Hibrid integrált áramkörök
1
Hibrid integrált áramkörök z z
z z z z
Az elektronika miniatürizálódási folyamata A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük A hibrid integrált áramkörök hordozói Integrált alkatrészek Topológia tervezése Mesterrajzok és fotók készítése 2
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 1 z
Az elektronika behatolását a társadalmi és gazdasági tevékenység szinte minden területére a mikroelektronika fejlődése tette lehetővé.
z
Történelmi áttekintés
3
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 2 z
z
1940 z Növekvő alkatrész darabszám súly, térfogat, melegedési-, megbízhatósági probléma z 2. VH. hadiipara – elektronikai miniatürizálódási folyamat z Kétirányú fejlesztés: alkatrészek technológiájának javítása, méretek csökkentése, szerelési technológia javítása 1950 z Törekvés az elektroncső miniatürizációra z Csökkentését nehezítette: z z z z
Elektródrendszer kicsinyítése Szerelés és disszipációs szempontok Természetes öregedés az elektroncsőben
Fejlesztések ellenére – megbízhatóság tovább csökkent
4
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 3 z
Új lendület – 1948 – tranzisztor feltalálása z z z z
z
Növelte a megbízhatóságot Jelentősen csökkentette a feszültség- és a teljesítményigényt Lehetővé tette a passzív alkatrészek jelentős méretcsökkentését Fokozatosan megváltoztatta az áramköri tervezési szemléletet is
A tranzisztorok, a kisméretű passzív alkatrészek és a nyomtatott huzalozású lemezek alkalmazásával felépített háromdimenziós modulokkal elérték az 1~ 2 alkatrészek /cm3 átlagos alkatrészsűrűséget. – ezzel szemben elektroncsöves készülékek átlagos alkatrészsűrűsége 0,01~ 0,5 alkatrész/ cm3 volt.
5
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 4 z
z
z
z
z
Az alkatrészek méretének csökkentésével megnőtt a kivezetések, hordozók- és védőelemek térfogata az aktív térfogathoz viszonyítva. A jobb térkihasználás érdekében felmerült az alkatrész geometriák azonosításának és az áramkörök egységenkénti közös burkolásának a gondolata. Az így megvalósított áramkörök a mikromodulok, melyekkel elérték a 20 alkatrész/cm^3 alkatrészsűrűség-értéket is. A mikromodulok 1959-es megjelenésével kezdődött el a szorosabb értelemben vett mikroelektronika korszaka. Felismerés: nem az alkatrészek nagy száma okozza a legnagyobb nehézséget, hanem az, hogy az egyes elemeket külön állítják elő, és azután egyesítik azokat rendszerré – integrált áramkörök
6
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 5 z
z
z
Az integrált áramkörök megjelenése szinte ugrásszerűen csökkentette az elektronikus berendezések méretét és súlyát, és az alkatrészek közötti hagyományos értelemben vett kötések számát. Az integrált áramkörökkel sikerült elérni a 100-as, illetve 1000-es nagyságrendű alkatrész/cm^3-es alkatrészsűrűséget. Az integrált áramkörök két alapvető típusa: z z
Szigetelő alapú integrált áramkörök Félvezető alapú integrált áramkörök
7
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 6 z
z
z
A szigetelő alapú integrált áramkörök jellemzője, hogy a közös alapon (hordozón) integrált formában a passzív elemeket és az összekötő vezetékhálózatot valósítják meg. Az aktív elemeket utólag ültetik be ebbe az integrált RC hálózatba. – HIBRID ÁRAMKÖRÖK A félvezető alapú integrált áramkörökben mind az aktív, mind a passzív alkatrészeket egyetlen félvezető tömbön, illetve tömbben alakítják ki. Itt az egyes alkatrészek határvonalai geometriailag elmosódnak. Lehetőség van a szigetelő- és félvezető alapú integrált áramkörök egyesítésére is. Az egyesítés legjárhatóbb útja, ha a szigetelő alapon kialakított passzív hálózatba ültetjük be a tokozatlan vagy mikrotokozott félvezető alapú integrált áramköri chipeket
8
Az elektronika miniatürizálódási folyamata 7 z
z
z
z
Természetesen az integrált áramkörök megjelenése nem jelenti az elektronika fejlesztésének lezárását. Sok új fizikailag egyszerű funkcionális eszköz kifejlesztése várható, melyek helyettesíteni fogják a nagyszámú alkatrészekből álló áramköröket. Az elektronika jövőbeni feladata az lesz, hogy támaszkodva az áramkörelmélet legújabb eredményeire és egyre behatóbban megismerve az anyag tulajdonságait, a lehető legegyszerűbb módon elégítse ki a rendszerrel szemben támasztott követelményeket. A mikroelektronika nemcsak új technológiát jelent, hanem befolyásolja az elektronika egész fejlődését is. Utat nyit a nagyberendezések fokozottabb elterjedésének, sőt lehetővé teszi eddig meg nem valósított óriási rendszerek kialakítását, vizsgálatát. Megváltoztatja, leegyszerűsíti a berendezések karbantartását, vizsgálatát és javítását. Közelebb hozza egymáshoz az elektronikában eddig egymástól távol álló alkatrész-technológus és rendszertervező tevékenységét.
9
A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 1 z
z
z
z
A szigetelő alapú integrált áramkörök szigetelő hordozón – egymás mellett ill. egymás felett meghatározott geometriai elrendezésben – kialakított vezető és szigetelő rétegekből épülnek fel. A különböző elektromos tulajdonságú rétegek segítségével egy- vagy többrétegű huzalozású pályák, kontaktusfelületek, ellenállások, kondenzátorok, igen kis értékű induktivitások, elosztott paraméterű hálózatok, mikrohullám tápvonalak és rezonátorok stb. állíthatók elő Rétegtechnológiával az induktivitások csak nagy felületigénnyel és kis értékkel (μH) valósíthatók meg, ezért alkalmazásuk csak egy-két speciális esetre korlátozódik. A szigetelő alapú IC-t gyártók az esetek döntő többségében a kondenzátorokat is hibrid elemként, utólag ültetik be az áramkörökbe z z z
gyártástechnológia egyszerűsítése Növeli a megbízhatóságot Fokozza a gyártási kihozatalt 10
A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 2 z
z
z
z
z
A sorozatban gyártott szigetelő alapú hibrid integrált áramkörök döntő többsége a hordozón kialakított integrált R hálózatból és az utólag beültetett kondenzátorokból, tokozatlan chip vagy mikro-tokozott aktív elemekből, illetve félvezető alapú IC chipekből épül fel. A szigetelő alapú hibrid integrált áramkörökkel megvalósítható integrálási szint (funkcionális egység/ térfogat) 20 / 50. A szigetelő alapú hibrid integrált áramkörök a réteg-előállítás technológia, a felhasznált anyagok és a rétegek relatív vastagsága szerint egyaránt két alapvető típusra bonthatók: vékony- és a vastagréteg integrált áramkörökre. A vékonyréteg integrált áramkörökben a rétegvastagság néhányszor 10 vagy 100 nm, míg a vastagréteg integrált áramkörökben néhányszor 10 μm. Vékonyréteg integrált áramköröknél az általánosan használt rétegfelvitel technológia a vákuumgőzölés vagy katodporlasztás, míg a vastagréteg integrált áramköröknél a szitanyomás. 11
A mikroelektronika felosztása MIKROELEKTRONIK A Különálló alkatrészekből felépített áramköri egységek
Különböző alakú alkatrészekből felépített áramkörök
Integrált áramkörök
Azonos alakú alkatrészekből felépített áramkörök
Szigetelő alapú integrált áramkörök
Funkcionális eszközök
Félvezető alapú integrált áramkörök
Optoelektronika, akusztoelektronika, magnetelektronika, kavantum mikroelektronika
Kétdimenziós felépítésű kártyák
Kétdimenziós felépítésű pasztilla áramkörök
Vékonyréteg áramkörök
Bipoláris áramkörök
Háromdimenziós felépítésű modulok
Háromdimenziós felépítésű mikromodul
Vastagréteg áramkörök
MOS áramkörök 12
13
Szigetelő alapú vékonyréteg hibrid integrált áramkör
Szigetelő alapú vastagréteg hibrid integrált áramkör
14
A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 3
z
A rétegfelvitel és kezelési technológián kívül a kétféle típusú integrált áramkör mind a tervezésben, mind a gyártástechnológiában közös konstrukciós és technológiai alapokon tárgyalható A szigetelő alapú hibrid áramkörök nem áthidaló megoldást jelentenek a diszkrét alkatrészes és a félvezető alapú integrált áramkörök között, hanem azok fejlődésével párhuzamosan, hosszú távon, a modern áramkör és berendezés-konstrukció számára önálló, új megoldások lehetőségét adják.
z
Vékonyréteg áramkörök előnyei a vastagréteg áramkörökhöz viszonyítva:
z
z z z z
Nagyobb stabilitású, kisebb értéktűrésű és hőmérsékleti együtthatójú ellenállásválaszték, Nagyobb frekvencián (30 GHZ) működő áramkörök előállításának lehetősége Olcsóbbak az alkalmazott réteganyagok Egy nagyságrenddel kisebb minimális rétegcsík-szélességek (25m) valósíthatók meg. 15
A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 4 z
A vékonyréteg integrált áramkörök hátrányai a vastagréteg áramkörökhöz képest: z z z z z z z z z z z z
Az ellenállás-értéktartomány kisebb Az ellenállás fajlagos terhelhetősége rosszabb A huzalozási pályáknak relative nagyobb az ellenállása Rétegek tulajdonságai jobban függnek a hordozó felületi viszonyaitól (összetétel, érdesség, hullámosság stb.) A rétegek kevésbé tapadnak a hordozóhoz A rétegek a külső környezeti hatásokkal szemben kevésbé ellenállók Rosszabb a kontaktusrétegek forraszthatósága Kisebb az áramköri hordozó hővezető-képessége Bonyolultabb eszközigényesebb rétegfelviteli technológia A gyártásuk automatizálása költségesebb A gyártásuk beruházási és fenntartási költsége magasabb A kis sorozatnagyságnál (500 ~ 1000 db) magasabb darabár 16
A vékony-, vastagréteg és a félvezető alapú integrált áramkörök összehasonlítása
2.1 táblázat
17
Paraméter
Vastagréteg IC
Vékonyréteg IC
Monolit IC
Megvalósítási lehetőség digitális áramköröknél
közepes
közepes
kiváló
Megvalósítási lehetőség analóg áramköröknél
kiváló
kiváló
mérsékelt
Az IC-n belüli parazita hatások
kevés
kevés
sok
Az ellenállás-rétegek négyzetes ellenállása
nagy
kicsi
legkisebb
Az ellenállások hőmérsékletei együtthatója
kicsi
legkisebb
nagy
Az ellenállások értékszórása
kicsi
legkisebb
nagy
Teljesítmény-disszipáció
nagy
közepes
kicsi
közepes
nagy
közepes
kicsi
kicsi
legkisebb
közepes
közepes
nagy
Megbízhatóság
nagy
nagy
legnagyobb
IC előállítási idő
1 hónap
2 hónap
3-6 hónap
2 hét
1 hónap
2 hónap
Darabár kis darabszámnál
közepes
magas
igen magas
Darabár nagy darabszámnál
közepes
közepes
alacsony
1 db IC előállítási költsége
kicsi
közepes
magas
Beruházási költség
kicsi
közepes
magas
A gyártás fenntartási és szerszámozási költsége
kicsi
közepes
magas
Frekvencia - határ Méret Integráltsági fok ( alaktrész/cm^3)
Az áramkör módosításához szükséges idő
18
A hibrid integrált áramkörök hordozói 1 z
z
z
A hibrid integrált áramkörök hordozói a felületükön kialakított rétegeket egymástól elszigetelt és hordozza. E passzív szerepe mellett a hordozó felületének mind morfológiai, mind kémiai vonatkozásban fontos szerepe van a rétegek szerkezetének és ezen keresztül a fizikai tulajdonságainak a kialakításában. A hordozóval szemben támasztott sokféle eltérő és egymásnak ellentmondó követelmény miatt ideális hordozóanyag nincs. Megfelelő adalékolásokkal próbálják az optimális összetételt előállítani. A vékonyréteg integrált áramkörök legelterjedtebb alkalmazott hordozói: z z z z
z
Borosszilikát üveg Üvegkerámiák Zománcozott kerámia Egykristály (pl. zafír)
A vastagréteg integrált áramkörök legelterjedtebb alkalmazott hordozói: z z z
Al2O3 BeO Zomácozott vaslemezek
19
A hibrid integrált áramkörök hordozói 2 z
z
z
z
z
z
A mechanikai követelmények betartása különösen a vékonyréteg integrált áramköri hordozók esetén a fontosabb. A felületi érdesség csökkenti a dielektrikumok átütési szilárdságát; a hullámosság nem teszi lehetővé a jó maszk-, ill. fotófelfekvést Jó hőállósága és hőlökésállósága elsősorban a vastagréteg integrált áramköri hordozóknál jelentős A hordozók jó hővezető-képessége a felületükön elhelyezett ellenállásréteg integrált disszipálódó teljesítmény elvezetésének egyik fontos feltétele. A legjobb hővezetési tulajdonsággal a BeO típusú kerámia hordozók rendelkeznek Fontos, hogy a vastagréteg-, de legfőképpen a vékonyréteg-hordozók alkáli tartalma minimális legyen
20
Szigetelő alapú IC hordozók néhány jellemző tulajdonsága
2.2 táblázat
21
Tulajdonság Vastagság
Alkáliszegény üveghordozó
Al2O3 kerámia hordozó
0,4-0,8 mm
0,4-1,2 mm
10 nm
1-2 μm
5-10 μm
10-15 μm
10^13 ohmcm
10^13 ohmcm
6
1…6
Fajlagos felületi ellenállás (20°C-on)
10^11 ohm/cm^2
10^12 ohm/cm^2
Permittivitás ε (20°C-on, 1 MHZ-en)
4
10
872°C
2040°C
Hővesztőképesség (25°C-on)
0,0125w/cm°C
0,37w/cm°C
Hőtágulási együttható
4,5*10^-6/5C
6*10^-6/5C
1
1,5
Felületi érdesség (Ra) Síklaposság (25 mm hosszon a max. eltérés a siktól) Fajlagos térfogati ellenállás (20°C-on) Veszteségi tényező tg δ x*10^-4 (20°C-on 1 MHz-en)
Lágyulási pont
Relatív ár
22
A hibrid integrált áramkörök hordozói 3 z
A hordozónak az áramkörgyártás és felhasználás minden egyes fázisában ztisztítás, zrétegek
felvitele, zbeégetés, zredukáló oxigén atmoszféra
z
z
kémiailag stabilnak kell lenniük. Ezt a hordozó anyagának megfelelő összetételével lehet elérni. A rétegek felvitele előtt a hordozókat igen gondos felületi tisztításnak kell alávetni (szennyezők eltávolítása, izzítás zsírtalanítás, ultrahangos mosás stb.). A vékonyréteg integrált áramköri hordozókat a vákuumtérben közvetlenül a rétegfelvitel előtt kisnyomású gázkisüléssel létrehozott pozitív gázionokkal bombázva is tisztítják.
23
Integrált alkatrészek z
z z
z
A vastag- és vékonyréteg áramkörök integrált alkatelemeinek tervezése csak a rendelkezésre álló anyagok és gyártási eljárások ismeretében lehetséges. Az egész tervezés során erős rendszertechnikai szemléletet kell érvényesíteni. Az egyes alkatelemek anyagát, méreteit, alakját és elhelyezését az áramkör általános követelményei erősen befolyásolják, sok vonatkozásban meghatározzák. Mindezekből következik, hogy csak olyan tervezési meggondolások összefoglalása célszerű, melyek a technológiák különböző szintjein egyaránt felhasználhatók.
24
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 1 z
z
A szigetelő alapú integrált áramkörökben az ellenállásokat a hordozóra felvitt megfelelő elektromos tulajdonságú rétegekkel valósítják meg. Az ellenállás célra használt rétegek tulajdonságait négy fő csoportba sorolhatjuk: z z z z
z
elektromos, mechanikai kémiai fizikai
Az ellenállásrétegek fenti tulajdonságai nagymértékben függnek a réteg felviteli és kezelési (pl. hőkezelés) technológia paraméterektől.
25
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 2 z
z z z
z z z
z
z
Az ellenállásréteggel szemben a következő főbb merülnek fel: Jó tapadás a hordozóhoz Jó tapadás a vezetőréteghez Széles értéktartományú négyzetes ellenállás Alacsony hőmérsékleti tényező Nagy stabilitás Egyszerű és kézben tartható legyen a felviteli (rétegkialakítási) technológia Stabil és könnyű értékbeállíthatóság
l R = ς [ohm] dv
Ellenállásérték: ahol δ a fajlagos ellenállás [ohm mm] 26
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 3 z
z z
z
z
Ha l=d, azaz az ellenállás felülete négyzet: R□[ohm] – négyzetes ellenállás Ez alapján egy l hosszúságú d d szélességű réteg ellenállása: A rétegellenállások fontos jellemzője a négyzetes ellenálláson kívül a hőmérsékleti tényező (TK) értéke: A rétegellenállások feszültségtényezője VK az ellenállások értékének feszültségfüggőségét fejezi ki:
ς
R = [ohm] v l R = R¬ [ohm] d 1 dR TK = [1/ °C] R dT 1 dR VK = [1/ V ] R dU
27
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 4 z
z
z
z
z
A hibrid integrált áramkörök működési paramétereinek szempontjából fontos tényező az ellenállások stabilitása. A stabilitást általában adott körülmények között az időegységre eső ellenállás-változás százalékában adják meg, annak ellenére, hogy ez a változás nem lineáris az idő függvényében. Az ellenállásérték időbeni megváltozását az oxidáció, elektrolitikus korrózió, belső rétegszerkezeti változások stb. okozzák. Az ellenállásokon keletkező zaj a hőmozgásból eredő termikus zajra; és az ellenállás ingadozásából eredő, az elektromos áram által előhívott zajra vezethető vissza. A rétegellenállásokra jellemző adat a felületegységre eső teljesítmény, azaz a teljesítménysűrűség. Ennek értéke adott hordozónál meghatározza a réteghőmérsékletet és így döntően befolyásolja az ellenállások stabilitását is. 28
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 5 z
Az olyan felhasználásokban, ahol az említett tényezőnek elsősrendű jelentősége lehet, alábbiakat kell figyelembe venni: z z
z
z
z
Az ellenállások hőmérsékleti együtthatója függvénye a vastagságnak Az értékbeállítás módszerének és mértékének függvényekben növekszik az ellenállások zaja és TK értéke is Az ellenállás-hosszúság növelésével sok esetben együtt jár a linearitás romlása
Az áramkör hordozójának anyaga és felületi viszonyai befolyásolják az ellenállások hosszú idejű stabilitását A megtervezett alakzatnak az alábbi követelményeket kell teljesítenie: z z
z
z
A gyártási tűrések határain belül közelítse meg a kívánt ellenállásértéket Az előírt stabilitási követelmények mellett legyen alkalmas a fellépő teljesítmény disszipálására Ha a gyártási tűréseknél pontosabb szórású alkatelem szükséges, legyen lehetőség utólagos értékbeállításra A másodlagos (parazita) hatások ne haladják meg az előírt értékeket
29
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 6 z
Az ellenállások disszipációra történő tervezése során két feltételt minden körülmények között be kell tartani: z z
z
Az adott réteganyag-hordozó párra megengedett fajlagos disszipációt nem lépjük túl Az ellenállás méretek meghatározásánál a technológiailag megengedhető mérethatárokkal kell számolni
Ennek megfelelően az ellenállások felülete:
F = l•d =
P Pf
ahol P = az ellenálláson disszipálódó teljesítmény Pf = a réteganyag-hordozó párra megengedett fajlagos disszipáció F = az ellenállás felülete l = az ellenállás-réteg hossza d = az ellenállás-réteg szélessége
30
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 7 z
z
A rétegből képzeletben kivágott d (l) elemi hosszúságú és d(d) elemi szélességű, állandó vastagságú hasáb ellenállása:
dR = R¬
A teljes ellenállás integrálással adódik:
∫
R
0
z
Az ellenállást alkotó egyenértékű négyzetek száma:
l
dR =∫ R 0
d (l) d (d )
d (l) d
R = R¬l / d
R l n= = R¬ d
31
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 8 Alap ellenállási formák
32
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 9 Az ellenállások lineáris méreteit az alábbiak szerint határozzuk meg: 1. A stabilitási követelményekből meghatározzuk az ellenállás minimális hasznos felületét 2. Meghatározzuk a névleges értékű ellenállás előállításhoz szükséges egyenértékű négyzetek számát 3. Meghatározzuk egy-egy egyenértékű négyzet méretét 4. Megvizsgáljuk, hogy az egyenértékű négyzetekre adódó méret nem kisebb-e a technológiai minimumnál 5. ha nem, vagy egyenlő, folytatjuk a méretezést 6. ha igen, az egyenértékű négyzetek méretét a technológiai minimummal tesszük egyenlővé és ezzel az adattal folytatjuk a méretezést 7. A topológiai adottságok, az utólagos értékbeállítási követelmények alapján döntünk az ellenállások alakjáról (típusáról) 8. Elvégezzük a mesterrajz készítéséhez szükséges összes méret meghatározását
33
Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 10 Egy-egy áramkör megvalósítása különleges követelményeket is támaszthat. Ilyenkor a méretezési lépések száma bővül, többszörös ellenőrzések, esetleg lépésenkénti közelítések válthatnak szükségessé. Az ellenállások méretezésénél, ha a %-os gyártási tűrések (K) pozitív szélsőértéke meghaladja az ellenállás megengedett legnagyobb %-os pozitív eltérését (t) a névleges mérettől, célszerű az ellenállás értékét aláméretezni. n=
K −t ) 100 R¬
Rnév (1 −
Így minden egyes legyártott ellenállás vagy beleesik a megkívánt értéktartományba, vagy az ellenállásértékét növelő trimmeléssel ebbe a tartományba állítható 34
Vékonyréteg-ellenállások 1 z
Megvalósítás: a hordozóra vákuumeljárással felvitt fém, fémötvözet vagy fémoxid-fém kombinált rétegekkel
z
Leválasztott rétegek fajlagos ellenállása >> tömör anyagokra jellemző érték
A rétegvastagság igen változó értékű z Rétegek:
z
¾ ¾ ¾
z
z
Fajlagos felület nagy Rétegvastagság kicsi Szerkezetben sok rendellenesség: hibahelyek, porozitás, szennyeződések => vezetés nem tisztán fémes
Thomson – a vékonyrétegek fajlagos ellenállásának változása a töltéshordozó szabad úthosszának lerövidülése miatt A réteghatároló felületeken gyakran ütköző elektronoknak nagy az energiavesztesége => ellenállás nő 35
Vékonyréteg-ellenállások 2 Fajlagos ellenállás (ρv) függ: - a réteg geometriai mérete - szerkezetben rácshibák, szennyeződések, abszorbeált atomok z Ezek pedig függnek: z
z
rétegleválasztási paraméter (gőzölési sebesség, gőzforrás anyaga és alakja) Hordozó hőmérséklete és felületi viszonyai
Vékonyréteg fajlagos ellenállása:
ρv = ρ + ρα + ρsz ¾ ¾ ¾
ρ: fajlagos ellenállás ρα: az elektronok szabad úthosszának csökkenéséből származó ellenállás változás ρsz: a rácshibákból, szennyeződésekből adódó növekmény
36
Vékonyréteg-ellenállások 3 z Az ellenállás hőmérséklettényezője függ: ¾ a rétegben milyen vezetési mechanizmus érvényesül ¾ a komponensek oxidációra való hajlama különböző 9 9
z z
z
Folytonos rétegek: általában pozitív Nem folytonos rétegek: negatív
Hőmérséklet hatására irreverzibilisen megváltoztatják az értéküket. Ellenállások stabilitása: a rétegeket a felvitel után stabilizáló hőkezelés alá vetni Vékonyréteg-ellenállásréteg: minden fém, fémvegyület (oxid, nitrid), fémötvözet, ill. cermet (fémes és szigetelő keverék)
37
Vékonyréteg-ellenállások 4 z 1.
Ellenállásanyagok: „Tiszta fémek” - Kicsi fajlagos ellenállású
=> csak néhány fém - Nagy a hőmérséklettényező
Tantál: legelterjedtebb nagy olvadáspontú => csak elektronsugaras gőzforrás segítségével párolog réteg előállítása: katódporlasztással előnye: felületén összefüggő (tűlyukmentes) oxidréteg állítható elő – nagy a permittivitása => kondenzátor dielektrikumként alkalmazzák Ta-rétegből készült ellenállások hibája: stabilitásuk kedvezőtlen
38
Vékonyréteg-ellenállások 5
Tantál-nitrid Ellenállás előállítása: reaktív porlasztással – a semleges gázba szabályozott mennyiségű és tisztaságú nitrogént engednek, amivel a porlódó Ta reakcióba lép és azzal vegyületet alkot
2. Fémötvözetek NiCr legáltalánosabban használt vékonyréteg.ellenállásanyag rétegfelvételi technológia legnagyobb problémája: króm és a nikkel eltérő parciális gőznyomása leggyakoribb rétegfelvétel: flash-gőzölés, szublimálás ill. katódporlasztás (legjobb rétegösszetétel) 39
Vékonyréteg-ellenállások 6
Cermet flash
ellenállásréteget fém és szigetelőanyag porkeverékéből (pillanat) vagy elektronsugaras gőzöléssel leggyakoribb kompozíció: Cr-SiO szerkezet függ: szigetelőanyagtól (ide épülnek bele a fémrészecskék) fémrészecskék közötti vezetés: alagúteffektus útján => cermetellenállások negatív hőmérsékleti tényezőjűek
Cr-Si2 nagy (kohm-os) négyzetes ellenállású stabil rétegek állíthatók elő belőle 40
Vékonyréteg-ellenállások főbb jellemzői
2.3 táblázat
41
Jellemző
TaN
NiCr (50/50)
cermet Cr-SiO (70/30)
CrSi2
Négyzetes ellenállás [ohm]
10-150
100-300
500-5k
100-5k
Ellenállás értéktartósság [ohm]
10-100k
10-150k
300-1M
10-500k
Értéktürés [%] (gyártási)
(+/-) 10 (+/-) 5
(+/-) 10 (+/-) 5
(+/-) 20 - (+/-) 10
(+/-) 1 - (+/-) 0,1
(+/-) 2 (+/-) 1
(+/-) 2
(+/-) 2
Értéktürés [%] (értékbeállítás után)
(+/-) 20 (+/-) 10
Hőmérsékleti tényező [10^-6/°C]
-80
(+/-) 100
(+/-) 50
(+/-) 100
Teljesítménysűrűség (üveghordozón) [mw/mm^2]
10
8-10
10
10
Stabilitás [%] (1000h, 70°C)
0,1
0,2 - 0,5
0,2 - 0,6
0,4 - 0.6
Rétegfelviteli technológia
reaktív porlaszt ás
flash gőzölés
flash gőzölés
flash gőzölés 42
Vastagréteg-ellenállások 1
z
Ellenállás: a hordozóra szitanyomtatási technológiával felvitt, megfelelő elektromos és fizikai – kémiai tulajdonságú pasztákkal Felnyomtatott réteg: pihentetik – szárítják – előírt hőmérséklet-eloszlású alagútkemencében (500…1000°C-on) egyenletes sebességgel átbocsátva beégetik (beégetett réteg 10-30 µm vastag)
z
A vastagréteg-ellenálláspaszták szuszpenzióik, alkotóelemeik:
z
-
-
fémek, valamint ezek oxidjaiból ill. ötvözeteiből álló részecskék – vezetőfázist képeznek – pl. Pd, Ag, Bi, Tl, Au, Cu üvegjellegű anyagok – a vezető komponenst rögzítik szerves kötőanyagok – a szitanyomtatást teszik lehetővé oldószerek – forráspontjuk 100°C felett – segítségükkel az optimális viszkozitás beállítása 43
Vastagréteg-ellenállások 2 A leggyakrabban alkalmazott pasztarendszerek:
z
Pd-Ag
1. -
-
a legrégebben alkalmazott ellenállás-pasztarendszer fém- és üvegrészek együttes súlyszázaléka 30/70 az ezüst Ag/Pd ötvözet formájában van jelen különösen érzékeny a beégetési körülményekre (idő, csúcshőmérséklet, a kemence hőprofilja, az atmoszféra összetétele) a négyzetes ellenállás növekedésével nő a paszta üvettartalma (ha R=40 ohm => fém/üveg súlyarány 0,82; ha R=12 ohm => 0,2
44
Vastagréteg-ellenállások 3 Bi2Ru2O7 (bizmut-ruthenium-oxid)
2.
-
-
-
elterjedten alkalmazzák Üvegkomponens összetétele súlyszázalékban: 54-59% PbO, 24-26% SiO2, 16-19% B2O3 a beégetés során kémiai reakció nincs => kevésbé érzékeny a beégetési körülményekre a hőmérsékletfüggést kadmium-adalékkal javítják Thallium
3.
-
beégetéskor toxikus égéstermék keletkezik => nem terjedt el (csak ktg-es berendezéssel semlegesíthető)
45
Vastagréteg-ellenállások 4 •
•
•
•
A vastagréteg-ellenálláspasztákban ma kizárólag a PbO(B2O3)SiO2 összetételű üveget használják. Az üveg viszkozitása ZrO2, TiO2 vagy BiO3 adagolásával széles határok között változtatható. Az üveghez kevert MnO2 negatív, míg a CuO pozitív értelemben módosítható az ellenállások hőmérsékleti együtthatója. A pasztákban található szerves adalékanyagok adják meg a paszták jellegzetességeit.
46
Vastagréteg-ellenállások 5 z
Az adalékanyagok 3 fő alkotóelemből állnak: -
z
polimer kötőanyagból – viszkozitást módosítja oldószerek – a gyanta hígítására szolgálnak (pl. terpentin) különböző, a hordozó nedvesítését szolgáló anyagok (pl. polisztirén)
Vezetési mechanizmus alapja több kutató szerint: az amorf szerkezetű üvegben sűrűn és meglehetősen egyenletesen elosztott szoros érintkezőláncot alkotó szemcsék az üveg biztosítja a vezetőláncok szilárd rögzítését és a réteg megfelelő tapadását a hordozóhoz
47
Vastagréteg-ellenállások 6 z
A vastagréteg-ellenállások stabilitását több tényező befolyásolja: -
-
-
a hordozó-réteg eltérő hőtágulásából eredő feszültségek irreverzibilis változásokat idéznek elő a rétegben (pl. megreped) az elektromos erőtér hatására fellépő anyagvándorlás az elektromos térerősség által kiváltott irreverzibilis ellenállásváltozások az ellenállások elektromos jellemzőinek függése a geometriájuktól az ellenállások elektromos üzemi hőmérséklete az ellenállásokat körülvevő közeg
48
49
Huzalozások és tervezésük 1 z
Huzalozás-rétegek feladatai: -
-
-
z
az integrált kivitelű passzív elemek összekötése (egy- vagy többrétegű huzalozási pályák) kontaktusfelületek kialakítása a hibrid elemek, ezek kivitelezései és az áramkör kivezető lábai részére kondenzátorfegyverzetek kialakítása
Huzalozás-rétegekkel szembeni követelmények: -
kis négyzetes ellenállás jó tapadó-képesség a hordozóhoz kötésre való alkalmasság (forrasztás) a huzalozás és ellenállás-réteg között kis átmeneti ellenállás és zajszegény kontaktus a hőkezeléssel szembeni ellenálló-képesség (vékonyrétegnél hőkezelés, vastagrétegnél kiégetés)
50
Huzalozások és tervezésük 2 z
z
z
z z
Az előbbi követelményeket a vékonyréteg-áramköröknél megfelelő anyagpárok kombinációjával, míg a vastagréteg-áramköröknél különféle pasztaösszetételekkel elégítik ki. A hibrid integrált áramkörök huzalozás-pályáit általános esetben csak a technológiai határ és a topológiai követelmények figyelembevételével méretezik. Ha az áramkör villamos jellemzői megkövetelik, szükség lehet az adott hosszon létrejövő maximális feszültségesés és a vezetéken megengedhető maximális áram meghatározására. A vezetőpályák és a hozzájuk kapcsolódó ellenállások között átfedést kell biztosítani. Az átfedés mértékét az egymást követő maszkolási technológiák helyezési bizonytalanságai és a kontaktusok ellenállásával szembeni követelmények szabják meg. 51
Vékonyréteg-huzalozásrétegek 1 Jó vezetőképesség!
Huzalozás-rétegként jó vezető fémet kell választanunk!
52
Vékonyréteg integrált áramköri huzalozás-rétegek tulajdonságai
Fém
2.6 táblázat
Fajlagos ellenállás [μohm/cm]
Négyzetes ellenállás (rétegvastagság: 100nm) [ohm]
Arany
2,4
0,27
Palládiumarany ötvözet 50/50
21
3
Palládium
11
1,3
Réz
1,7
0,2
Aluminium
2,8
0,33
Titán
55
10
Ni-Cr ötvözet
100
15 53
Vékonyréteg-huzalozásrétegek 2 Vékonyréteg-huzalozási anyagok:
z
Au (arany)
1.
-
-
-
-
legáltalánosabb fajlagos ellenállása kicsi kémiai stabilitása kitűnő kötési tulajdonságai az ón-ólom lágyforrasztás kivételével nagyon jók egyszerűen vákuum-gőzölhető egyszerűen és gyorsan szelektíven maratható az üveg-hordozóhoz rosszul tapad => Au alá jól tapadó réteg kell (pl. Cr, NiCr, Ti, Mo) Cr – vákuumgőzöléssel viszik fel => reakcióba lép a maradékgáz oxigénjével – elősegíti a tapadást Cr-Au huzalozás-réteget hőkezelés alá vetni => Au jobb tapadása
54
Vékonyréteg-huzalozásrétegek 3 2.
-
•
Au/Pd ötvözet ezzel a lágyforraszthatóság nagymértékben javul
hátrány: fajlagos ellenállása az Au 10-szerese ha kell, a huzalozási pályákat glavanizálással vastagítani lehet
Technológiai probléma => max. kétrétegű huzalozási pálya – egyedi huzalkereszteződésekkel állítják elő
55
Vékonyréteg-huzalozásrétegek 4 z
Huzalkereszteződések és kétrétegű huzalozási pályák előállítása: -
-
-
kereszteződő vezetékek közé SiO gőzölése a felső huzalozási pályák helyfoglalásával megegyező hordozó felületre SiO2 porlasztása, azon ablaknyitás és a SiO2 felületen a felső huzalozásréteg kialakítása a kereszteződésbe behegesztett lemezhíd, fémezett poliimid fóliahíd, vagy ultrahangos kötéssel bekötött vastag huzalhíd (légszigetelés) az alsó huzalozási réteggel már rendelkező hordozóra fotopolimer film felvitele, fotolitográfiával átvezető helyek nyitása rajta és ezután a felső huzalozási réteg kialakítása
56
Vastagréteg-huzalozásrétegek 1 z
z
A hordozóra szitanyomtatási technológiával felvitt és beégetett pasztákból alakítják ki. A paszták a következő alkatrészekből állnak: 1.
2.
3.
4.
A fémes vezetők (ezüst, arany, palládium, platina, réz) és ezek ötvözetei – fémtartalom finom por alakjában van benne Üveg jellegű anyag, finom eloszlásban – beégetés során kötést létesít a hordozóhoz ill. a fémrészecskéket rögzíti Oldószer – kis gőznyomású szerves vegyület, a szitanyomtatásnál ez a hordozóanyag Tixotrópiát beállító adalék (polimer vegyület) – szitanyomtatáshoz kell
57
Vastagréteg-huzalozásrétegek 2 z
z
z
z
z
A kiégetett vezetőréteg a színterelt fém és üveg keveréke. A vastagréteg-huzalozásrétegek vezetőképessége kb. egy nagyságrenddel kisebb az alkotóként szereplő féméhez képest. A vezetőképesség függ: fém-üveg aránytól, fémrészecskék alakjától és méretétől, a vezetőréteg effektív keresztmetszetétől és a beégetési technológia paramétereitől. A beégetési körülmények befolyásolják az üveg viszkozitását, felületi feszültségét, stb. A kiégetett vezetőrétegben nem oszlik el egyenletesen az üveg. 58
Vastagréteg-huzalozásrétegek 3 z
Főbb pasztaösszetételek (a fémes összetevőt tekintve): -
palládium-ezüst palládium-arany platina-arany arany réz
59
Vastagréteg-huzalozásrétegek 4 1.
Palládium-ezüst -
2.
a legolcsóbb vezetőanyag jól tapad a hordozóhoz négyzetes ellenállása 2-50 mohm jól forraszthatók a Pd az ezüstionok elektromos tér és nedvesség hatására történő mozgékonyságát lecsökkenti
Palládium-arany -
nincs anyagvándorlás félvezető chipek közvetlen beültetését teszik lehetővé öregbítés (eloxidálás, melegítés) után a jobb a tapadó-képesség a PdAg-től 60
Vastagréteg-huzalozásrétegek 5 Platina-arany
3.
-
tulajdonságai megegyeznek a Pd-Au pasztáéval előny: oxidáló hatásokkal szemben jobb az ellenálló-képességük => nagy megbízhatóságú rendszerekben használják Arany
4.
-
elsősorban többrétegű huzalozások előállítására használják kompatibilisek a dielektrikum és néhány ellenálláspasztával Réz
5.
-
az utóbbi időben jelentek meg a réztartalmú paszták
61
Vastagréteg-huzalozásrétegek 6 z
Vezető epoxigyanták: -
ezek is ide sorolhatók a vastagréteg-huzalozásrétegekhez
-
a paszta epoxigyantába elegyített finom Au- és Ag-porból állnak chipalkatrészek beültetésére vezető ragasztóként használhatók
-
z
Huzalozáskereszteződések és a többrétegű huzalozás előállítása: -
-
a vastagréteg integrált áramkörökbe beültetésre kerülő egyre több kivezetést tartalmazó chipek alkalmazása miatt szükséges az integráció fokozódása miatt szükséges Technológiák: - a huzalkereszteződések közé speciális kis permittivitású szigetelőpaszta nyomtatása - az alsó huzalozási pályákra az átvezetések helyein oszlopok nyomtatása 62
Vastagréteg huzalkereszteződések
63
Vastagréteg-huzalozásrétegek 7
Az egymást keresztező vezetékek szórt kapacitást képviselnek. Ennek értéke a szokásos 30 µm körüli dielektrikumvastagságok esetén 0,5 mm széles, kereszteződő vezetékek estén kb. 2 pF (pikofarad).
64
Kondenzátorok 1 5 alapvető kondenzátorelrendezés:
z
Kereszteződő elektródás elrendezésű síkkondenzátor típus
1.
-
egyszerű szerkezet precíziós maszkolási technikák alkalmazása nélkül is viszonylag pontos értékűre készíthető típus
65
Kondenzátorok 2 Kis soros-ellenállású elrendezésű kondenzátor
2.
-
ha az alsó fegyverzetet az ábrán látható módon alakíthatjuk ki, a hatásos soros ellenállás csökkenni fog
66
Kondenzátorok 3 Polarizálatlan elrendezésű kondenzátor
3.
-
-
-
a felhasznált anyagoktól és a dielektrikum létrehozásának módjától függetlenül nem lesz polarizált függő lényegében két kereszteződő elektródás kivitelű kondenzátor soros kapcsolásának fogható fel hátrány: nagy helyigény és növekszik az ohm-os veszteség 67
Kondenzátorok 4 Értékbeállítható elrendezésű kondenzátor
4.
-
kb. 10-15%-os értékcsökkenést érhetünk el, ha a kondenzátort az ábrán látható módon alakítjuk ki
68
Kondenzátorok 5 Interdigitális elrendezésű kondenzátor
5.
-
-
ohm-os veszteségek jelentős csökkentése célszerű a széleken elhelyezkedő fegyverzetek szélességét a belső fegyverzetek szélességének felére választani => a felépítés szimmetrikus 69
Vékonyréteg-kondenzátorok 1 z
Előnye: ún. „önjavuló képesség”
A kondenzátor két fegyverzete a dielektrikum réteg hibahelyein közel kerülhetnek egymáshoz, vagy a fegyverzetek között zárlat lép fel. Megfelelő feszültséget kapcsolva a kondenzátorra, az előbbi esetben átütés, míg az utóbbiban szétfröccsenés és oxidáció útján a hibahelyek megszűnnek (öngyógyulás).
70
Vékonyréteg-kondenzátorok 2 z
Dielektrikum anyagok 2 csoportja:
1.
Fémoxidok: SiO, Ta2O2, Al2O3
2.
Szerves polimerek (pl. parilén)
71
Vékonyréteg – kondenzátorok dialektrikumai A legfontosabb dielektrikum anyagok és előállítási technológiájuk:
Dielektrikum
Előállítási technológia
26
reaktív porlasztás, anódikus oxidáció
Al2O3
9
anódikus oxidáció, reaktív porlasztás, nagyfrekvenciás porlasztán
SiO
6
vákuumgőzölés
4
nagyfrekvenciás porlasztás, termikus oxidáció
Ta2O5
2.8 táblázat
Dielektromos állandó
SiO2
Parilén
2,6
vákuum polimerizáció 72
Vékonyréteg-kondenzátorok 3 z
A leggyakrabban alkalmazott vékonyréteg integrált áramköri kondenzátor struktúrák:
73
Vékonyréteg-kondenzátorok 4 z
SiO (szilícuim-monoxid) - gőzöléssel állítják elő por- vagy szemcseanyagból -
Dielektrikum-vastagság 250-1000 nm
Ta2O5 (tantál-pentoxid) -
-
anódikus oxidációval vagy reaktív porlasztással állítják elő anódikus oxidációnál a fém Ta elaó fegyverzetet elektrolitba helyezve és + feszültségre kapcsolva elvégzik az oxidációt a réteg vastagságának felső határa 700 nm (fölötte helyi átütések) előnye: a dielektrikum réteg tűlyukmentes
74
Vékonyréteg-kondenzátorok 5 z
Al2O3 (alumínium-oxid) -
z
anódikus oxidációval, reaktív, ill. nagyfrekvenciás porlasztással lehet előállítani
Szerves rétegek -
-
gézalakú monomerekből ultraibolya sugárzással, elektronbombázással vagy pirolízissel történő polimerizációval állítottak elő dielektrikumokat permittivitása kicsi a rétegeknek a néhányszor 10 nm vastag rétegek is repedés- és llyukmentesek
75
Vékonyréteg kondenzátorok jellemzői
2.9 táblázat 76
Dielektri ku m
Alsó feg yve rzet
Felső fegy verz et
Dielektromos állandó
Hordozó
26
alkáliment es üveg
Ta
Au
26
alkáliment es üveg
Ta
-
alkáliment es üveg
Ta2O5 + SiO
Kapacitás tartomány [pF]
Max. üzemi feszültség [V]
tg δ*10^-4 (1 kHz-en)
Hőfoktényező [10^-6/°C]
5*10^2-5*10^4
30
200
50
NiCr - Au
5*10^2-5*10^4
30
200
30
Ta
Au
5*10^2-5*10^6
100
400-700
75
-
alkáliment es üveg
Ta
NiCr - Au
10-10^3
100
250
50
Al2O3
9
alkáliment es üveg
Al
Al
10-10^5
40-100
300-500
50
SiO
6
alkáliment es üveg
Al
Al
10-10^3
50-100
100-500
50
2,6
alkáliment es üveg
Al
Al
10-10^3
1-2
-100
60
Ta2O5
Ta2O5
Ta2O5 + Mn O2
Parilén
77
Vastagréteg-kondenzátorok 1 z
A kondenzátorok előállítása sok technológiai lépést igényel
Hordozó tisztítása
Al.fegyverzet nyomt.
Szárítás
Beégetés
1.dielektr. nyomt.
Szárítás
2.dielektr. nyomt.
Szárítás
Beégetés
Fel.fegyverzet nyomt.
Szárítás
Beégetés
Üveg védőréteg nyomt.
Szárítás
Szilikon lakk felvitele
Hőkezelés
Beégetés
Ónozás
Mérés
78
Vastagréteg-kondenzátorok 2 z
A dielektrikum-réteget a hibahelyek (lyukak) csökkentése céljából két rétegbe nyomtatják fel
79
Vastagréteg-kondenzátorok 3 z z z
z z
Fontos a kondenzátorfegyverzetek és a dielektrikum réteg kompatibilitása. A felső fegyverzet-réteget általában együtt égetik ki a dielektrikum-réteggel. Fontos követelmény: dielektrikum és fegyverzetrétegek között minimális diffúzó Többféle összetételű vastagréteg dielektrikum paszták használatosak. Legáltalánosabb az organikus oldószerbe szuszpendált, alacsony olvadáspontú üveg- és ferromágneses oxidport tartalmazó pasztákat alkalmazzák.
80
Vastagréteg-kondenzátorok 4 z
Néhány vastagréteg kondenzátor dielektrikum: -
-
TiO2 üveg bárium-stroncium-titanátok (Ba, Sr) TiO3 –bárium-ólom-titanátokat (BaPb) TiO3 és üveget tartalmazó dielektrikum bárium-titanát-kadmium-bórszilikát üveg ólom-cirkónium-titanát-bárium-titanát-ólom-üveg bárium-titanát-bizmut-oxid-üveg üveg-kerámia bárium-titanát üveg-kerámia
81
Vastagréteg áramkörök speciális réteganyagai 1 zVédőréteg,
fedőréteg z Feladata a vastagréteg áramköri alkatrészek védelme a külső környezeti behatásokkal szemben. z Ez a réteg különösen fontos a dielektrikum-rétegek érzékenysége miatt. z 500 °C alatti olvadáspontú üvegpasztákból állítják elő. z Vastagsága általában 12 ÷ 15 mikrométer zVezeték kereszteződést biztosító paszták z Egymásra fektetett vezetékek között szigetelőrétegként. z Ált. kétféle dielektrikum: üveg, üveg-kerámia z Üveg: ólom-alumínium-kalcium bórszilikát, ólom-bór-szilikát zForraszpaszták z Folyasztószerek és a forraszanyag egyidejű, adott geometriájú, mennyiségű és helyzetű felvitele a hordozóra. z Szerves kötőanyagba ágyazva fém-porokból és gondosan megválasztott folyasztószerekből állnak. z Nem korrozív hatásúak, könnyen eltávolíthatók a hordozó felületről felületéről. z Nem kell beégetni, levegő vagy semleges gáz atmoszférában azonnal megömleszthető. z Mint „ tapasztóanyag”, elemeket rögzít, helyben tart. 82
82
Vastagréteg áramkörök speciális réteganyagai 2 z
z
z
Vastagréteg-kapcsolópaszta Ilyen anyagú ellenállások egy adott hőmérsékleten ugrásszerűen megváltoztatják ellenállásukat (70°C – 1 kohm => 300 kohm) Vastagréteg-termisztorpaszta Az ellenállások értéke a hőmérséklet függvényében változik. Vastagréteg-varisztorpaszta Az ellenállásoknak van feszültségtényezője is. I = k * Un (I - varisztoráram, U - feszültségm k konstans, n egész szám)
83
83
Topológia tervezése z
Felmerülő problémák z z
z z
z z
a hordozó méretválasztásának szempontjai (áramkör bonyolultsága szabja meg) a kontaktus-felületek kialakítása hordozó szélén (kivezető lábak mérete és a bekötési technológia alapján) a huzalozási pályák tervezésének szempontjai az ellenállás-elrendezés szabályai (valamennyit egymással és a tengellyel párhuzamosan elhelyezni) a hibrid elemek részére kontaktus felületek kialakítása pozícionáló és azonosító jelek kialakítása a hordozón (pl. a gyártás időpontja, vonalkód, stb.)
84
84
Maszkolási eljárások 1 z z
z
A maszkok fotolitográfiai eljárással készülnek. Alapja: egyes szerves lakkok (fotoreziszterek) oldhatósága erősen lecsökken (negatív reziszter), vagy nagymértékben megjavul (pozitív reziszter) ultraibolya fénnyel való megvilágítás után Fotoreziszterek: z z z
z
„rezisztenesek, azaz ellánállók sokféle kémiai maratással használt reagenssel szemben => maratásálló maszkként használják (2.29. ábra) fotopolimeren kívül érzékenyítő anyag, oldószer,tapadást javító anyag is van bennük pozitívak számos előnnyel rendelkeznek a negatívakkal szemben: könnyű eltávolíthatóság, jobb felbontóképesség, többszöri megvilágíthatóság, előhívó oldata nem tűzveszélyes
A fotorezisztek oldószerekben kerülnek forgalomba. Fő jellemzőik: - fényérzékenység (200-500 nm – ultraibolya) - filmképző sajátság és tapadóképesség - felbontóképesség (~ 2000 vonal/mm – speciális) - rezisztencia oldószerekkel szemben - használat utáni eltávolíthatóság - kémiai hatásokkal szembeni ellenállóképesség - időbeli stabilitás 85
85
A negatív és pozitív fotoreziszt alkalmazása maratásálló maszkként
86
86
Maszkolási eljárások 2
z
Fotorezisztek feldolgozása: z z z z z z z z
a felület előkészítése (gondos tisztítás – zsírtól) a fotoreziszt szűrése és egyenletes tömör rétegben való felvitele a felületre (pl. centrifugális, hengeres lakkfelvitel) szárítás (oldószerek eltávolítása) megvilágítás (párhuzamos fénysugárral, kontakt másolással, ábra vetítésével) előhívás és öblítés a polimerizáció befejezése és az előhívó oldat eltávolítása beégetéssel (infravörös melegítővel) Maratás lakkeltávolítás
87
87
Vékonyréteg integrált áramkörök maszkolási technológiája 1 z
Két fő csoport: 1. 2.
z
z z
Érintés nélküli eljárás: a hordozótól függetlenül előállított maszk (nyílásokat tartalmazó fémfólia) – rétegfelvitel közben nem lehet tökéletes kontaktusban a hordozóval Érintőmaszkos eljárás: a maszk szerepét mindig valamilyen – a hordozó felületével kontaktusban lévő – réteg képezi Érintkezés nélküli maszkolás: z z
z
rétegfelvitel közben határozzák meg a réteg síkbeli geometriáját => érintkezés nélküli maszkos eljárás rétegfelvitel után határozzák meg … => érintőmaszkos eljárás
monometall maszk bimetall maszk
Érintkezőmaszkos eljárás: z z z
fotoreziszt maszk - hátrány: a reziszt eltávolítása után nehéz a hordozót újra nagytisztaságúvá tenni kontakt fémmaszk direkt maszk - a felesleges anyagok eltávolítására rádiófrekvenciás maratás 88
88
89
90
Vastagréteg integrált áramkörök maszkolási technológiája 1 z z z
A hordozó mintázata: szitanyomtató maszkokkal Maszkok anyaga: szövéssel előállított acél, nylon vagy poliészter szitaszövet Szitaszövet jellemzője: az elemi szálátmérő és a mesh szám (inchenkénti nyílásszám) z z z
z z
vezetősávok: 200-400 mesh számú szitákkal ellenállások: 160-200 forraszanyag-pászták: 80
A szitaszöveteket keretre kifeszítve használják. Szita rugalmasságának meghatározása: z adott súlyterhelés hatására bekövetkezett deformációval z a szitát akusztikai módszerekkel rezonanciába hozva a felületén kialakuló állóhullámok képéből
91
91
92
Vastagréteg integrált áramkörök maszkolási technológiája 2 Maszkok két csoportja:
z
Emulziós maszkok:
1.
direkt emulziós maszk (keretre kifeszített szitaszövetre z fényérzékeny emulzió – száradás – nyílások kialakítása fotolitográfiával) z indirekt emulziós maszk (ábrakialakítás szitától függetlenül egy hordozó fólián – ez az ábra kerül a szitára) z indirekt-emulziós maszk (folyékony és hordozó fólián lévő szilárd emulzió) Fémmaszkok: z indirekt fémmaszk z direkt fémmaszk z
2.
93
93
94
Rétegfelviteli technológia Vékonyréteg integrált áramkörök rétegfelviteli technológiái
z z
z
Vékonyréteg hibrid integrált áramkör: rétegfelvitel vákuumgőzöléssel vagy katódporlasztással Vastagréteg hibrid integrált áramkör: rétegfelvitel szitanyomtatási technológiával Vékonyrétegek előállítása: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Vákuumgőzölés Katódporlasztás Ionos rétegleválasztás Anódos oxidáció Polimerizáció Gőzfázisú kémiai leválasztás Galvanizálás
95
95
Vastagréteg integrált áramkörök rétegfelviteli technológiája 1 z
Szitanyomtatás z
z
z
A keretre kifeszített maszkot a nyomtató kés a hordozóhoz szorítja P erővel, majd v állandó sebességgel elhalad rajta. Közben a kés éle elé helyezett pasztaanyag a maszk szabad nyílásaiba préselődik. A rugalmas maszk a kés elhaladása után visszarugózik a hordozótól, ez elősegíti, hogy a szita nyílásaiba préselt és a hordozóhoz adhézióval tapadó pasztaanyag a hordozón maradjon.
Beégetés z z z
A hordozóra felnyomtatott rétegek jól láthatóan megőrzik a szitamintázatot. A paszta egyenletes elterülésére és kiegyenlítődésére időt kell hagyni. Ez a paszta viszkozitásától függően 8-30 perc. Ezután a elnyomtatott réteget 110150°C-on 15-30 percig szárítják, hogy az oldószerek nagy része eltávozzék.
96
96
97
98
Érték-beállítási technológia – 1 z
z z
z z z z z
A legyártott vastagréteg-ellenállások a -/+ 10…-/+ 20%, míg a kondenzátorok a -/+ 20…-/+ 30%-os értékszórási zónába esnek (kb. a gyártott darabszám 80%-a). Ha a fentiekhez képest szűkebb értéktűrésű passzív elemekre van szükség, utólagos értékbeállítást (más néven trimmelést, jusztirozást) kell alkalmazni. A hővel való értékbeállítás során a vékonyréteg-ellenállást kemencében vagy a rajta átfolyatott áram segítségével több száz °C-ra felmelegítik. Ennek hatására bekövetkező szerkezetváltozás ellenállás-változást okoz. Az elektroeróziós mikrogravirozást elterjedten alkalmazzák vékonyrétegellenállások értékbeállítására. A réteg és egy tű (pl. wolfrám) között feszültségkülönbséget hoznak létre. A tű és a réteg érintkezésénél az áramvezető csatorna keszűkül, ezért az áramsűrűség nagy. Megfelelően nagy áramsűrűség a réteget annyiora felhevíti, hogy az elpárolog, és a rétegben diszkontinuitás (lyuk, ill. mozgó tű esetén vágás) keletkezik. Ezzel az eljárással 0,1…2 mm/s vágási sebességet lehet elérni és 30…60 μm szélességű csíkokban vághatók át a rétegek.
99
Hibrid integrált áramköri ellenállások értékbeállítási technológiái
2.13 táblázat
100
Alkalmazható
Ellenállásválto zás
Az ellenállás értékét meghatározó mely tényező változtatja
R változás
Értékbeállító művelet vékonyrét eg
vastagrét eg
pozití v
negat ív
hosszus ág
szélessé g
vastags ág
fajlagos ellenállás
folyamat os
ugrássze rű
koptatás; karcolás
+
+
+
-
-
+
+
-
+
+
melegítés
+
-
+
-
-
-
-
+
+
+
vibráló csúccsal mikroforgácsolás
+
+
+
-
-
+
+
-
+
+
mikrogravírózás
+
-
+
-
+
+
-
-
+
+
oxidáció
+
-
+
-
-
-
+
-
+
-
oxidáció-redukció
-
+
+
+
-
-
-
+
+
-
elektromos ív
-
+
+
+
-
-
-
+
+
-
feszültség-impulzus
+
+
+
+
-
-
-
+
-
+
homoksugárral mikroforgácsolás
-
+
-
-
+
+
-
-
+
+
nagy intenzitású
+
101
+
-
-
+
+
-
-
+
+
Érték-beállítási technológia - 2 z
z
z z z
z
z
Az anódikus oxidációs értékbeállítás során a vékonyréteg-ellenállás (pl. Ta N) rétegvastagságát lehet csökkenteni oly módon, hogy egy meghatározott vastagságú felső rétegét szigetelő fémoxiddá (pl. Ta2O5) alakítják át. A tantál, ill. tantál-nitrid ellenállások trimmelésekor azok felületét elektrolittal hozzák érintkezésbe, majd az ellenállást anódnak kapcsolva elektrolitikus oxidációt hoznak létre. Ezzel az eljárással at ellenállások 0,1 %-os pontossággal értékre állíthatók. A koptatósugaras értékbeállítás a vastagréteg ellenállások egyik igen elterjedten alkalmazott trimmelési eljárasa. Egy 0,2…0,5 mm méretű fúvókán nagynyomású (4…7 bar) levegő vagy nitrogén gáz lép ki. A kilépő gáz 10…50 μm átmérőjű aluminiumoxid vagy szilicium-karbid szemcséket hordoz magával Ezek a nagy sebességgel kilépő szemcsék mikroforgácsolást végeznek az ellenállásrétegen. A fúvókát mozgatva az ellenállásrétegből adott méretű és alakú sáv eltávolítható. Ezzel a módszerrel üzemszerűen mintegy 1%-os pontosság érhető el az ellenállásoknál.
102
103
104
Érték-beállítási technológia - 3 z z z z z z
A lézersugaras értékbeállítás jelenleg a hibrid integrált áramköri technológia legkorszerűbb és egyben legtermelékenyebb trimmelési eljárása. A lézerek igen nagy teljesítménykoncentrációval rendelkező monokromatikus, koherens sugárnyalábjait használjuk a réteganyagok elpárologtatására. Értékbeállítási célokra a YAG szilárdtest és a CO2-gázlézert használják. A teljes értékbeállítási folyamatot célszámítógép vezérli, míg egy ipari tvkamera és monitor segítségével követhető a művelet. A réteg vágási sebessége néhány cm/s értékű. A berendezések teljesítménye több ezer db ellenállás óránként.
105
106
Hibrid elemek z
z
z
z z
A szigetelő alapú integrált áramkörökbe beépítésre kerülő hibrid elemek többsége aktív, míg kisebb részük passzív alkatrész. A hibrid integrált áramkörök használhatósága sok felhasználási területen a beépített elemek paramétereinek a függvénye. Már az áramkör tervezésénél, a megfelelő hibrid elem kiválasztásakor figyelembe kell venni az elektromos paramétereken kívül a méreteket és a megbízhatósági követelményeket is. Passzív hibrid elemek Aktív hibrid elemek
107
Hibrid elemek – Passzív hibrid elemek z
A szigetelő alapú integrált áramkörökben az alábbi passzív hibrid elemeket alkalmazzák: z z z
z
z
Kondenzátor chip (morzsa, használata általános) Ellenállás chip (speciális esetben alkalmazzák) Induktivitás chip (igen-igen ritkán alkalmazzák).
Az ellenállás chipeket akkor alkalmazzák hibrid elemként, ha az áramkörökben egy-két olyan R található, amellyel szemben a többihez képest szigorúbbak az áramköri követelmények (pl. stabilitás, pontossága, terhelhetőség, TK stb.) Gyakran a vastagréteg áramkörökbe vékonyréteg-, míg a vékonyréteg áramkörökbe vastagréteg-ellenállás chipeket ültetnek be.
108
109
110
Hibrid elemek – Aktív hibrid elemek z z
Az aktív alkatrészek és funkcionális egységek (pl. monolit IC chipek) minden esetben hibrid elemként kerülnek be az áramkörbe. A hibrid elem konstrukció és technológia főbb fejlesztési irányai: z z z z z
z z z
A hagyományos tokozott félvezető chipekkel megegyező elektromos paraméterek Kis méret (kezelhető és pozícionálható forma) A félvezető chipek legyenek ellátva kivezetőkkel és megfelelő védelemmel (tokozva legyenek) Beültetés előtt mérhető legyen az elem Lehetőleg az összes hibridelem – kivezetés egy lépésben nagy megbízhatósággal beköthető legyen (gépesíthető beültetési lehetőség)
A hagyományos fém, üveg, műanyag stb. tokozású diszkrét elemek miniatürizált változatai a leggyakrabban alkalmazott hibrid elemek. A tokozatlan chip alkatrészek biztosítják a hibrid integrált áramkörökben a legnagyobb alaktrészsűgűséget. A tokozatlan chipek használatának hátránya: z z z z
nehéz mérhetőség beültetés előtt, beültetésük és szerelésük költséges, az elektromos jellemzőkre hatással van a beültetési technológia, a beültetés rossz kihozatali százaléka
111
112
113
114
115
116
Szerelési és tokozási technológia – Tokozási technológia z
A hibrid integrált áramkörök esetében szerelésben alkalmazott kötési technológiáknak meghatározó szerepük van az áramkör működése, megbízhatósága, élettartama és gazdaságos gyártása szempontjából.
z
A tok alapvető feladata az integrált áramkör mechanikai és klímavédelme, továbbá a tokozott áramkör végleges külméretének és szerelhetőségének biztosítása. A félvezető alapú integrált áramköröknél közismerten az a helyzet, hogy a tok méretét lényegében a kivezetések elhelyezhetősége határozza meg, ehhez képest az áramkör saját helyigénye csak tört részt képvisel. Ezzel szemben a vastagréteg áramköröknél a hordozó helyigénye a döntő. A használatos tokok két nagy csoportba oszthatók:
z
z z
z z
Hermetikus tokok Nem hermetikus tokok
117
Szerelési és tokozási technológia – Tokozási technológia z
z
z
z
A hermetikus tokozás feltétele, hogy a tokba benyomott 101.325 N/m2 (1atm) túlnyomású hélium gáz szivágási sebessége ne haladja meg a 10-8 cm3/s értéket (MIL szabvány) Hermetikus tokozáshoz (a szigorú követelmények miatt) az IC gyártók kereskedelemben beszerezhető – általában kétrészes beépített lábrendszerrel rendelkező – tokokat használnak fel, és csak az áramkör beszerelése utáni lezáró műveletet végzik el saját eszközökkel. A hibrid integrált áramkörök leggyakrabban alkalmazott tokozási megoldással, a felhasznált anyagok és a toklezárási, ill. készítési technológiák rendszere látható. (%1.köv.diára) Hermetikus hibrid áramköri tokozási konstrukciók láthatók. Ezek közül a fémtok (a kivezető lábaknál üvegátvezetőkkel) ellenállás-hegesztéssel lezárva biztosítja a legjobb légmentes zárást. A zárási műveletet tisztított száraz nitrogén atmoszférájú zárt térben végzik. A hermetikus tokozások légpárnás kivitelűek (az áramköri hordozó aktív oldala csak a „gázpárnával” érintkezik). (%2.köv.diára)
118
119
120
Szerelési és tokozási technológia – Tokozási technológia
z
z
A fém- vagy műanyag-tok műgyanta kiöntéssel az egyik legolcsóbb tokozási megoldás. Az áramköri tokba helyezése után a vákuumos kiöntéshez töltőanyagot tartalmazó epoxigyantát használnak. Sokszor az eltérő hőtágulási tulajdonságokból adódó mechanikai feszültségek csökkentésére tokba helyezés előtt az áramköröket rugalmas sziliongumi réteggel vonják be. A műgyanta kiöntés előtt a hézagot eltömítjük, akkor az áramkör felett légpárnát lehet kialakítani.
121
Szigetelő alapú integrált áramkörök gyártástechnológiájának összefoglalása
122
Szigetelő alapú vékonyréteg integrált áramkörök gyártástechnológiája
123
Szigetelő alapú vastagréteg integrált áramkörök gyártástechnológiája
124
Köszönöm a figyelmet!
125
