Основні положення задачі курсу

Структура матеріалу  підкладки та стан її поверхні має  суттєвий вплив на структуру плівок та параметри плівкових  елементів.  Для  забезпечення  високої  надійності  плівкових  елементів  підкладки  повинні  мати  мінімальну  шорсткість  поверхні, бути без пор і тріщин. Так, при нанесенні тонких  плівок товщиною до 100 нм припустима висота нерівностей  не повинна перевищу-вати 25 нм, що відповідає 14-му класу  чистоти поверхні підкладок для тонкоплівкових ІМС. Товсті  плівки наносять  товщиною до 50 мкм,  тому  підкладки для  товстоплівкових ІМС можуть мати нерівності до 2 мкм, що  відповідає 8-му класу чистоти.   Останнім  часом  немає  такого  матеріалу  для  підкладок,  який  би  в  однаковій  мірі  задовольняв  різноманітні  вимоги.  Багато  органічних  матеріалів  не  можуть  бути  використані як  матеріал  для підкладок,  тому  що  виготовлення  плівкових елементів мікросхем проводиться у вакуумі та  при підвищених  температурах.  Виняток - лавсан ( полімерний  матеріал). Тому  для виготовлення підкладок використовують в основному скло,  кераміку, ситал та фотоситал.   Скло.  Найкращими  для підкладок є боросилікатні та  алюмосилікатні сорти скла. Шляхом листового прокату цих С сортів  скла  одержують досить  гладку  поверхню  без  полірування. Полірування зменшує мікронерівності (менше  10 нм), але воно значно дорожче, ніж листовий прокат. Крім  того,  при  поліруванні  скляних  підкладок  можуть  погіршитися  їх  поверхневі власти-вості. Недолік підкладок  із  скла - мала  теплопровідність,  що  не  дозволяє  застосовувати їх  при підвищеному нагріві.  При інтенсивному нагріві використовують скло «Пирекс», кварц та кварцове скло.   Кераміка.  Керамічними матеріалами для підкладок тонкоплівкових та товстоплівкових мікросхем є кераміка на  основі  окису  алюмінію,  кераміка «Поликор»  та  берилієва  кераміка.  Важливою  перевагою  керамічних  підкладок  у  порівнянні  із  скляними  є  їх  висока  теплопровідність.  Так,  наприклад, кераміка на основі окису берилію має в 200 - 250  разів  більшу  теплопровідність,  ніж  скло.  Однак  навіть  незначна  добавка  деяких  домішок ( наприклад,  окису  алюмінію)  різко  зменшує  теплопровідність  кераміки.  До  недоліків  кераміки  слід  віднести  значну  шорсткість  поверхні.  Мікронерівності  необробленої  кераміки  можуть  складати  декілька  тисяч  ангстремів  і  дуже  зменшуються  після  полірування.  Однак  полірування  може  забруднити  поверхню  та  змінити  властивості  кераміки.  Суттєве  зниження  шорсткості  досягається  глазуруванням  поверхні  кераміки  тонким  шаром  спеціального  скла  або  тонким  шаром  окису  танталу.  При  цьому  висока  теплопровідність  керамічної  основи  поєднується  з  гладкою  поверхнею  скляної глазурі.   Ситал. Ситал - склокерамічний  матеріал, який  одер- жують шляхом термообробки (кристалізації) скла. За своїми  властивостями  ситал  перевершує  скло.  Він  добре  обробляється:  його  можна  пресувати,  витягувати,  прокатувати  та  відливати  центробіжним  способом.  Ситал  витримує  в  повітряному  середовищі  різкі  перепади температури  від -60 до +700 о С.  Він  має  високий  електричний  опір,  який  зменшується  з  підви-щенням  температури.  За  електричною  міцністю  ситал  не  поступається  кращим  сортам  вакуумної  кераміки,  а  за  механічною  міцністю  він  в  два-три  рази  міцніше  за  скло.  Ситал має високу хімічну стійкість до кислот, не пористий,  дає  незначну  усадку,  газонепроникний  і  має  малу  газовіддачу при високих температурах.   Фотоситал.  Фотоситал - матеріал,  який  одержують  шляхом  кристалізації  світлочутливого  скла.  Він  склада- ється з SiO (75%), Li 2O (11,5%), Al 2O 3 (10%) та K 2O (3,5%) з  невеликими  добавками Ag 2NO 3  та CeO 2.  Фотоситал  є  стійким  до  кислот,  він  має  високу механічну та  термічну  стійкість, його теплопровідність в декілька разів більша, ніж у ситалу. 

Питання:

З чого роблять плівкові ІМС?

Як виготовляють гібридні ІМС?

Які особливлсті плівкових  інтегральних мікросхем?

Література:

Блех  А.,  Селло  Х.,  Грегор  Л.В.  Тонкие  пленки  в интегральных схемах // Технология тонких пленок. - Т.2

 

Лекція №11

ВЕЛИКІ ІНТЕГРАЛЬНІ СХЕМИ (ВІС)

План

Загальна характеристика та основні параметри ВІС 

Класифікація та сфери  застосування ВІС 

 

 Загальна  характеристика та основні параметри ВІС 

Основною тенденцією інтегральної мікроелектроніки  є  підвищення  ступеня  інтеграції  мікросхем.  Поряд  з  цим  зростає  функціональна  складність  ІМС.  Для  сучасної  мікроелектроніки  характерна  комплексна  інтеграція:  технологічних  процесів,  елементів  на  підкладці,  схемних  функцій  у  межах  єдиної  структурної  одиниці,  нових  фізичних  явищ,  методів  проектування  й  етапів  процесу  створення  мікросхем.  Збільшення  ступеня  інтеграції  пов'язано  зі  зменшенням  розмірів  активних  і  пасивних  елементів,  удосконаленням  технології  виготовлення  й  обробки підкладок великих розмірів,  використанням нових  активних  елементів,  які  мають  технологічні  та  функціональні переваги і підвищену надійність. Збільшення  числа  елементів  і  зростання  функціональної  густини  обумовили  створення  мікро-схем  з  високим  ступенем  інтеграції - великих інтегральних схем (ВІС).   Основними  параметрами,  що  характеризують  конструктивно-технологічні і схематичні особливості ВІС, є  ступінь  інтеграції,  функціональна  складність,  інтегральна  густина, функціональна густина і інформаційна складність.   Функціональна  складність  - середнє число перетво- рень у мікросхемі, що припадають на одну змінну:   

,

де  - кількість однокаскадних логічних елементів  в  інтегральній  мікросхемі;  - кількість  розгалужень  на  виході кожного і-го каскаду; n - кількість змінних, поданих  на входи інтегральної мікросхеми. 

  Інтегральна  густина - кількість елементів,  які припадають на одиницю площі ВІС:   

  

 Функціональна  густина - кількість перетворень з однією змінною, які припадають на одиницю площі ВІС:  

Інформаційна  складність - середня кількість елементів у ВІС,  які припадають  на  перетворення  однієї  змінної:  

 

Великі інтегральні  схеми  є складними  мікросхемами.  В  їх об’ємі реалізуються  блоки, вузли  та навіть електронні  пристрої.  Тому  ВІС  не  мають  широкої  універсаль-ності  та  використовуються  в  основному  для  конкретних  типів  апаратури.    

Класифікація  та сфери застосування ВІС 

Перехід  до великих  інтегральних  схем  вимагає нових  якісних  змін  у  конструюванні  радіоелектронної  апаратури.  Виготовлення в єдиному технологічному процесі  складного  функціонального  вузла  дозволяє  робити  найкращу  оптимізацію його параметрів, тому що ведеться розрахунок  не  окремих  моментів,  а  вузла  в  цілому.  Об'єднання  елементів  у  ВІС  підвищує  швидкодія  вузлів,  зменшує  їх  сприйнятливість  до  перешкод:  скорочується  затримка  передачі  сигналу, досягається  добрий  захист  елементів  від  зовнішніх  перешкод. Крім  підвищення  ступеня інтеграції в  межах  конструктивно  оформленої  мікросхеми,  ВІС  дає  можливість  одержати  більш  високі  якісні  показники  і  велику надійність радіоелектронних пристроїв при менших  витратах.   Підвищення  надійності  ВІС  досягається  шляхом  зменшення  числа  з'єднань  у  межах  одного  реалізованого  вузла  і  скорочення  кількості  технологічних  операцій.  Зниження вартості ВІС у порівнянні з вузлами на звичайних  мікросхемах  обумовлюється  прогресом  технології,  що  дозволяє  збільшувати  ступінь  інтеграції,  і  зменшенням  обсягу монтажних робіт.   За  видом  інформації,  яка  обробляється,  ВІС  можна  класифікувати  на  цифрові  й  аналогові.  Цифрові  ВІС  використовують  у  пристроях  обробки  інформації,  до  яких  відносять  напівпровідникові  запам'ятовувальні  пристрої,  багаторозрядні  регістри,  лічильники,  суматори  й  ін.  Прикладами аналогових ВІС є перетворювачі напруга - код  і  код - напруга,  блоки  апаратури зв'язку (тракти  високої  і проміжної  частот,  формувачі  сигналів,  багатокаскадні  схеми радіопристроїв і т.д.).   За  ступенем  застосованості  в  розробках  апаратури  розрізняють  ВІС  загального  і  спеціального  призначен-ня.  Прикладами  цифрових  ВІС загального призначення  є  різні  напівпровідникові  запам'ятовувальні  пристрої,  регістри,  дешифратори,  субсистеми  і  спеціальні  обчислювачі.  Аналогові  ВІС  загального  призначення - це  субсистеми  взаємного  перетворення  напруги  в  код,  прецизійні  операційні  підсилювачі  вищого  класу,  підсилювачі  для  високоякісного  відтворення  звуку,  НВЧ-субсистеми  модулів для фазованих антенних решіток та інші  пристрої.  До  аналогових  ВІС  спеціального  призначення  відносяться  підсилювальні  тракти  радіоприймальних  і  радіопередавальних  пристроїв  на  фіксовані  частоти,  формувачі  частот  з  послідовності,  обумовленої  частотами  генераторів,  що  задають,  чи  зовнішньою  тактовою  частотою, інші субсистеми.   Найбільше  застосовуються  ВІС  в  обчислювальних  системах  із  продуктивністю  порядку  декількох  мільйонів  операцій  за  секунду,  де  використовують  в  основному  напівпровідникові  і  гібридні  ВІС.  Розвиток  ВІС  відбувається  в  напрямку  збільшення  ступеня  їхньої  інтеграції  і  створення  надвеликих  інтегральних  мікросхем  (НВІС).  Кількість  функціональних  елементів  у  них  може  складати  кілька  тисяч  і  навіть  десятків  тисяч.  Багатокристальні  НВІС  можуть  поєднувати  в одному  корпусі кілька  кристалів ВІС і дискретних  безкорпусних  активних  елементів,  що  утворять,  наприклад,  всю електронну  частину обчислювальної  машини.  При розробленні таких мікросхем вирішують задачі  не  тільки  схемотехніки, але й системотехніки.  

Питання:

Які основні параметри, котрі характеризують конструктивно-технологічні і схематичні особливості ВІС?

Де застосовують ВІС?

 

Література:

Агаханян  Т.М.  Интегральные  микросхемы. - Москва: Высшая школа, 1983. - 464 с.

 

 

Лекція №12

Особливості конструкції великих  напівпровідникових  мікросхем

План

Загальна інформація про конструкцію напіпровідникових  ВІС

 Особливості конструкції  гібридних ВІС 

Надійність інтегральних мікросхем 

 Конструкція  напівпровідникових  ВІС  визначається  типом  використовуваних  активних  елементів  і  їх  структурою, кількістю рівнів  і методом створення  системи  внутрішньосхемних  міжз′єднань,  а  також  типом  корпусу,  причому  від  конструктивних  способів  реалізації  ВІС  залежать їх схемотехнічні можливості.   Основними  активними  елементами,  на  базі  яких  створюються  сучасні  ВІС,  є  біполярні  транзистори  планарно- епітаксіального  типу (БT)  та  МДН-транзистори  (МДНТ).  Найбільшого  поширення  дістали  ВІС  на  основі  МДН - транзисторів,  що  обумовлено  їх  унікальними  властивостями і можливістю збільшення ступеня інтеграції.  Порівняння  ВІС однакового  функціонального  призначення  на БТ і МДНТ показує, що за електричними параметрами -  швидкодією  і  добротністю ( відношення  швидкодії  до  споживаної  потужності) - схеми  на  біполярних  транзисторах  перевершують  схеми  на  МДН-транзисторах.  Однак  площа,  займана  МДНТ  разом  з  контактними  площадками,  приблизно  в 5 разів  менша  від  площі  БТ.  Великі  інтегральні  мікросхеми  на  МДН-транзисторах  мають  ряд  переваг  перед  ВІМС  на  біполярних  транзисторах,  а  саме:  значно  менші  розміри  активних  елементів;  низький  рівень  розсіюваної  потужності;  додаткові  схемотехнічні  можливості;  простота технології  виготовлення МДН-структур.   Наведемо  приклад.  Велика  інтегральна мікросхема  процесора кишенькового  мікрокалькулятора на  МДН -  структурах  містить 3400 елементів на  кристалі  розміром  5,2х5,2  мм.  ВІС запам'ятовувального пристрою  цього  калькулятора  реалізована  на  кристалі  розміром 3х2,5  мм  з  кількістю елементів 1490.   Технологія  виготовлення  напівпровідникових  ВІС  базується  на  стандартних  технологічних  методах,  які  використовують  у  промисловості  при  виготовленні  ІМС-  термічному  окислюванні  кремнію,  фотолітографії,  дифузії С та епітаксіальному нарощуванні. За допомогою цих методів  в  об’ємі  та  на  поверхні  напівпровідникової  пластини  створюють  активні  і  пасивні  елементи  та  ізоляцію  між  ними.    

 Особливості конструкції гібридних ВІС

  Гібридний метод  конструювання та виготовлення  ВІС  полягає в компонуванні  двох частин, виконуваних окремо:  безкорпусних дискретних елементів  та інтегральних  мікросхем; плівкової  багатошарової комутаційної плати на  діелектричній підкладці.   Гібридний  спосіб  створення  ВІС  є  найбільш  універсальним,  оскільки  в  ньому  поєднуються  переваги  плівкової  і  напівпровідникової  технології,  забезпе-чується  можливість  використання  різних  інтегральних  мікросхем  (напівпровідникових, тонкоплівкових), що розрізняються як  за функціональним призначенням, так і за конструктивним  виконанням.  За  надійністю  та  густиною  упакування  гібридні  ВІС  поступаються  напівпровідниковим,  але  за  функціональним  призначенням  і  ступенем  інтеграції  можуть  їх  перевершувати.  Оскільки  в  гібридних  ВІС  використовуються  ІМС  й  інші  елементи  різного  функціонального призначення, вони найбільш придатні для  побудови  неоднорідних  аналогових  пристроїв,  наприклад,  перетворювачів  напруга - код чи  код - напруга.  Технологічний процес виготовлення гібридних ВІС  значно  простіший  і  дешевший  за  рахунок  застосування  структур  стандартної  конструкції  та  можливості  автоматизації  процесу складання.   Основним  конструктивним  елементом гібридних  ВІС  є  комутаційна  плата,  що  являє  собою  систему  багатошарового  розведення й утримує в окремих  випадках  плівкові резистори і конденсатори. Проекту-  вання  комутаційних  плат  здійснюють  машинними  методами,  оскільки  топологію  плівкових  провідників С розраховують  з  урахуванням  усіх  необхідних  схемотехнічних,  конструктивних  та  технологічних  параметрів  для  оптимального  розміщення  начіпних  компонентів  і мікросхем.  Формування  структури гібридної  ВІС являє собою складання-монтаж начіпних компонентів і  мікросхем на комутаційній платі.     

Надійність інтегральних мікросхем 

  Надійність  інтегральної  мікросхеми - це  її  властивість   зберігати  значення  встановлених  параметрів  функціонування  в  означених  межах,  які  відповідають  заданим  режимам  та  умовам  користування,  технічного  обслуговування,  зберігання  та  транспортування.  Це  комплексна  властивість,  яка  в  залежності  від  призначення  виробу  та  умов  його  експлуатування  може  містити  безвідмовність,  довговічність,  та  ремон-топридатність  окремо  або  поєднання  цих  властивостей  як  виробу  в  цілому, так і його частин.    При  оцінці  надійності  ІМС  використовують  такі  поняття:     - критерій придатності - параметр, за значенням або зміною якого ІМС враховують придатною або такою,  що відмовила;    - відмова - повна втрата  роботоздатності ІМС або відхід  одного  або декількох параметрів,  які були  встановлені технічними умовами як критерії придатності, за  межі заданих норм;    -  повна  відмова - порушення  електричної,  механічної  або  теплової міцності  ІМС (коротке замикання,  пробій  діелектрика,  відрив  виводу  та  ін.),  а  також  відхід  параметрів  за  критичні  значення,  при  яких  ІМС  стає  практично  нероботоздатною  в  будь-якому  пристрої  при  допустимих умовах експлуатування;    - умовна відмова - відмова, що виникає в результаті  поступового  відходу  одного  або  декількох  параметрів (без  утрати  роботоздатності  мікросхеми) за  умовну  норму,  яка С зазначена в технічних умовах.  Розрізняють катастрофічні,  поступові та параметричні умовні відмови;    -  довговічність - властивість ІМС довго ( з можливими у процесі експлуатації  перервами)  зберігати роботоздат-ність в означених режимах та  умовах  експлуатації  до  повного виходу  із  строю.  Календарну  тривалість  експлуатування мікросхем до  повного виходу із  строю називають терміном приданості;    - інтенсивність відмов - середня кількість відмов за  одиницю часу;    -  ймовірність  безвідмовної  роботи P(t) -  ймовірність  того,  що  за  певними  умовами  експлуатації  протягом  певного  проміжку  часу  не  відбудеться  жодної  відмови;     -  ризик  замовника  β -   ймовірність  того,  що за  результатами  відбіркового  контролю  можуть  бути  взяті ІМС, які не відповідають вимогам технічних умов;    - ризик виготовлювача α - ймовірність того, що за  результатами  відбіркового  контролю  можуть  бути  забраковані ІМС,  які не  відповідають  вимогам  технічних  умов.    Важливими показниками надійності  ІМС  також є :  мінімальний  наробіток  на  відмову t н - час  роботи  ІМС  в  заданому  режимі,  в  якому  відмови  практично  відсутні;  ресурс  роботи t γ  - час наробітку ІМС до граничного стану;  термін зберігання t зб  - час, протягом якого ІМС зберігає свої  технічні  та  експлуатаційні  показники  при  зберіганні  в  спеціальних приміщеннях або апаратурі.   Показники  t н , t γ , t зб  використовують  для  задання  вимог  з  надійності  в  технічному  завданні  та  нормативно- технічній документації, у тому числі в технічному паспорті  на  ІМС.  Для  інтегральних  мікросхем  широкого  використання  встановлені  наступні  вимоги  до  показни-ків  надійності.  Мінімальна  ймовірність  безвідмовної  роботи  P(t)  при експлуатації  в максимально допусти-мому  електричному  режимі  та  максимальній  температурі протягом 500 годин повинна бути  не  менше 0,95 для ІМС першого ступеня інтеграції), 0,90 - другого ступеня інтеграції та 0,85 - для ІМС третього  ступеня інтеграції.  Мінімальний наробіток на відмову повинен складати 10000  годин, термін зберігання ІМС в корпусному виконанні - не  менше 6 років, в безкорпусному - не менше 2 років.   На надійність ІМС можуть впливати також різка зміна  навколишньої  температури,  вологість  середовища,  механічні навантаження та радіоактивне випроміню-вання.   Постійне  відпрацьовування  технологічних  операцій,  удосконалювання  корпусного  захисту  та  автоматизація  виробничих  процесів  дозволяють  підвищувати  надійність  інтегральних мікросхем.