Многослойные структуры

Материалоемкость. Для монтажа бескорпусных БИС до последнего времени применялась золотая проволока диаметром 30—40 мкм. Тем не менее расход золота в этом случае более чем в 10 раз меньше, чем для корпусных ИМС, используемых для ответственных изделий (керамические корпуса) — табл. 2.8. Других драгоценных металлов и дефицитных материалов, как ковар, вольфрам и т. п., при использовании бескорпусных ИМС не применяется. Еще более разителен эффект для бескорпусных ИМС с жесткими организованными выводами. Необходимо заметить, что для установки микрокорпусов применяются, как было отмечено, многослойные керамические платы и толстопленочные платы, в которых для создания коммутационных элементов преимущественно используются молибден, серебро, палладий и др. Экономия при создании блока на базе бескорпусных ИМС за счет минимизации конструкционных элементов жесткости, теплоотвода, коммутационных плат по сравнению с корпусными ИМС составляет в зависимости от функциональной сложности и назначения аппаратуры нержавеющей стали —• 1—5,0 кг, меди — 0,5—3 кг и т. д. Заключая сравнительный анализ конструкционных характеристик ААЭА на бескорпусной и корпусной элементной базе, можно сделать вывод о перспективности дальнейшего развития конструктивно-технологического направления монтажа с использованием бескорпусных ИМС (БИС и СБИС) и о постепенном переходе на эти принципы проектирования и производства МЭА любого назначения.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют коммутационные платы на основе полиимидных пленок, установленных на анодированные алюминиевые основания. Применяют также многослойные керамические платы (в основ-

§ 3.3. Многослойные керамические платы

Многослойные керамические платы для ячеек МЭА изготавливаются спеканием алунда со стеклом при температуре около 1500° С. Поэтому проводники делают из паст, содержащих тугоплавкий материал —молибден, хотя он име-

В табл. 4.5 приведены значения ВН в паяных местах при посадке керамических микрокорпусов на многослойные керамические платы, а также число отказавших соединений после 200 термоциклов (330 — 400 К) в зависимости от типов применяемых припоев. При пайке корпусов чаще всего используется припой ПОС-61 (59—61 % олова, остальное — свинец, температура плавления 183 — 190°С).

§ 3.3. Многослойные керамические платы..... 64

Упоминавшиеся уже многослойные керамические коммутационные платы получаются соединением нескольких слоев сырой глиноземистой массы. На каждый такой листик пастой наносится рисунок соединений данною слоя. Междуслойные переходы осуществляются через

Проектирование коммутационных плат с многослойной разводкой осуществляют машинными методами. Например, система автоматизированного проектирования «Топаз» позволяет проектировать многослойные керамические платы размером 100x120 мм с числом устанавливаемых бескорпусных БИС до 250 при общем числе контактов всех корпусов на одной плате до 3000. Система позволяет разводить до 18 слоев многослойной платы.

По конструктивно-технологическому принципу корпусы разделяются на следующие основные типы: металлостеклянные, металлополи-мерные, полимерные, однослойные и многослойные керамические, многокристальные, чашечные, безвыводные (носители) подложки для безвыводных корпусов и кристаллов. Каждый из перечисленных типов корпусов может быть выполнен для гибридных, полупроводниковых или многокристальных схем.

Многослойные керамические корпуса получили наибольшее распространение, так как практически удовлетворяют большинству требований. Как правило, они имеют три основных слоя ( 10.6, а, б, в): верхний / — с металлизацией для закрепления рамки; средний 2 — с металлизированными проводниками 7, соединяющими выводы микросхемы с выводами корпуса 4 и нижний 3 — с металлизированной площадкой для посадки кристалла и ответвлением для ее заземления. Площадка 8 предназначена для припайки выводов от микросхемы. После спекания слоев керамики с нанесенной металлизацией к основанию корпуса припаивают раму 5 и внешние вы-воды 4. После монтажа кристалла корпус герметизируется крышкой 6 и припоем 9. Общий вид такого корпуса изображен на 10.6, б, где 10 — монтажная площадка для микросхемы; 11 — металлизированная площадка для теплоотвода. На 10.6, в утолщенными линиями изображена форма метал-лизационных покрытий на слоях корпуса. Аналогичный по

В качестве подложек для гибридных толстопленочных ИМС используется алюмокерамика. Поскольку -большую часть подложки занимают проводящие или резистивные слои, то активные элементы приходится располагать менее плотно, чем позволяет остальная часть конструкции. Чтобы преодолеть указанное затруднение и повысить плотность монтажа в этих ИМС, стали использовать многослойные керамические подложки.

При использовании толстопленочной технологии с помощью трафаретной печати создают изоляционные и проводящие слои, которые затем вжигают в основание. Так как керамика в неотожженном состоянии допускает механическую обработку для получения монтажных отверстий, то появляется возможность методом послойного наращивания формировать многослойные структуры с межслойными проводящими переходами. Метод обеспечивает высокую надежность изделий и производительность процесса без применения дорогостоящего оборудования. Однако при изготовлении многослойных проводящих структур требуются материалы со ступенчатыми температурами вжигания. Применение сырых керамических пленок позволяет параллельно изготавливать слои МПП. Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрессовываются при температуре 75. . .100°С, а затем спекаются при 1500 ... 1800°С. Скорость повышения температуры должна быть оптимальной и не приводить к растрескиванию подложки. Существенное уменьшение линейных размеров (на 17 ... 20 %) требует точного расчета при первоначальном нанесении рисунка на сырые листы.

Металлические платы применяются в изделиях с большой токовой нагрузкой, работающих при повышенных температурах. В качестве основы используется алюминий или сплавы железа с никелем. Изолирующий слой на поверхности алюминия получают анодным оксидированием. Варьируя состав электролита и режим электролиза, можно формировать оксидные пленки толщиной от нескольких десятков до сотен микрон с сопротивлением изоляции 109 ... 1010 Ом. На стальных основаниях изолирование токопроводящих участков осуществляют с помощью специальных эмалей, изготавливаемых в виде тонких пленок. В состав эмалей входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия, алюминия или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленка соединяется с основанием путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Таким образом можно создавать многослойные структуры с различными механическими и электрическими характеристиками.

Из полученных таким образом пленок с двусторонней коммутацией можно создавать многослойные структуры путем спаивания слоев в вакууме ( 2.10). Размеры таких оснований (по зарубежным источникам) могут достигать 406 х 355 мм и ограничиваются оборудованием для напыления проводящего слоя. Расчетами установлено, что использование оснований на многослойных полиимидных пленках (МПП ПИ) позволяет получить (при установке на них бескорпусных ИС) плотность компоновки узла не меньшую, чем на кремниевой пластине, но при лучших экономических показателях, так как применение узлов, выполненных полностью на кремниевых пластинах, выгодно в том случае, когда процент выхода годных составляет более 80% для кристаллов размером 5x5 мм и более 90...95 % для кристаллов размером 7x7 мм. Известны МПП ПИ с числом слоев до 30.

Научно-технический прогресс немыслим без электроники, в частности микроэлектроники. В современной микроэлектронике широко применяют полупроводниковые материалы и многослойные структуры, на основе которых изготавливаются различные полупроводниковые приборы и микросхемы. Дальнейшее совершенствование технологии производства полупроводниковых материалов связано с повышением эффективности лабораторного и промышленного контроля их качества. От этого зависят и размеры технологических потерь на различных этапах произведет за, и материальные затраты на производственный контроль их качества. Поэтому оснащение промышленности высокоточными и производительными средствами измерений, разработка и освоение прогрессивных, неразрушающих методов контроля непосредственно связаны с проблемой повышения экономической эффективности гроизводства полупроводниковых материалов и структур.

Полупроводниковые соединения обычно имеют высокое давление пара легколетучего компонента при температурах диффузии, поэтому методами селективной эпитаксии из них можно получать многослойные структуры необходимой конфигурации с заранее определенными свойствами. Дальнейшее совершенствование эпитаксиальных методов уже в ближайшее время позволит исключить диффузионные процессы в производстве полупроводниковых приборов и микросхем на основе арсенида галлия и других полупроводников типа AnlBv.

Эпитаксию GaAs и твердых растворов на его основе в газовой фазе можно проводить в системах хлоридного и хлоридно-гидридного типа при использовании водорода в качестве газа-носителя. Основные преимущества этого метода заключаются в простоте используемой аппаратуры; возможности управлять процессом роста слоя путем изменения скорости потока и концентрации соединения-транспортера; легировать слои различными примесями; получать многослойные структуры в непрерывном процессе;

Многослойные структуры. В описанных в данной главе структурах все транзисторы располагались в одном и том же тонком приповерхностном слое, который можно назвать активным слоем кристалла микросхемы. Важным направлением трехмерной микроэлектроники являются многослойные структуры, содержащие не один, а несколько активных слоев, в которых транзисторы размещаются один над Другим в несколько «этажей». Степень интеграции микросхемы пропорциональна числу активных слоев. Пока разработаны опытные образцы только двухслойных структур.

Многослойные структуры с несколькими p-n-переходами получают, повторяя процессы, рассмотренные в предыдущем параграфе: окисление, формирование маски, диффузию донорнык или акцепторных примесей в микрообласти. Пример многослойной структуры приведен на 21.10.

Интегральные диоды представляют собой многослойные структуры, характеристики которых определяются схемой включения транзисторной структуры. Определенное влияние оказывают паразитные транзисторы, которые образуются из-за взаимодействия рабочих слоев с подложкой ИМС. В частности, ток утечки диода в подложку определяется током коллектора паразитного транзистора. Из-за наличия тока утечки входной ток интегрального диода всегда отличается от выходного тока. Быстродействие интегрального диода, определяемое зарядными емкостями переходов и временем рассасывания, также зависит от схемы включения.

Во всех остальных диодах, представляющих собой многослойные структуры, влияние паразитного транзистора сказывается настолько существенно, что без устранения их активного действия (например, путем легирования золотом) невозможно уменьшить токи утечки, достигающие заметного значения.

Используемые в ИМС электронные ключи на биполярных транзисторах также представляют собой многослойные структуры, на работу которых заметно влияют паразитные транзисторы.