Технологический процесс изготовления платы ИМС полосового фильтра (на основе тонкопленочного изготовления)

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Общие вопросы проектирования 7
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА 10
3. КОНСТРУКЦИИ ИМС И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА 15
3.1 Элементы пленочных ИМС 17
3.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС 20
3.3. Технологический маршрут изготовления тонкопленочных 21
гибридных микросхем (ГИМС) 21
3.4 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ИМС И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 23
4. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС 25
4.1. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ РЕЗИСТОРОВ 25
4.1.1. Расчет пленочных резисторов 25
4.1.2 Расчет прямоугольных полосковых тонкопленочных резисторов 30
4.1.3. Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сложной формы (kф >10) 34
4.2. РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРОВ 37
4.2.1. Тонкопленочные конденсаторы 37
4.3. МЕЖСОЕДИНЕНИЯ, КОНТАКТНЫЕ ПЛОЩАДКИ 45
4.3.1. Конструирование пленочных контактов 45
4.3.2. Переходное сопротивление в контактных парах
4.3.3. Электрические свойства проводящих слоев 49
5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ИМС И МИКРОСБОРОК 51
5.1. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ 52
5.1.1. Конструктивно-технологические ограничения 56
при проектировании тонкопленочных интегральных микросхем 56
5.2. ВЫБОР ИЛИ РАЗРАБОТКА КОРПУСА 62
5.3. ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ 64
5.4. Обеспечение влагозащиты микросхем 73
Заключение 76
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 77

ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных достижений микроэлектроники является создание на основе фундаментальных и прикладных наук новой элементной базы – интегральных микросхем.
Развитие вопросов проектирования и совершенствование технологии позволило в короткий срок создать высокоинтегрированные функциональные узлы, например в виде больших (БИС), сверхбольших (СБИС), ультрабольших (УБИС) микросхем и программируемых устройств – микропроцессоров.
Интегральные изделия имеют малые габариты, экономное потребление энергоресурсов, низкую стоимость и высокую надежность, что позволило развить электронику в интегральную и функциональную микроэлектронику, далее в наноэлектронику.
Это в свою очередь создает базу интенсивного развития современного общества во всех сферах (медицина, информатика, автоматизация техпроцессов и др.).
...

1. Общие вопросы проектирования
Технические условия (ТУ) на интегральные микросхемы (как и на другие изделия электронной техники) представляют собой комплекс основных требований, которым они должны удовлетворять. В состав требований входят выходные параметры, условия эксплуатации, хранения и др. Технические условия могут быть общие (ОТУ), частные (ЧТУ), временные (ВТУ) и некоторые другие. Общие ТУ устанавливают требования ко всем типам ИМС опытного, серийного и массового производства. Частные ТУ регламентируют нормы и параметры каждого типа и серии ИМС, устанавливают (уточняют) параметры и режимы испытаний, специальные и дополнительные требования. Для вновь проектируемых ИМС (отсутствие опыта эксплуатации) устанавливают временные требования для опытной партии или установленного объема выпуска. ОТУ и ЧТУ взаимосвязаны, поскольку дополняют друг друга.
...

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
Исходным документом при курсовом проектировании является техническое задание, включающее схему электрическую принципиальную, перечень элементов, функциональное назначение узла, его выходные электрические параметры. Начальным этапом работы над проектом является анализ технического задания в отношении назначения узла, его выходных параметров, рассматривается его возможная техническая реализация.
Тип микросхемы. В первую очередь рассматривается возможность реализации элементов электрической схемы по полупроводниковой технологии. Массовость и крупносерийность, являвшиеся ранее основным критерием в пользу полупроводниковой ИМС, в настоящее время не являются основными. Современные методы элионной обработки (электронная литография, имплантация) создают приемлемые условия для выполнения малых и больших партий ИМС.
...

3. КОНСТРУКЦИИ ИМС И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Интегральная микросхема (ИМС) – вполне установившийся термин, означающий конструктивно законченное изделие микроэлектронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки информации (сигнала), изготовленное в едином технологическом цикле, воспринимаемое (неразделимой частью) как компонент в устройстве электронной техники.
Интегральные микросхемы чаще всего имеют ряд общих конструктивных признаков (рис. 2.1.1).

Основной, определяющей тип ИМС, частью является подложка или кристалл 1. В ней или на ее поверхности формируются элементы, реализующие схемотехническую задачу. Корпус 2, крышка 3, внешние 4 и гибкие 5 выводы выполняют ряд вспомогательных задач: защиту от внешних воздействий, коммутацию входных и выходных сигналов, удобство монтажа и т.п. В зависимости от типа подложки и способа реализации элементов* различают полупроводниковые и пленочные ИМС.
...

3.1 Элементы пленочных ИМС
Пленочные транзисторы использовались до настоящего времени ограниченно ввиду низкой воспроизводимости выходных параметров. Развитие молекулярно-лучевой эпитаксии, проработка технологии
активных элементов на поликристаллическом и аморфном кремнии позволят в дальнейшем восполнить этот пробел. Однако в настоящее время в пленочных ИМС используются полупроводниковые транзисторы и диоды
как компоненты, т.е. сборочные единицы, выполняемые в отдельном технологическом процессе.
Пленочные резисторы как элементы различаются большим конструктивным разнообразием и частично представлены на рис. 2.1.14.

При использовании различных резистивных материалов и выбранных топологий в пленочном исполнении можно выполнять широчайший диапазон номинальных значений. Если требуется высокая точность выходных параметров, то можно использовать последующую подгонку.
...

3.3. Технологический маршрут изготовления тонкопленочных
гибридных микросхем (ГИМС)
Технология содержит ряд операций выполнения тонкопленочных пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки и др.) методами нанесения материала на поверхность неактивной подложки.
Активные составляющие выполнены в виде компонентов, изготовленных по технологии полупроводниковых ИМС и после создания пассивной части микросхемы производится их монтаж на поверхность подложки.
Основные этапы выполнения пленочных элементов (резисторов, конденсаторов) гибридных тонкопленочных микросхем приведены на рис. 2.2.4.
Используемые подложки – стекло, керамика, ситалл, например СТ50-1 с односторонней рабочей поверхностью. Их очистка включает обезжиривание изопропиловым спиртом, трихлорэтиленом, промывка деионизованной водой, сушка центрифугой.
На первом этапе выполняют пленочные резисторы.
...

3.4 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ИМС И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Конструкцию ИМС определяют исходя из ряда разноплановых исходных данных, к наиболее важным среди них относятся следующие.
1. Физические возможности выполнения заданных функций в одном из вариантов известных конструкций (пленочные, полупроводниковые, гибридные): имеется в виду реализация номинальных значений элементов электрической схемы в каком-либо из вариантов конструкций.
2. Технологические возможности: имеются освоенные технологические процессы, есть возможность размещения заказа на предприятиях с теми или иными техпроцессами и т.д.
3. Экономическая целесообразность: нужна достаточно большая партия изделий для полупроводниковых ИМС, наличие элементной базы и ее стоимость для гибридных ИМС и др.
4. Совместимость с общей конструкцией конечной продукции.
...

4. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
К пассивным элементам ИМС относятся резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки и элементы с распределенными параметрами.
Резисторы выполняются в полупроводниковых и пленочных микросхемах в широком диапазоне номиналов. Однако для больших мощностей предпочтительнее их выполнять по тонко- или толстопленочным технологиям. Конденсаторы предпочтительней включать в состав пленочных ИМС (до 5000 пФ). В полупроводниковых ИМС рационально выполнять лишь малые номиналы (10…30 пФ), что связано с большой площадью, отводимой для них на подложке, и значительным удорожанием самой ИМС. Конденсаторы микрофарадного диапазона обычно выполняются в виде дискретных компонентов, используются в гибридных ИМС и микросборках.

4.1.
...

4.1.1. Расчет пленочных резисторов
Расчет пленочных резисторов отличается от расчета полупроводниковых.
Особенностью расчета пленочных резисторов является групповое проектирование, что связано с необходимостью выбора материала резисторов. По возможности он должен быть единым для резисторов всей ИМС. Поэтому для пленочных ИМС при проектировании резисторов необходимо провести анализ номиналов резисторов, свести их в несколько групп с близкими значениями сопротивления, а затем уже выбрать для каждой группы материал.
Дальнейшая последовательность расчетов может быть определена в зависимости от конструкции приведенными ниже этапами.
1. Определяется оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки с точки зрения обеспечения минимума площади под резисторами гибридной или пленочной ИМС по формуле

где n – число резисторов; Ri – номинал i-го резистора.

4.1.2 Расчет прямоугольных полосковых тонкопленочных резисторов
Для резисторов, а именно R2, R3, R4, имеющих 1 < kф < 10, расчетное значение ширины резистора определяется из условия
bрасч > max {bтехн ; bточн ; bр }, (4.1.21)
где bрасч – минимальная ширина резистора, определяемая возможностями выбранного технологического процесса (bтехн = 0,2 мм для метода "свободной" маски и bтехн = 0,1 мм – для метода литографии);
bточн – ширина резистора, определяемая точностью изготовления:

bточн > (∆b + ∆l / kф ) / γk ф.доп ; (4.1.22)

621.6=650мкм

мкм

где ∆b, ∆l – погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от выбранного метода изготовления; ∆b = ∆l = 10 мкм для метода фотолитографии и ∆b = ∆l = 50 мкм для метода "свободной" (съемной) маски; bр – минимальная ширина резистора, при которой рассеивается заданная мощность,
(4.1.23)

=0,158
=0.185
=0.
...

4.2.1. Тонкопленочные конденсаторы
Основные конструкции пленочных конденсаторов показаны на рис. 2.1.17. Конденсаторы, которые существенно различаются по топологии и имеют некоторые различия в расчетах, приведены на рис. 4.2.1.
Общий порядок расчета по схеме (рис. 4.2.1, а) включает несколько приведенных ниже этапов.
1. Выбор материала диэлектрика по рабочему напряжению производится в соответствии с данными, приведенными в табл. 4.2.1 и в соответствии с [3]. Следует ориентироваться на материал диэлектрика с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью ε, электрической прочностью Eпр, малыми значениями ТКС и tgδ для обеспечения минимальных геометрических размеров конденсатора, тип которого приведен на рис. 4.2.1, а.

Выбираем диэлектрик Al2O3 C=500пФ

4.3.1. Конструирование пленочных контактов

Основные типовые контактные системы пленка-пленка приведены на рис. 4.5.1. Конструкция контакта, показанного на рис. 4.5.1, б, наиболее благоприятна, поскольку чаще резистивный слой 2 и контактный слой 1 выполняются в одном вакуумном цикле и имеют меньшее переходное
сопротивление.

Контакт, формируемый с использования свободной маски (рис. 4.5.1, а), выполняется чаще в различных вакуумных циклах (имеет место разгерметизация между напылением резистора и металлического контакта) и характеризуется большим переходным сопротивлением от резистивного слоя 2 к проводящему слою 1 по всей площади перекрытия и величиной перекрытия l. Просчитывается минимальная величина перекрытия для создания минимального сопротивления на переходе.
Полное переходное сопротивление контактного соединения Rпер оценивается как

Rпер = U0 / I0 , (4.5.
...

4.3.2. Переходное сопротивление в контактных парах

Максимально допустимая величина контактного сопротивления рассчитывается по формуле

и проверяется выполнение условия

Rк min < Rк доп . (4.5.7)
Если условие не выполняется, то следует увеличить ширину резистора до величины b′ (рис. 4.5.1, а),
принимая равенство Rк доп = Rк min и вычисляя далее b′ из выражения (4.5.4).
Минимальная длина переходного контакта определяется из выражения
(4.5.8)

полная длина контактного перехода с учетом ошибок совмещения в случае применения свободной маски
соответствует

lк ≥ lк min + ∆l + η ; (4.5.9)

с ≥ b + 2 (∆b + η), (4.5.10)

где l = ∆b = 0,05 мм – погрешность изготовления маски; η = 0,2 мм – погрешность совмещения.


4.5.2.
...

4.3.3. Электрические свойства проводящих слоев

Эти условия обеспечиваются при использовании в качестве проводников и контактных площадок многослойных систем: подслой – проводниковый слой – защитный слой. Подслой обеспечивает адгезию к подложке и резистивному слою проводящего материала. Проводниковый слой – необходимое удельное сопротивление, защитный – защиту от внешних воздействий и возможность присоединения внешних выводов.
В качестве подслоя обычно используют слои хрома, ванадия, нихрома с толщиной 0,01...0,05 мм, если материалами резистивного слоя являются сплавы типа РС, и только ванадий в случае напыления керметов. При
использовании хрома и нихрома в качестве резистивного слоя этот же слой выполняет и функцию адгезионного. В качестве защитного слоя используют никель толщиной 0,1...
...

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ИМС И МИКРОСБОРОК

Электрическая схема, предлагаемая для разработки ИМС или микросборки, представляет обычно законченную функциональную схему различной сложности и объема выполняемых задач, которую весьма затруднительно выполнить в рамках одной конструкции (одной ИМС, ГИС, БГИС и т.д.). В этом случае производится разделение общей электрической схемы (ЭС) на более простые составляющие также с законченными функциями.
Разделение производится с учетом ряда критериев. На каждую k-ю ИМС или БИС устанавливается ограничение по числу внешних контактов Nк. Предельное значение Nк max зависит от числа контактов выбранной
конструкции корпуса, который ограничивает площадь Sк кристалла, ограничивает мощность рассеивания Pк.
...

5.1. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ

Необходимыми данными для разработки топологии являются: схема электрическая принципиальная и перечень элементов, геометрические размеры активных полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов),
технологические ограничения.
Рекомендуется преобразовать электрическую принципиальную схему в схему соединений элементов. Для этого навесные компоненты заменяются контактными площадками, внешние контактные площадки размещаются
на двух противоположных сторонах.
Преобразование схем проводится с целью сокращения длины проводников и уменьшения количества их пересечений до минимально возможного. Далее устанавливают взаимное расположение активных
полупроводниковых или пленочных элементов и навесных компонентов.
Следующим шагом является расчет необходимой площади под ИМС или микросборку.
...

при проектировании тонкопленочных интегральных микросхем

4. При рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноименные выводы.
5. Не допускается установка навесных компонентов на пленочные конденсаторы, пленочные индуктивности и пересечения пленочных проводников; допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком.
6. Не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников; не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода через навесной компонент; проволочные проводники и гибкие выводы не должны
проходить над пленочным конденсатором.
7. Не допускается оставлять незакрепленными участки гибких выводов длиной более 3 мм; необходимо предусматривать их закрепление точками клея холодного отвердения, например, эпоксидного клея ЭД-20, ЭД-16.
...

1. Березин, А.С. Технология и конструирование интегральных микросхем / А.С. Березин, О.Р. Мочалкина. –М. : Радио и связь, 1983. – 232 с.
2. Черняев, В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров / В.Н. Черняев. –М. : Радио и связь, 1987. – 464 с.
3. Коледов, Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок : учебник для вузов / Л.А. Коледов. – М. : Радио и связь, 1989. – 400 с.
4. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование : учебное пособие для вузов / под ред. Л.А. Коледова. – М. : Высшая школа, 1984. – 231 с.
5. Пономарев, М.Ф. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров : учебное пособие для вузов/ М.Ф. Пономарев, Б.Г. Коноплев. – М. : Радио и связь, 1986.
6. Матсон, Э.А. Справочное пособие по конструированию микросхем / Э.А. Матсон, Д.В. Кржижановский.– Минск : Высш. школа, 1979. – 208 с.
7. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: учебное пособие для вузов / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. – М. : Высшая школа, 1987. – 416 с.
8. Ермолаев, Ю.П. Конструкции и технология микросхем : учебник для вузов / Ю.П. Ермолаев, М.Ф. Пономарев, Ю.Г. Крюков ; под ред. Ю.П. Ермолаева. – М. : Сов. радио, 1980. – 356 с.
9. Пономарев, О.Д. Технология микросхем : учебное пособие для вузов по спец. "Конструирование и пр-во ЭВА" / О.Д. Пономарев. – М. : Высш. шк., 1986. – 320 с.
10. Готра, З.Ю. Технология микроэлектронных устройств : справочник / З.Ю. Готра. – М. : Радио и связь, 1991. – 528 с.
11. Справочник по интегральным микросхемам / под ред. Б.В. Тарабрина. – М. : Энергия, 1981. – 816 с.
12. Полупроводниковые приборы. Транзисторы : справочник / под ред. Н.Н. Горюнова. – М. : Энегроатомиздат, 1986. – 904