Полупроводниковые интегральные схемы

3.1 Типовые структуры полупроводниковых ИС

Основными технологическими процессами изгототовления ППИМС являются те, с помощью которых создаются локальные области, формируются структуры и элементы схемы. К ним относятся: локальная диффузия легирующих примесей в кремний, ионное легирование, эпитаксиальное наращивание. ИМС, изготовленные только с применением процессов диффузии, называются планарно-диффузионными, с сочетанием эпитаксиального наращивания, диффузии и ионного легирования – планарно-эпитаксиальными.

При совмещенной технологии активные элементы изготавливаются в объеме полупроводника, пассивные – на его поверхности методами тонкопленочной технологии.

Способ изоляции элементов ИС существенно влияет на их основные характеристики. В настоящее время используются следующие способы изоляции: обратно смещенным p-n переходом, диэлектрическая, комбинированная (сочетание изоляции переходами и диэлектриком). В некоторых случаях возможна изоляция за счет высокого объемного сопротивления пластины кремния – резистивная изоляция.

Изоляция элементов обратно смещенным p-n переходом.

Изоляция обратно смещенным переходом имеет несколько разновидностей:

- Диодная изоляция. Применяется в планарно-эпитаксиальных ИМС. При этом используется подложка p-типа со скрытым слоем. Эпитаксиальный слой имеет проводимость n-типа. Достоинство метода – технологическая простота и малая стоимость. Недостатки – большая площадь изолирующих диффузионных площадок, не очень хорошие параметры транзисторов.

- Коллекторная изолирующая диффузия. Применяется в планарно-эпитаксиальных ИМС. Эпитакисальный слой имеет проводимость p-типа. Коллекторная область n+-типа формируется диффузией таким образом, чтобы по периферии образовался контакт со скрытым слоем. Далее проводится диффузия акцепторной примеси для создания тонкого p-слоя по всей площади подложки. Для проведения такой диффузии не требуется формирования фотошаблона. Далее формируются эмиттерная область и омические контакты. Достоинства метода: сокращение площади элементов в 3 – 4 раза, улучшенные параметры транзисторов – напряжение насыщения и сопротивление насыщения, уменьшение количества фотолитографических операций.

- Базовая изолирующая диффузия. Применяется в планарно-эпитаксиальных ИМС, при этом формирование скрытого слоя не обязательно. Используется подложка p-типа с тонким эпитаксиальным слоем n-типа. Изолирующие области p-типа формируются локальной диффузией акцепторных примесей одновременно с формированием базовых областей. Диффузия проводится не на всю толщину эпитаксиального слоя, поэтому при работе схемы к изолирующим участкам прикладывается отрицательное напряжение, которое вызывает расширение обедненного слоя до подложки. Метод базовой изоляции применяется для маломощных ИМС. Недостаток метода – необходимость использования дополнительного источника питания для смещения изолирующих участков.

- Метод трех фотошаблонов. Применяется в диффузионных ИМС. Подложка выполняется из слаболегированного кремния p-типа с достаточно высоким удельным сопротивлением – до 1000 Ом×см. Сначала формируется база p+ путем диффузии акцепторных примесей. Далее формируются эмиттерные и коллекторные n+ области диффузией донорной примеси сквозь базовую область. Коллекторная область выполняется в виде кольца, которое полностью окружает базу и эмиттер, обеспечивая тем самым изоляцию в поперечном направлении. При работе схемы в зоне перехода n+ (коллектор)-p (подложка) возникает широкая область объемного заряда, которая обеспечивает вертикальную изоляцию. Достоинства метода: высокая простота и технологичность. Недостаток – наличие объемного заряда существенно ограничивает быстродействие схемы.

Для изоляции обратно смещенными переходами характерна высокая технологичность изготовления. Однако при этом невозможно достижение высокого быстродействия, возможен т.н. тиристорый эффект в четырехслойных структурах, обеспечивается жесткий компромисс между электрической прочностью изолирующих переходов и их током утечки.

Диэлектрическая изоляция

Диэлектрическая изоляция в целом позволяет достигнуть лучших рабочих характристик ИМС, чем при обратно смещенных переходах. Имеется несколько разновидностей диэлектрической изоляции:

- Изоляция тонкой пленкой диэлектрика (эпик (EPIC)-процесс). Исходная подложка изготавливается из поликристаллического кремния p-типа. На поверхности наращивается эпитаксиальный или создается диффузионный слой n+-типа, который затем окисляется. Путем фотолитографии в пленке окисла кремния создаются окна, через которые производится глубинное травление кремния. Стенки вытравленных канавок вновь подвергаются окислению. Таким образом, получился изолированный слоем двуокиси кремния "карман". Далее производится эпитаксиальное наращивание монокристаллического слоя кремния. Слой монокристаллического кремния вне "карманов" удаляется в процессе шлифовки, полировки, выравнивающего травления. В полученных изолированных областях методами планарной технологии формируются активные и пассивные полупроводниковые элементы. В некоторых случаях карманы изолируются более высококачественным диэлектриком – нитридом кремния или его комбинацией с диоксидом кремния. Достоинства метода: высокое качество изоляции, высокое быстродействие ИМС. Недостатки: сложная технология, необходимость прецизионной механической обработки.

- Микросхемы с балочными выводами – разновидность воздушной изоляции. На кремниевой пластине планарной технологией формируются элементы. После формирования элементов создается пленка защитного окисла. Далее наносятся слои силицида платины, титана, платины, золота. Эти слои вытравливаются таким образом, что получаются необходимые межсоединения. Затем кремний сошлифовывается до толщины 15 – 20 мкм, и производится глубинное травление кремния до пленки окисла. Таким образом, элементы оказываются разделенными воздушными промежутками. Механическая прочность схемы обеспечивается балочными выводами. Достоинства метода: благодаря близкому расположению элементов схема работоспособна на высоких частотах, хороший отвод тепла через балочные выводы. Недостатки: невысокая плотность размещения элементов, сложная технология, дорогие материалы.

- Изоляция декаль-методом – разновидность воздушной изоляции. Пластина кремния с полностью сформированными элементами и межсоединениями припаивается лицевой стороной к стеклянной подложке. Затем кремний сошлифовывается до толщины 15 – 20 мкм, элементы разделяются глубинным травлением до пленки окисла. Достоинства метода: высокое качество изоляции, достаточно высокая технологичность. Недостатки: трудности с отводом тепла из-за высокого теплового сопротивления подложки, трудность согласования коэффициентов теплового расширения кремния и подложки.

Метод "кремний на сапфире". Возможность осуществления данного метода основана на кристаллографической совместимости сапфира и кремния. На тщательно отполированной сапфировой подложке по всей площади наращивается монокристаллический эпитаксиальный слой кремния толщиной 1.5 – 3 мкм. Полученный слой подвергается избирательному травлению, при котором на подложке создаются изолированные друг от друга островки кремния. Далее на них создаются полупроводниковые приборы по планарной технологии. Достоинства метода:

1. Крайне малые паразитные емкости – порядка 0.1 – 0.5 пФ;

2. Малые потери в подложке на СВЧ;

3. Высокая теплопроводность механическая прочность приводят к высокой устойчивости к высокотемпературному воздействию;

4. Возможность создания радиационно стойких ИМС.

Недостатки:

1. Высокая стоимость подложек;

2. Проникновение примесей из подложки в эпитаксиально выращенный слой кремния;

3. Несоответствие коэффициентов термического расширения кремния и сапфира способствует образованию большого числа дефектов роста при проведении термических операций.

Комбинированная изоляция

- Изопланарная технология. Применяется в планарно-эпитаксиальных и диффузионных ИМС. При этом используется подложка p-типа со скрытым слоем. На поверхности подложки формируется защитная маска из нитрида кремния. Далее производится травление незащищенных областей на глубину примерно до скрытого слоя. После этого проводится длительное термическое окисление, в процессе которого происходит боковое окисление кремния, и слой окисла полностью заполняет вытравленные канавки. Применение маски из нитрида кремния необходимо для исключения окисления кремния на поверхности подложки. Таким образом, боковая изоляция осуществляется защитным слоем двуокиси кремния, а нижняя – p-n переходами.

При изготовлении транзисторов методом двойной диффузии нитрид кремния удаляется, и производится диффузия акцепторных примесей для формирования базовых областей. Далее на поверхности кристалла создается слой двуокиси кремния, и проводится локальная диффузия донорных примесей для формирования эмиттерных и коллекторных областей. Эпитаксиальный слой имеет проводимость n-типа. Диффузия акцепторов ограничена в боковых направлениях слоем двуокиси кремния. Благодаря этому обеспечивается самосовместимость структур и снижаются требования к точности совмещения фотошаблонов. ИМС с комбинированной изоляцией могут иметь рабочую полосу частот до 5 ГГц.

Достоинства метода:

1. Сочетание достаточно высокой технологичности и хорошего качества изоляции;

2. Достаточно высокая граничная частота и высокое быстродействие;

3. Небольшая площадь изоляции по сравнению с диодной;

- Технология вертикального анизотропного травления (V-ATE). В качестве исходных подложек используются кремниевые эпитаксиальные структуры со скрытым слоем. Боковая изоляция осуществляется V-образными канавками, которые формируются путем анизотропного травления кремния перед изготовлением элементов ИМС. Глубина таких канавок определяется только шириной отверстия в маске. Поверхность канавок покрывается защитным слоем двуокись кремния – нитрид кремния – двуокись кремния. Изоляция элементов от подложки осуществляется p-n переходами. Основной проблемой такого метода является формирование металлической разводки, которая пересекает заостренные кромки V-образных канавок. Для исключения микротрещин применяется трехслойная структура проводников: платина – титан – золото. V-ATE технология имеет следующие преимущества:

1. Существенное уменьшение площади – до 6 раз;

2. Увеличение быстродействия в несколько раз;

3. Уменьшение паразитных емкостей в несколько раз.

- Полипланарная технология. При этом способе используются такие же изолирующие канавки, как и в V-ATE. На поверхности канавок выращивается слой двуокиси кремния, на него наносится слой поликристаллического кремния, который затем сошлифовывается до слоя окисла. Таким образом получается гладкая поверхность кристалла. Это позволяет применять недорогую технологичную алюминиевую металлизацию.

- Совмещенная технология. При совмещенной технологии активные элементы формируются в объеме подложки методами полупроводниковой технологии, а пассивные – на поверхности по тонкопленочной технологии. Такое сочетание позволяет использовать преимущества полупроводниковой и пленочной технологий: обеспечивается высокая надежность и высокая степень интеграции элементов, при этом пассивные элементы имеют высокую температурную стабильность и обеспечивают оптимальное сочетание параметров.

Интегральные диоды.

Интегральный диод состоит из нескольких определенным образом соединенных p-n переходов. Как правило, они изготавливаются в едином технологическом процессе вместе с транзисторами, что значительно ограничивает диапазон оптимизации их параметров. В то же время, диоды применяются для реализации различных по назначению цепей, предъявляющих разные требования к ним. Различные способы включения транзисторов позволяют получать диоды с характеристиками, максимально приближенными к требуемым.

Диоды характеризуются совокупностью статических и динамических параметров. Статические параметры определяют работу диода на низких частотах. К ним относятся:

- Максимально допустимое обратное напряжение U_обр;

- Обратный ток Iобр (определяется при максимально допустимом обратном напряжении);

- Максимально допустимый прямой ток I_пр;

Динамические параметры проявляются на высоких частотах и в импульсном режиме. К ним относятся:

- Проходная (шунтирующая) емкость C_д;

- Паразитная емкость диода на подложку C_п;

- Постоянная времени восстановления обратного сопротивления t_д.

Диоды изолируются либо обратно смещенными p-n переходами, либо диэлектрической изоляцией. Для любых видов изоляции используются схожие схемы включения транзисторов, для которых характерны определенные сочетания параметров и определенные области применения. Поэтому имеет смысл рассмотреть реализацию диодов только при одном виде изоляции, например, p-n переходами. При этом подразумевается, что на подложку подается самый отрицательный потенциал.

На электрические параметры p-n переходов влияют: площадь перехода, распределение примесей, объемное сопротивление и размер p и n областей, и др. Для сравнительной оценки свойств интегральных диодов имеет смысл рассматривать влияние площади переходов, поскольку остальные физические характеристики определяются технологией изготовления транзисторов.

При небольшой площади перехода (что имеет место у перехода эмиттер-база) получается малая сквозная емкость, чем достигается максимальное быстродействие. Малая площадь перехода позволяет достичь малого обратного тока. Однако при этом пробивное напряжение перехода будет относительно небольшим (порядка нескольких вольт). Такое сочетание параметров характерно для высокочастотных и маломощных импульсных схем.

У перехода большой площади (коллектор-база) сквозная емкость будет большой, что существенно ограничивает диапазон рабочих частот. Обратный ток будет большим. Однако пробивное напряжение коллекторного перехода на порядок выше, чем эмиттерного. Таким образом, область применения таких диодов – высоковольтные схемы, выпрямители повышенной мощности.

В полупроводниковых микросхемах используются следующие схемы включения транзисторов:

1. Используется переход эмиттер-база. Переход коллектор-база замкнут.

- Максимально допустимое обратное напряжение невелико и составляет 5 – 7 В;

- Обратный ток I_обр минимален;

- Максимально допустимый прямой ток I_пр – небольшой, что обусловлено малой площадью перехода;

- Проходная (шунтирующая) емкость C_д минимальна и определяется емкостью эмиттерного перехода;

- Паразитная емкость диода на подложку C_п в основном определяется емкостью изолирующего коллекторного перехода;

- Постоянная времени восстановления обратного сопротивления t_д минимальна, поскольку в коллекторной области не происходит накопления объемного заряда (коллектор замкнут).

Такие диоды используются в быстродействующих и переключающих схемах, логических ИМС.

2. Используется переход коллектор-база. Переход эмиттер-база замкнут.

- Максимально допустимое обратное напряжение максимально и для типовых планарно-эпитаксиальных структур составляет 20 – 50 В;

- Обратный ток I_обр определяется суммой обратного тока коллекторного перехода и обратного тока изолирующего перехода. В данной схеме он имеет достаточно большое значение;

- Максимально допустимый прямой ток I_пр – достаточно большой;

- Проходная (шунтирующая) емкость C_д определяется суммой емкостей коллекторного и изолирующего переходов и имеет достаточно большое значение;

- Паразитная емкость диода на подложку C_п в основном определяется емкостью изолирующего коллекторного перехода;

- Постоянная времени восстановления обратного сопротивления t_д определяется временем рассасывания объемного заряда в базовой и коллекторной областях. В данной схеме время восстановления будет достаточно большим.

Такие диоды используются в тех случаях, когда необходимо иметь максимальное обратное пробивное напряжение, и требования к обратному току и быстродействию некритичны.

3. Используются переходы эмиттер-база и коллектор-база, включенные параллельно.

- Максимально допустимое обратное напряжение определяется обратным напряжением эмиттерного перехода и составляет несколько вольт;

- Обратный ток I_обр определяется суммой обратного тока коллекторного перехода и обратного тока эмиттерного перехода. В данной схеме он имеет самое большое значение;

- Максимально допустимый прямой ток I_пр – максимальный;

- Проходная (шунтирующая) емкость C_д определяется суммой емкостей коллекторного и эмиттерного переходов и имеет наибольшее значение;

- Паразитная емкость диода на подложку C_п в основном определяется емкостью изолирующего коллекторного перехода;

- Постоянная времени восстановления обратного сопротивления t_д определяется временем рассасывания объемного заряда в базовой, эмиттерной и коллекторной областях. В данной схеме время восстановления будет наибольшим.

Такие диоды применяются в схемах, где требуется максимальный прямой ток, а требования по быстродействию и обратному току некритичны. Надо сказать, что параллельное включение нелинейных полупроводниковых структур неэффективно ввиду сильной температурной зависимости их характеристик. При параллельном включении наибольший ток протекает через меньшее сопротивление. Поскольку через один из переходов протекае больший ток, то он сильнее нагревается. При нагреве сопротивление перехода уменьшается, и ток возрастает. В итоге наступает тепловой пробой перехода, и весь ток течет через оставшийся переход, которой вскоре тоже пробивается. Этот эффект несколько сглажен в интегральных структурах, поскольку ввиду близкого расположения переходы имеют почти одинаковую темперетуру.

4. Используется переход эмиттер-база. Коллектор разомкнут.

- Максимально допустимое обратное напряжение определяется напряжением эмиттерного перехода и составляет несколько вольт;

- Обратный ток I_обр определяется обратным током эмиттерного перехода. В данной схеме он минимален;

- Максимально допустимый прямой ток I_пр – минимальный;

- Проходная (шунтирующая) емкость C_д определяется емкостью эмиттерного перехода и в данной схеме минимальна;

- Паразитная емкость диода на подложку C_п в основном определяется емкостью изолирующего коллекторного перехода;

- Постоянная времени восстановления обратного сопротивления t_д определяется временем рассасывания объемного заряда в разомкнутой коллекторной области. Дополнительный заряд возникает вследствие инжекции неосновных носителей заряда в область базы, что приводит к смещению коллекторного перехода в прямом направлении. В данной схеме время восстановления несколько больше, чем в схеме (1), где накопления объемного заряда в коллекторной области не происходит.

5. Используется переход коллектор-база. Эмиттер разомкнут.

- Максимально допустимое обратное напряжение максимально и составляет 20 – 50 В;

- Обратный ток I_обр определяется суммой обратного тока коллекторного перехода и обратного тока изолирующего перехода. В данной схеме он имеет достаточно большое значение;

- Максимально допустимый прямой ток I_пр – достаточно большой;

- Проходная (шунтирующая) емкость C_д определяется суммой емкостей коллекторного и изолирующего переходов и имеет достаточно большое значение;

- Паразитная емкость диода на подложку C_п в основном определяется емкостью изолирующего коллекторного перехода;

- Постоянная времени восстановления обратного сопротивления t_д определяется временем рассасывания объемного заряда в базовой и эмиттерной областях. Эмиттер, работающий в режиме холостого хода, вследствие инжекции неосновных носителей заряда приобретает небольшой потенциал, смещающий его в прямом направлении. Поэтому в данной схеме время восстановления будет больше, чем в схеме с замкнутым эмиттером.

Такие диоды применяются в схемах, где требуется получить достаточно большие прямой ток и напряжение пробоя.

Интегральные резисторы

Резисторы в составе ИМС характеризуются следующими параметрами:

1. Номинальное сопротивление;

2. Допуск на сопротивление;

3. Температурный коэффициент сопротивления;

4. Мощность рассеяния.

Конкретное сочетание параметров зависит от специфики решаемой задачи, поэтому для удовлетворения разнообразным требованиям применяются различные технологии. Резисторы в полупроводниковых ИМС изготавливаются на основе:

1. Диффузионных слоев в объеме подложки – диффузионные резисторы;

2. Напыления тонких пленок на изолирующий слой двуокиси кремния – совмещенные резисторы;

3. Ионного легирования.

Диффузионные резисторы формируются на основе диффузионных слоев, толщина которых намного меньше их ширины и длины. Изоляция резисторов от объема полупроводника осуществляется обратно смещенным p-n переходом. В целях снижения производственных затрат для реализации резисторов используются технологические операции создания транзисторных структур. Соответственно резисторы могут быть сформированы в базовой, эмиттерной, коллекторной областях. Поскольку параметры диффузионных слоев оптимизируются для получения наилучших характеристик транзистора, расчет резисторов сводится к определению длины и ширины. Минимальная ширина резистора определяется разрешающей способностью процесса фотолитографии.

Резисторы, сформированные в базовой области, характеризуются следующими параметрами:

- Удельное поверхностное сопротивление 100 – 300 Ом/кв.;

- Разброс сопротивлений 5% - 20%;

- ТКС ±(1.5 – 3)×10^-3 1/⁰С;

- Паразитная емкость 100 – 350 пФ/мм²;

- Коэффициент формы 10 – 50;

- Удельная рассеиваемая мощность до 50 мВт/мм².

Резисторы на основе коллекторной области характеризуются следующими параметрами:

- Удельное поверхностное сопротивление 200 Ом/кв.;

- Разброс сопротивлений 25% - 30%;

- ТКС ±(2 – 4)×10^-3 1/⁰С;

- Паразитная емкость 80 – 100 пФ/мм²;

- Коэффициент формы 10 – 50;

- Удельная рассеиваемая мощность до 50 мВт/мм².

Резисторы на основе эмиттерной области характеризуются следующими параметрами:

- Удельное поверхностное сопротивление 2 – 3 Ом/кв.;

- Разброс сопротивлений 15% - 20%;

- ТКС ±(1 – 5)×10^-4 1/⁰С;

- Паразитная емкость 1000 – 1500 пФ/мм²;

- Коэффициент формы 10 – 50;

- Удельная рассеиваемая мощность до 50 мВт/мм².

Для реализации резисторов большого сопротивления используются структуры на основе базовой области, ограниченной эмиттером (пинч-резисторы). Они позволяют получить параметры:

- Удельное поверхностное сопротивление до 3000 Ом/кв.;

- Разброс сопротивлений до 100%;

- ТКС ±(1.5 – 3)×10^-3 1/⁰С;

- Паразитная емкость 1000 – 1500 пФ/мм²;

Высокий ТКС диффузионных резисторов обусловлен температурной зависимостью подвижности носителей заряда (электроной и дырок) и концентрации примесей; он положителен и увеличивается с ростом температуры. При увеличении удельного поверхностного сопротивления ТКС также увеличивается.

Обеспечение допусков на сопротивление обеспечивается точностью технологических процессов. Каждая операция вносит свой вклад в погрешность сопротивления:

- Изготовление фотошаблонов и фотолитография. Вносит вклад в погрешность сопротивления на уровне 1%, обеспечивает разброс сопротивлений в группе на уровне 1%.

- Травление. Вносит вклад в погрешность сопротивления на уровне 2%, обеспечивает разброс сопротивлений в группе на уровне 1%.

- Диффузия. Вносит вклад в погрешность сопротивления на уровне 7%, обеспечивает разброс сопротивлений в группе на уровне 1%.

Таким образом, наименьшие пределы допусков можно получить на отношение сопротивлений. По этой причине ИМС строятся так, что основное влияние на их характеристики оказывают отношения сопротивлений, а не абсолютные значения.

Резисторы, изготовленные методом ионного легирования, обеспечивают следующие параметры:

- Удельное поверхностное сопротивление от 500 Ом/кв. до 20 кОм/кв.;

- Разброс сопротивлений до 6%;

- ТКС ±(0.5 – 1)×10^-3 1/⁰С;

Таким образом, ТКС ионно-легированных резистров в 4 – 5 раз меньше, чем диффузионных. Такие резисторы используются для изготовления прецизионных делителей и аттенюаторов, а также в микромощных схемах.

Конструкции и параметры пленочных резисторов в совмещенных ИМС схожи с элементами гибридных ИМС. Паразитная емкость на землю у совмещенного резистора будет значительно больше, что обусловлено небольшой толщиной защитного слоя окисла.

Интегральные конденсаторы

В полупроводниковых ИМС используются два типа конденсаторов: на основе p-n переходов (диффузионные) и на основе структуры металл-окисел кремния-полупроводник (МОП).

Диффузионные конденсаторы на основе p-n переходов имеют следующие ососбенности:

- диапазон изменения их параметров сильно ограничен, т.к. параметры переходов оптимизируются для получения наилучших характеристик транзисторов;

- наличие паразитного диода требует соблюдения полярности включения;

- емкость зависит от запирающего напряжения;

- их добротность невысока по причине наличия тока утечки обратно смещенного перехода.

Таким образом, эквивалентная схема диффузионного конденсатора может быть получена с использованием эквивалентной схемы обратно смещенного диода.

Конденсаторы могут быть реализованы на основе изолирующего, эмиттерного, коллекторного переходов, параллельного соедининения эмиттерного и коллекторного переходов. Выбор типа перехода определяется требуемым сочетанием параметров:

1. Номинальная емкость С;

2. Удельная емкость С₀;

3. Технологический разброс емкостей dС;

4. Рабочее напряжение Uр;

5. Температурный коэффициент емкости ТКЕ;

6. Добротность Q.

В диффузионных конденсаторах в качестве диэлектрика используется область объемного заряда p-n перехода, при этом удельная емкость определяется шириной области объемного заряда. Поскольку ширина области зависит от характера распределения примесей в прилегающих к переходу областях, то параметры конденсатора зависят от способа формирования перехода (переход с резким или линейным перепадом концентрации примесей) и от величины запирающего напряжения. Максимальная емкость соответствует нулевому смещению. В общем случае такую зависимость можно описать соотношением:

где k – коэффициент пропорциональности, U – напряжение, приложенное к переходу, n – коэффициент, зависящий от характера перепада концентрации примесей (n=1/2 для ступенчатого перехода, n=1/3 для плавного перехода).

Конденсаторы на основе изолирующего перехода характеризуется следующим сочетанием параметров:

1. Рабочее напряжение Uр от 0 до -10 В;

2. Напряжение пробоя до 50 – 70 В

2. Удельная емкость С₀ в пределах от 50 пФ/мм² (Uр=-10 В) до 250 пФ/мм² (Uр=0);

3. Температурный коэффициент емкости ТКЕ порядка 2×10^-4 1/⁰С;

4. Технологический разброс емкостей dС порядка 15 – 20 %;

5. Добротность Q порядка 5 – 10.

Конденсаторы на основе коллекторного перехода характеризуется следующим сочетанием параметров:

1. Рабочее напряжение Uр от 0 до -10 В;

2. Напряжение пробоя 20 – 50 В

2. Удельная емкость С₀ в пределах от 90 пФ/мм² (Uр=-10 В) до 320 пФ/мм² (Uр=0);

3. Температурный коэффициент емкости ТКЕ порядка 2×10^-4 1/⁰С;

4. Технологический разброс емкостей dС порядка 15 – 20 %;

5. Добротность Q порядка 5 – 10.

Конденсаторы на основе эмиттерного перехода характеризуется следующим сочетанием параметров:

1. Рабочее напряжение Uр от 0 до -5 В;

2. Напряжение пробоя 5 – 10 В

2. Удельная емкость С₀ в пределах от 640 пФ/мм² (Uр=-5 В) до 1400 пФ/мм² (Uр=0);

3. Температурный коэффициент емкости ТКЕ порядка 2×10^-4 1/⁰С;

4. Технологический разброс емкостей dС порядка 15 – 20 %;

5. Добротность Q порядка 1 – 5.

В МОП-конденсаторах в качестве нижней обкладки используется n+-слой, верхней – пленка алюминия, диэлектрика – двуокись кремния. Толщина пленки двуокиси обычно лежит в пределах 0.08 – 1 мкм. Такие конденсаторы характеризуются следующими параметрами:

1. Рабочее напряжение Uр до 50 В;

2. Напряжение пробоя до 50 В;

2. Удельная емкость С₀ в пределах до 650 пФ/мм²;

3. Температурный коэффициент емкости ТКЕ???;

4. Технологический разброс емкостей dС порядка ±10 %;

5. Добротность Q порядка 10 – 100.

Методы реализации контактных соединений ИМС

Пайка выводов ИМС

Пайка – это неразъемное соединение, образованное физико-химическим взаимодействием расплавленного и затем охлажденного материала (припоя) и соединяемых деталей.

С точки зрения пайки соединяемые детали характеризуются тремя основными параметрами – смачиваемостью, паяемостью, способностью образовывать интерметаллические соединения.

Смачиваемость – это способность соединяемых деталей вступать в физико-химическое взаимодействие с припоем. Хорошая адгезия может возникнуть только в том случае, если припой хорошо смачивает соединяемые поверхности. Степень смачиваемости обычно оценивается по краевому углу. Краевой угол – это угол между соединяемой поверхностью и касательной к поверхности капли припоя в точке соприкосновения припоя и детали (рис. ()). При хорошей смачиваемости этот угол близок к 180⁰, при плохой – к 0⁰. Основные факторы, влияющие на смачиваемость:

- Температура пайки;

- Время выдержки при температуре пайки;

- Химический состав газовой среды при пайке;

- Текучесть припоя;

- Сила поверхностного натяжения припоя при температуре пайки

- Вид контактируемых материалов;

- Шероховатость поверхности;

- Наличие загрязнений на поверхности.

Основным фактором, ухудшающим смачиваемость, является наличие загрязнений. Загрязнения образуются при окислении поверхности и при попадании посторонних веществ. Посторонние вещества удаляются путем промывки соединяемых деталей в этиловом спирте или ацетоне. Оксидная пленка разрушается с помощью флюсов. При этом флюс должен также защищать поверхности от окисления во время пайки. Основные требования к флюсам можно сформулировать следующим образом:

- Хорошая смачиваемость загрязненных поверхностей;

- Возможность легкого удаления после пайки;

- Отсутствие химического взаимодействия с припоем и соединяемыми деталями;

- Хорошая защита от окисления в процессе пайки;

- Высокое электрическое сопротивление.

В качестве флюсов наиболее широко используется раствор сосновой канифоли в этиловом спирте. Канифоль плавится при температуре около 150 ⁰С, хорошо удаляет окислы и растекается во время пайки, образуя защитную пленку. После пайки канифоль удаляется органическими растворителями.

Также применяется пайка в среде разогретого водорода или смеси водорода и азота (формиргаза). Водород является хорошей восстановительной средой, разрушающей многие окислы и защищающей поверхности во время пайки. Однако его применение ограничено, во-первых, по причине сложности технологического оборудования, и, во-вторых, ввиду его реакции с некоторыми резистивными пленками, что приводит к изменению сопротивления резисторов.

Паяемость – это способность соединяемых деталей и припоя образовывать паяный шов. Паяное соединение образуется по двум механизмам:

- Поверхностное сцепление (адгезия) припоя;

- Сплавление припоя с поверхностью детали и диффузия припоя.

По преобладанию того или иного механизма припои классифицируются на мягкие (преобладает адгезия, скорость диффузии мала) твердые (преобладает сплавление и диффузия). Мягкие припои имеют температуру плавления от 90 до 400 – 450 ⁰С, твердые – выше 500 ⁰С. В качестве материалов металлических припоев используются, как правило, сплавы.

Интерметаллические соединения образуются при диффузии материала паяемой детали в расплавленный припой. Посторонние примеси изменяют физико-химические свойства припоя, причем, как правило, в худшую сторону. Так, например, примесь золота в оловянно-свинцовом припое делает его хрупким и повышает температуру плавления, серебро также увеличивает хрупкость. В мягких припоях взаимная диффузия минимальна, поэтому они могут применяться для пайки широкой номенклатуры материалов. В твердых припоях, ввиду преобладания механизма диффузии, примесь паяемого материала не должна ухудшать свойства припоя. Это достигается за счет того, что в состав припоя входит достаточно большое количество металла, из которого состоит паяемая деталь.

Сплав Розе имеет температуру плавления 90 ⁰С, применяется для пайки медных, латунных, серебряных, золотых поверхностей. Его применение ограничено всвязи с невысокой механической прочностью и слишком низкой температурой плавления, которая ограничивает диапазон температур при эксплуатации изделия.

Припой оловянно-свинцовый (ПОС) имеет температуру плавления то 180 до 270 ⁰С, в зависимости от процентного соотношения олова и свинца. Наиболее широко распространен припой ПОС-61, который содержит 61% свинца. Эти припои применяются для пайки деталей из меди и медьсодержащих сплавов, сплавов олова, висмута, никеля.

Сплавы золото-германий и золото-кремний имеют температуру плавления от 300 до 450 ⁰С. Применяются для пайки золотых поверхностей.

[Далее Материал недописан, требуется изучение рекомендованной литературы]

Инструмент для получения паяного соединения

Пайка в термических установках

Вырубка деталей из припоя, трафаретная печать

Пайка электрическим нагревом

Через соединение пропускается импульс тока

Пайка электрическим паяльником

Пайка газовым паяльником

Основные способы контроля качества паяного соединения

Визуальный контроль поверхности проводится под микроскопом проводится обычно при 16-кратным увеличении. При этом контролируется наличие щелей, отверстий, непропаянных участков. Также проверяется мениск, который должен быть четко выраженным. Достоинство способа – предельная простота, недостаток – невозможность обнаружения скрытых дефектов.

Визуальный контроль шлифа позволяет обнаруживать поры и контролировать растекание припоя под соединяемыми поверхностями.

Контроль теплового сопротивления паяного соединения. Наиболее актуальным является обеспечение заданного теплового сопротивления при монтаже подложек, поскольку оно сильно влияет на температурный режим схемы при эксплуатации.

Контроль механической прочности на разрывном стенде. При этом определяется усилие разрыва и изучается характер разрушения шва. Поскольку данный вид контроля является разрушающим, он проводится выборочно.

Сварка выводов ИМС

Сварка – это получение неразъемного соединения давлением или плавлением. Сварное соединение образуется в несколько этапов: разрушение оксидных пленок на соединяемых поверхностях, сближение поверхностей на расстояния, сравнимые с размерами кристаллической решетки, диффузия, образование химических связей. По способу получения сварного соединения различается сварка плавлением и сварка давлением. При сварке давлением производится при пластической деформации соединяемых деталей. При этом за счет деформации разрушаются хрупкие пленки окислов, и происходит сближение идеально чистых поверхностей. При сварке плавлением образуется путем локального плавления материалов. При этом происходит спонтанное слияние материалов без приложения давления.

Способы получение сварного соединения

Термокомпрессия

Термокомпрессионная сварка производится с помощью давления и подогрева. При приложении давления происходит деформация одной из деталей. В ходе деформации разрушаются тонкие окисные пленки на соединяемых поверхностях, и их осколки частично вытесняются из зоны контакта, а частично – залегают в микровпадины. Также происходит вытеснение адсорбированных газов. При контакте микровыступа поверхности с деформирующейся деталью возникает возможность образования межатомных связей, для чего требуется повышение энергии атомов, при которой будут преодолены силы межатомного отталкивания. Повышение энергии производится нагревом и пластической деформацией. При повышении температуры атомам сообщается дополнительная энергия, а также уменьшается твердость деформирующегося материала. Уменьшение твердости металла облегчает растрескивание хрупких окисных пленок, таким образом, увеличивается поверхность соприкосновения.

Термокомпрессионное соединение образуется вследствие протекания трех основных процессов: ползучесть, рекристаллизация, диффузия. Диффузионный процесс имеет место в очень ограниченной области, поскольку температура сварки относительно невысока, а время – небольшое. Основную роль в создании прочного соединения играют ползучесть и рекристаллизация. Ползучесть увеличивается с ростом температуры и увеличением давления. Рекристаллизация ускоряется с ростом температуры.

Нижняя граница температуры лежит в области начала рекристаллизации (отжига). Верхняя граница температуры определяется самой низкой температурой образования эвтектических сплавов. Нижняя граница давления определяется точкой начала пластической деформации. Верхняя граница давления определяется началом разрушения материала. Как правило, деформация составляет не более 50%. Таким образом, существует оптимальное соотношение давления и температуры для определенного сочетания материалов, при котором получается наиболее прочное соединение. Это соотношение подбирается опытным путем, и в процессе производства должно тщательно соблюдаться и контролироваться.

Сварочный инструмент

Шариковая термокомпрессия

Шарик на конце вывода получается при оплавлении в водородном пламени или прикосновении к электрическому разряднику. При использовании водородного пламени можно сформировать шарики на обоих концах проволоки. Разрядник формирует шарик только на том конце проволоки, который выходит из капилляра. При этом второй конец приваривается внахлест, и проволока обрывается иглой. Достоинство метода – наиболее высокая производительность, недостаток – требуется большой диаметр проволоки (более 20 мкм), что ограничивает минимальные размеры контактных площадок и полупроводниковых кристаллов.

Клиновая термокомпрессия

Термокомпрессия сшиванием

Способы нагрева термокомпрессионного соединения

(столик, инструмент, СКИН – сварка косвенным импульсным нагревом, столик и инструмент)

Основные достоинства термокомпрессии – возможность соединения металлов в твердом состоянии при сравнительно низких температурах без флюса, достаточно высокая технологичность, возможность визуального контроля качества соединения, простота подбора режимов сварки.

Основные недостатки – ограниченное число пар соединяемых металлов, высокие требования к чистоте соединяемых поверхностей, невысокая производительность.

Ультразвук

Рост площади контакта, разрушение окисных пленок, нагрев металла в зоне контакта.

Принцип действия, процессы, протекающие в зоне контакта

Основные параметры технологического процесса

Инструмент

Микросварка

Принцип действия

Разновидности и инструмент (двухсторонняя двумя электродами, односторонняя двумя электродами, расщепленным электродом)

Достоинства и недостатки

Дефекты сварных соединений

Дефекты сварных соединений можно разделить на три группы:

1. Химическое разрушение из-за неправильного выбора пары свариваемых материалов

2. Растрескивание металлической пленки на границе контактной площадки с последующим перегоранием в процессе эксплуатации

3. Попадание загрязнений в зону контакта и последующее разрушение соединения в процессе эксплуатации

4. Образование хрупких интерметаллических соединений между проволокой и контактной площадкой с последующим образованием микротрещин и разрушением соединения.