельных логических схем. Результаты анализа этих данных показывают, что толстопленочная технология обеспечивает получение наи­ более надежных и стабильных резисторов. Более 90

218

ГЛАВА 7

биллионов ч работы резисторов не сопровождалось ни единым отказом. Это приводит к частоте отказов менее 0,000003% на 100 ч при 90%-ном доверительном интер­ вале. Отказы можно сгруппировать в следующую схему:

	Процент
Соединение вы водов .........................................................................	68
Механическое повреждение проводников...............................	16
Поверхностные д еф ек т ы .......................................................................	7
Прочие деф ек ты .......................................................................................	9

Как видно, наибольшее число отказов падает на со­ единение выводов. Тем не менее фиг. 7.16 показывает,

Фиг . 7.16. Характеристики отказов модулей полупроводниковых логических элементов.

/ —отказы из-за соединения шариком; 2 —отказы по другим причинам.

что даже этот тип отказов непрерывно уменьшается вследствие улучшения технологии. В дальнейшем в свя­ зи с усовершенствованием технологии следует ожидать еще большего повышения надежности.

ЛИ ТЕ Р А Т У Р А

1.GARGIONE F., FENSTER Н., System Partitioning For Hybrid Circuits, 1969 Hybrid Microelectronics Symposium.

2.MAHES J. P., BURKS D. P., SEELEY W. G., GELLER H., The Reliability of Screened Metal Film Resistors, Proc. Components Conf., 1968.

Р А ЗД Е Л Е Н И Е НА БЛОКИ

219

3. COLE Е. М., GROVES И. Т., Effects of Bonding Techniques on the Reliability of Hybrid Microcircuits, NEPCON, 1969.

4.McCORMICK J. E., Multilayer Reliability, NEPCON, 1967.

5.BROWNING G. V., Survey of Failure Mechanisms for Hybrid Mic­ rocircuits, NEPCON, 1969.

6.FRESSORA J. R., Packaging of Space Systems Utilizing Hybrid Microelectronic Techniques, 1967 Hybrid Microelectronics Sympo­ sium.

7.STRAUB R. J., Reliability of Hybrid Microcircuits In Use Today, Proc. Electronic Component Conf., 1970.

8.	PLATZ E. F., Solid Logic Technology	Computer Circuits — Billion
	Hour Reliability Data, IBM Tech. Rep.
9.	PLATZ E. F., Reliability of Hybrid	Microelectronics, IBM Tech.
	Rep.

8. Негерметичные

схемы

на толстых пленках и их применение

Технология толстых пленок находит особенно широ­ кое применение в случае, когда подложка играет роль платы, на которой монтируются активные элементы, емкости и индуктивности. Резисторы непосредственно наносятся на такую миниатюрную печатную плату. С другой стороны, за последние несколько лет были достигнуты значительные успехи и в отношении исполь­ зования бескорпусных активных элементов и емкостей.

В настоящей главе рассматриваются разнообразные применения этих двух направлений.

8.1. Толстопленочные подложки в качестве печатных плат

Толстопленочные подложки в качестве печатных плат широко применяются на военных и промышленных пред­ приятиях. Толстопленочная подложка обеспечивает не­ обходимые межсоединения как для активных элемен­ тов, так и для нанесенных на нее резисторов. К ним при­ соединяются элементы, защищенные эпоксидной смолой и герметическими корпусами. Выводы присоединяемых элементов можно ввести в предусмотренные для этого отверстия в подложке и припаять к ней «волной припоя».

Простейшее применение толстопленочных подло­ ж ек— их непосредственное использование вместо печат­ ных плат. На фиг. 8.1 показана металлизированная с обе­