книги / Микроэлектроника толстых пленок

УДК 639.2

За последние годы в микроэлектронике стала широ­ ко использоваться толстопленочная технология, которая имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с господствующей тонкопленочной технологией. Большое преимущество микроэлектронных схем на толстых плен­ ках — их технологичность.

В книге нашли отражение технологические и схемо­ технические проблемы той области микроэлектроники, которая основывается на применении толстых пленок. Рассмотрены вопросы надежности различных элементов в микросхемах.

Книга принесет большую пользу огромной армии специалистов в области электроники, вычислительной техники и приборостроения. Она будет полезна также студентам и преподавателям электро- и радиотехниче­ ских вузов.

Редакция литературы по новой технике

8314-167

041(01)-73

Предисловие

редактора

русского

издания

Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена конструированию, производству и применению толстопле­ ночных гибридных интегральных схем (ГИС). В настоя­ щее время в микроэлектронике используются три типа микросхем: монолитные полупроводниковые интеграль­ ные схемы, гибридные схемы на тонких и толстых плен­ ках. Особенностью монолитных интегральных схем яв­ ляется то, что вся такая схема формируется в одном мо­ нокристалле полупроводника (обычно кремния). При производстве ГИС основой для формирования схемы служит подложка из пассивного материала, на которую наносится тем или иным методом требуемый рисунок схемы. Тонкие пленки получают обычно напылением че­ рез маску, а толстые — путем нанесения через трафарет и вжигания соответствующих паст на керамические подложки. Таким путем формируются лишь пассивные элементы схемы — резисторы, конденсаторы, межсоеди­ нения, контактные^ площадки. Активные элементы — диоды, транзисторы" и отдельные функциональные блоки в виде некорпусированных интегральных схем (чипов) соединяются с подложкой посредством того или иного технологического приема. Таким образом, если моно­ литная интегральная схема после присоединения к ней выводов и корпусирования представляет собой готовое функциональное устройство, то тонко- и толстопленочная технологии обеспечивают пассивную часть ИС, Сравнивая

6 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ

тонкие и толстые пленки по технологии производства, надо отметить, что для первых характерно более высо­ кое качество (высокая чистота состава и прецизион­ ность линий), тогда как преимущество толстых пленок состоит в их дешевизне.

Недостатки толстопленочной технологии, по-видимо­ му, сыграли отрицательную роль на определенном эта­ пе развития микроэлектроники. Однако в дальнейшем выявились и некоторые недостатки производства моно­ литных интегральных схем, которые заставили заняться совершенствованием технологии и расширением произ­ водства ГИС на толстых пленках. Сюда прежде всего относится высокая стоимость оборудования для произ­ водства монолитных интегральных схем по сравнению со стоимостью оборудования для производства толсто­ пленочных ГИС, а также невозможность создания по полупроводниковой технологии прецизионных пассивных элементов — резисторов и конденсаторов. Поэтому при производстве мелкосерийной продукции и схем с повы­ шенной точностью пассивных элементов предпочтение отдается гибридной технологии тонких и толстых пле­ нок. Эта технология в свою очередь может использовать отдельные функциональные блоки в виде чипов интег­ ральных схем в монолитном исполнении, универсаль­ ность которых позволяет выпускать их большими пар­ тиями. Другое направление, где толстопленочная техно­ логия может успешно конкурировать, — производство мощных схем, работа которых сопровождается большим рассеянием энергии. Полезно также отметить, что тол­ стопленочная технология находит применение в произ­ водстве больших интегральных схем для создания мно­ гослойной разводки, а также в конструкциях некоторых типов корпусов для формирования выводов. Относитель­ но большая толщина толстых пленок позволяет избежать вредных наводок и больших паразитных емкостей, чего нельзя добиться с помощью тонкопленочной технологии. Эти, а также другие возможности технологии толстых пленок, детально описанные в книге, привели <в послед­ нее время к повышенному интересу к толстопленочным схемам и росту их производства как в нашей стране, так и за рубежом.

Производство толстопленочных элементов ГИС пред­ ставляет собой лишь одну из задач, стоящих перед тех­ нологами. Учитывая, что стоимость платы с нанесенным на нее рисунком пассивных элементов схемы, межсоеди­ нений и контактных площадок составляет лишь неболь­ шую часть стоимости всей корпусироваиной гибридной схемы, при проектировании и производстве ГИС боль­ шое значение уделяется разбивке схемы (особенно высокой степени интеграции) на отдельные функциональ­ ные блоки. При этом часть блоков в виде иекорпуснрованных чипов может закупаться для включения в схему, другая же часть может изготовляться путем присоедине­ ния к толстопленочной плате одиночных активных элементов.

Большое внимание в гибридной технологии уделяет­ ся выбору удачного корпуса. Использование функцио­ нально-узлового метода проектирования систем позво­ ляет разбить всю систему на отдельные функциональные узлы. Если они выполнены по гибридной технологии, то сборка таких корпусированных или капсулированных ГИС ставит проблему корпусирования на втором уров­ не. Очевидно, высокой плотности упаковки в этом слу­ чае можно добиться лишь при известной унификации корпусов готовых ГИС. С другой стороны, нельзя реко­ мендовать единые корпуса для всех видов ГИС. Так, если собирается мощная схема, то обычно слаботочную часть, чувствительную к изменению температуры, соби­ рают на одной плате, а мощные элементы схемы, для ко­ торых должен быть обеспечен повышенный теплоот­ вод, — на другой. Исходя из этого и требования к кор­ пусам этих частей должны быть различными.

При решении конструкторских и технологических во­ просов, связанных с производством и эксплуатацией толстоплеиочных ГИС, большое значение имеет опыт, накопленный в этой области. К сожалению, до сих пор не было книги, в которой был бы изложен этот опыт. Необходимая информация была до последнего времени рассеяна в большом количестве статей и книг, относя­ щихся к другим смежным проблемам микроэлектроники, в. которых толстопленочным ГИС, естественно, не уделя­ лось должного внимания. В данной книге впервые в

в проектировании, изготовлении и, частично, эксплуата­ ции толстоплеиочных схем.

В настоящей книге охвачен довольно широкий круг вопросов, начиная от общих принципов проектирования толстопленочных ГИС и кончая многочисленными кон­ кретными приложениями. В первой главе проводится сравнение трех основных технологий производства мик­

особенности этих трех технологий, необходимое оборудо­ вание, затраты времени на проектирование схемы и ее производство и ряд других факторов. Несмотря на не­ которую фрагментарность подхода, автору удалось до­ вольно выпукло очертить преимущества и недостатки гибридной технологии производства толстопленочных микросхем. Проектирование и технология производства

описаны во второй и третьей главах; оборудование, ме­ тоды трафаретной печати и вжигания пленок — в чет­ вертой главе. В пятой и шестой главах рассмотрены тех­ ника сборки гибридной схемы и корпусирование готовой микросхемы. Седьмая глава посвящена важному вопро­ су — разделению системы на узлы, каждый из которых имеет вполне определенное функциональное назначение. На примере двойного 16-канального коммутатора, ис­ пользуемого для передачи на Землю информации о теп­ ловом и световом излучении в космическом пространстве, детально рассмотрены проблема перехода от дискретной схемы к гибридной, разделение системы на блоки, их изготовление, корпусирование и сборка всей системы. Здесь же обсуждаются проблемы надежности на основе данных о работе соответствующих систем в различных ЭЦВМ и бортовой аппаратуре. В последних двух главах приведены примеры использования толстопленочных под­ ложек в качестве печатных плат, а также примеры ис­ пользования гибридных схем в ряде систем.

Особенностью книги является наличие богатого ил­ люстративного материала: фотографии оборудования, ис­ пользуемого при проектировании и производстве микро­

и в готовом корпусированном виде; многочисленные таб­ лицы, схемы, чертежи различных узлов и деталей с ука­ занием номиналов, что избавило автора от необходимо­ сти анализа этого материала. Все это позволило приве­ сти в книге сравнительно небольшого объема обширную информацию по толстопленочной микроэлектронике.

К недостаткам книги надо отнести почти полное от­ сутствие описания физических процессов, которые могут влиять на эксплуатационные характеристики различных элементов толстопленочных ГИС и тем самым на их на­ дежность. Очень кратко освещен вопрос теплового рас­ чета рассматриваемых микросхем, несмотря на то что мощные схемы — одно из направлений, где толстопленоч­ ная технология обладает неоспоримым преимуществом. Читателю, желающему более подробно ознакомиться с этим вопросом, можно рекомендовать сборник «Инте­ гральные схемы» под ред. А. А. Колосова, изд-во «Сов. радио», М., 1968.

Несмотря на отмеченные недостатки, можно надеять­ ся, что книга будет с интересом прочитана студентами, инженерами и аспирантами, специализирующимися по микроэлектронике.

Обычная трудность, с которой приходится сталкивать­ ся при переводе литературы в области микроэлектрони­ ки, — это отсутствие устоявшейся терминологии. Отчасти это объясняется тем, что этими вопросами интересуются специалисты самых различных профилей — схемотех­ ники, технологи, химики и др., сами, как правило, не получившие специального «микроэлектронного» обра­ зования, вследствие того что это направление в элек­ тронной промышленности еще молодое. В настоящее время проводится упорядочение терминологии, однако, по-видимому, и в ближайшем будущем появление новой терминологии и уточнение старой будет неизбежным. При переводе и редактировании книги за основу была принята терминология, рекомендуемая в учебном посо­ бии Н. А. Барканова и др. «Основы микроэлектроники и технологии производства микросхем», ч. 1, под ред. И. Е. Ефимова, М., МИЭТ, 1971, а также используемая в сборнике «Интегральные схемы».

10ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ

Всоответствии с этим полупроводниковая интеграль­ ная схема, выполненная в одной пластине, называется

полупроводниковой монолитной схемой. Для краткости в тексте она называется монолитной схемой, а соответ­ ствующая технология — полупроводниковой. Вместо терминов «шелкография», «сеткография», «офсетная пе­ чать» и «трафаретная печать» везде используется еди­ ный термин — «трафаретная печать» (исключение состав­ ляет термин «шелкография», если он относится к поли­ графической промышленности). К настоящему времени получил признание термин «чип» — иекорпусироваиная монолитная интегральная схема, предназначенная для включения в качестве составной части в ГИС. В некото­ рых случаях чипом называют одиночные некорпусированные диоды и транзисторы. Поэтому наряду с тер­ мином «чип» в целях конкретизации применяется термин «ИС-чип» или «чип ИС».

Считаю своим приятным долгом выразить призна­ тельность канд. техн. наук В. С. Сергееву и канд. техн. наук Н. А. Барканову за помощь, оказанную при редак­

В.Д. Вернером и гл. 6, 8, 9 — Л. А. Музеус.

Т.Д. Шермергор