Заключительные технологические операции. Заключительными технологическими операциями являются: металлизация, контроль качества, скрайбирование

Заключительными технологическими операциями являются: металлизация, контроль качества, скрайбирование, резка на кристаллы, монтаж в корпус, герметизация.

7. Основные технологические операции при производстве гибридных ИМС: монтаж компонентов, монтаж в корпус.

При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции (это во-первых зависит от выбранной технологии - тонкопленочной или толстопленочной, во-вторых от того, какие пассивные элементы используются в схеме - есть ли, например, пленочные конденсаторы). В курсе «Микроэлектроника и микросхемотехника» изучается технологический процесс производства гибридных ИМС по тонкопленочной технологии и содержащие из пленочных элементов только резисторы.

Основные операции при производстве гибридных ИМС:

1. Получение подложки;

2. Очистка подложки от химических и физических загрязнений;

3. Нанесения резистивной пленки;

4. Нанесение проводящей пленки;

5. Фотолитография и травление;

6. Лужение контактных площадок;

7. Контроль и подгонка резисторов;

8. Установка и распайка компонентов;

9. Установка платы в корпус и распайка выводов;

10. Герметизация;

11. Выходной контроль;

Монтаж компанентов и монтаж в корпус

Проволочный монтаж

При проволочном монтаже перемычка формируется в процессе монтажа (рис. 37): после совмещения свободного конца проволоки с площадкой на кристалле производится сварка, далее изделие (коммутационная плата) перемещается так, чтобы под сварочный инструмент пришла соответствующая площадка коммутационной платы; после совмещения инструмента с площадкой производится сварка и обрезка проволоки. Далее формируется перемычка для следующей пары контактов.

Микросварка

К микросварке прибегают при проволочном и ленточном монтаже. Ввиду малых толщин соединяемых элементов (порядка 1,5мкм для площадки и несколько десятков мкм для перемычки) сварка должна выполняться без расплавления соединяемых элементов. Таким образом, все разновидности микросварки представляют собой сварку давлением. В этом случае прочность соединения обеспечивается электронным взаимодействием соединяемых поверхностей и взаимодиффузией материалов в твердой фазе, что, в свою очередь, требует применения пластичных материалов и обеспечения плотного контакта на достаточно большой площади. Так как необходимую площадь контакта можно получить лишь за счет пластической деформации перемычки, к материалу последней предъявляются требования пластичности. Для облегчения пластического течения материала, а также для ускорения взаимодиффузии, во всех видах микросварки предусматривается нагрев зоны соединения до температуры ниже эвтектической (во избежание расплавления).

Таким образом, все виды микросварки характеризуются температурой в зоне соединения 300¸800°C и удельным давлением инструмента 100¸200 Н/мм². Конкретные значения режимов определяются материалом перемычки и видом микросварки.

В производстве нашли применение следующие разновидности микросварки: термокомпрессионная сварка (ТКС); сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН); электроконтактная односторонняя сварка (ЭКОС); ультразвуковая сварка (УЗС) (рис. 40).

Основная тенденция развития методов микросварки - локализация тепла в зоне соединения и уменьшение теплового воздействия на изделие в целом, что позволяет повысить температуру сварки и применять для перемычек менее пластичные материалы (например, медь). Способ нагрева зоны соединения находит свое отражение в конструкции сварочного инструмента, схематически представленного на рис. 40. Независимо от вида микросварки в случае проволочного монтажа инструмент должен быть снабжен "капилляром" для направления проволоки под рабочую часть инструмента (на рис. 40 показан только для ТКС).

При ТКС (рис. 40,а) нагреву подвергают все изделие или инструмент (или то и другое), обеспечивая температуру порядка 400°C.

В случае СКИН (рис. 40,б) разогрев зоны соединения осуществляется только в момент сварки. Это достигается V-образной конструкцией инструмента, через который пропускается амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой 0,5¸1,5кГц. В результате температуру в зоне сварки можно повысить до 650°C. Инструмент является частью электрической цепи и благодаря малому сечению рабочего конца инструмента выделяемое тепло концентрируется именно в этой части.

Инструмент для ЭКОС (рис. 40,в) часто называют расщепленным: он состоит из двух частей, разделенных изолирующей термостойкой прокладкой, которые являются составной частью электрической цепи. Последняя замыкается лишь при контакте с перемычкой. Таким образом, импульс тока проходит через свариваемый участок перемычки, причем тепло выделяется в зоне контакта. В установках для ЭКОС предусмотрено автоматическое измерение контактного сопротивления, регулирование по сопротивлению усилия и формирование параметров импульса тока, что повышает воспроизводимость характеристик соединения. Температура в зоне сварки может быть повышена до 800°C, что дает возможность применять медные перемычки.

Ультразвуковая сварка может выполняться без специально организованного нагрева, т.к. тепло, необходимое для повышения пластичности, выделяется в результате трения перемычки о площадку. Сварочный инструмент жестко закрепляется в концентраторе магнитострикционной головки (рис. 40,г) и вместе с ним совершает продольные колебательные движения, "втирая" перемычку в площадку. Частота ультразвуковых колебаний выбирается в пределах 20¸60кГц, а амплитуда - 0,5¸2мкм

8. Пленочные элементы гибридных ИМС: резисторы, проводники и контактные площадки.

Пленочные резисторы: Тонкопленочные резисторы являются элементами гибридных тонкоплёночных микросхем, а также согласующими элементами в микросборках, где они присутствуют в виде резистивных матриц (резистивных "сборок") на отдельной миниатюрной подложке, представляющей собой компонент микросборки. В обоих случаях резисторы изготавливаются на основе общей резистивной плёнки одновременно, т.е. по интегральной технологии.

Для осаждения тонких резистивных плёнок используют стандартные резистивные сплавы в виде порошков (для термовакуумного напыления) или дисков-мишеней (для распыления ионной бомбардировкой). Сплавы представляют собой силициды хрома, никеля, железа и двойные или тройные системы на их основе.

Содержание кремния от 15 до 95 % обеспечивает широкий диапазон удельных сопротивлений. Конкретные марки резистивных сплавов характеризуются рекомендуемыми значениями удельного поверхностного сопротивления R_сл [Ом], допустимой удельной мощностью рассеивания Р₀ [Вт/см2], температурным коэффициентом сопротивления a [K^-1] и коэффициентом старения g_ст.

С учетом выводов из электропроводящей тонкой пленки структуру резистора можно рассматривать как двухслойную. При этом возможны три технологических варианта формирования резисторов (см. структуру и топологию резисторов на рис. 26).

Фотолитографический: напыление сплошной резистивной плёнки, напыление сплошной проводящей пленки, фотолитография по проводящей плёнке, фотолитография по резистивной плёнке (рис. 26,б).

Трафаретный: напыление резистивных элементов через трафарет, напыление проводящих элементов через трафарет (рис. 26,а).

Комбинированный: напыление сплошной резистивной плёнки, напыление проводящих элементов через трафарет, фотолитография по резистивной плёнке (рис. 26,б).

Трафаретный вариант, хотя и является более производительным и дешёвым, заметно уступает фотолитографическому по разрешающей способности (а_min) и точности (D_п), что следует из сравнительной таблицы.

Уширение проводящего вывода на величину В с каждой стороны призвано не допустить изменение сопротивления резистора из-за погрешности совмещения резистивного и проводящего рисунков.

При проектировании группы интегральных резисторов возникает задача определения рабочих размеров l и а для каждого резистора с таким расчётом, чтобы суммарная площадь, занимаемая резисторами, была минимальна. Исходными данными для проектирования являются: номинальные значения сопротивлений резисторов R_i; мощность рассеивания Р_i; предельные допустимые отклонения сопротивления ±g_Ri; температурный диапазон эксплуатации t°_min…t°_max.

Методика расчёта сводится к следующему:

1. Определяется оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления R_сл=R₀. Искомое значение лежит внутри ряда сопротивлений, выстроенного по возрастающей, т.е. R₁, R₂,…R_m, (R₀), R_m+1…R_N. Исходя из соотношения , можно сказать, что R₀ делит группу из N резисторов на две группы, отличающиеся формой (рис. 27): 1-я группа имеет R_i < R₀ и соответственно l<а; 2-я группа имеет R_i > R₀ и соответственно l>а. С учётом выбранного варианта технологии и данных сравнительной таблицы назначают меньшие (критические) размеры резисторов минимальными.

Суммарную площадь резисторов можно представить суммарным числом квадратов, которое необходимо свести к минимуму:

2. Выбор марки резистивного сплава. По найденному значению R₀ выбирают марку резистивного сплава так, чтобы R₀ удовлетворяло рекомендованному диапазону значений R_сл. При наличии двух и более вариантов марок сплавов следует ориентироваться на большее значение Р₀, меньшие значения a и g_ст. При окончательном выборе марки сплава становятся известными конкретные значения Р₀, a и g_ст.

3. Корректировка критических размеров резисторов с учётом мощности рассеивания. Мощность Р_i, рассеиваемую резистором, можно рассчитать следующим образом:

Для резисторов 1-й группы для резисторов 2-й группы

4. Корректировка критических размеров с учётом заданной точности.

5. Окончательный выбор критических (меньших) размеров резисторов. Из трёх значений, установленных для каждого резистора в пп.1,3 и 4, выбирают наибольший.

6. Вычисление вторых (больших) размеров для каждого резистора

9. Пленочные элементы гибридных ИМС: конденсаторы.

пленочные конденсаторы: Толстопленочные емкости разумно выполнить в виде трехслойной пленочной структуры металл-диэлектрик-металл, изображенной на рисунке. Такие конденсаторы могут обладать емкостью до нескольких сотен пФ.

Расчет данных элементов начинается с выбора диэлектрика и определения его минимальной толщины (из соображений электрической прочности где – U раб рабочее напряжение между обкладками конденсатора, [В]; Епр - пробивная напряженность электрического поля, [^В/_мм]; N – коэффициент запаса (0.5 ¸ 0.7).

Требуемую площадь перекрытия обкладок конденсатора можно рассчитать по выражению:

10. Пленочные элементы гибридных ИМС: катушки индуктивности.

Пленочные катушки:Для расчета индуктивности в пленочном исполнении можно воспользоваться следующими формулами.В формулах все линейные размеры катушек выражаются в [мм], а индуктивность в [нГн].

11. Основные технические операции при производстве полупроводниковых ИМС: общие сведения, требование к производственным помещениям.

При производстве полупроводниковых ИМС используются следующие основные операции:

1. Получение слитка монокристалла кремния;

2. Резка кристалла на пластины;

3. Создание базовых областей;

4. Металлизация;

5. Контроль;

6. Резка на кристаллы;

7. Монтаж в корпус и герметизация;

Для производства полупроводниковых микросхем используются элементарные полупроводники и различные их соединения. В качестве материалов для акцепторной примеси используются элементы 3-ей группы - алюминий, галлий, бор, индий, а для донорной примеси используются элементы 5-ой группы - сурьма, фосфор, мышьяк, висмут. Поликристаллический кремний непригоден для производства интегральных микросхем, поэтому необходимо получить монокристалл кремния, причем с минимальным количеством дислокаций и примесей.

Получение слитка монокристалла кремния

Основы технологии производства полупроводниковых интегральных схем

Чистым помещением или чистой комнатой называется помещение, в котором счётная концентрация взвешенных в воздухе (аэрозольных) частиц и, при необходимости, число микроорганизмов в воздухе поддерживаются в определённых пределах.

Под частицей понимается твёрдый, жидкий или многофазный объект или микроорганизм с размерами от 0,005 до 100 мкм. При классификации чистых помещений рассматриваются частицы с нижними пороговыми размерами от 0,1 до 5 мкм. Ключевым фактором является то, что чистые помещения характеризуются именно счётной концентрацией частиц, т.е. числом частиц в единице объёма воздуха, размеры которых равны или превышают определенную величину (0,3; 0,5 мкм и т.д.) Этим они отличаются от обычных помещений, в которых чистота воздуха оценивается по массовой концентрации загрязнений в воздухе.

Отсюда вытекают особенности поддержания и определения показателей чистоты, специфические требования к контрольным приборам, счётчикам частиц в воздухе и пр.

Важной характеристикой чистого помещения является его класс.

Класс чистого помещения характеризуется классификационным числом, определяющим максимально допустимую счётную концентрацию аэрозольных частиц определённых размеров в 1 м³ воздуха.

Сфера применения чистых помещений широка и к настоящему времени охватывает многие области техники, жизни и деятельности человека. В таблице показаны основные области применения чистых помещений. Классы чистых помещений даны по ГОСТ ИСО 14644-1.

Например, комнаты класса 1, используемые в современном производстве, примерно в тысячу раз чище, чем хирургическая операционная. "Чистая комната" управляет чистотой воздуха путем фильтрации поступающего воздуха, удалением грязи с установок, ламинарным перемещением воздуха от потолка к полу (примерно за шесть секунд), регулировкой влажности и температуры. Люди в "чистых комнатах" ходят в специальных скафандрах, закрывающих, в том числе, весь волосяной покров (а в ряде случаев - даже с собственной системой дыхания). Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.

12. Основные технические операции при производстве полупроводниковых ИМС: получение слитка монокристалла кремния, его резка на пластины.