Гибридные интегральные микросхемы

Гибридными интегральными микросхемами (ГИМС) называют микросхемы, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, ППИМС) – навесные.

Фрагмент ГИМС приведен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1

Микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм называют тонкопленочными,а с толщиной более 1 мкм - толстопленочнымиГИМС. Напыление тонких пленок осуществляется методами, описанными в разделе 3.6, а получение толстых пленок в [5].

Конфигурации тонко- и толстопленочных эле­ментов одинаковы, но их конкретные геометрические размеры (при заданных электрических параметрах) могут существенно различаться в связи с использованием совершенно разных материалов. Пленочные элементы нет необходимости изолировать друг от друга, так как все они выполняются на диэлектрической подлож­ке. Поскольку расстояния между элементами сравнительно большие, паразитные емкости практически отсутствуют и их учет на эквивалентных схемах обычно не имеет смысла.

Подложки ГИМС.

Подложки в ГИМС играют очень важную роль. Во-первых, подложка является конструктивной основой микросхемы: на неё наносят в виде пленок пассивные элементы схемы и размещают контакты для подключения микросхемы к аппаратуре. Во- вторых, от материала подложки и его обработки существенно зависят параметры осаждаемых пленочных слоев и надежность всей микросхемы.

Материал подложки должен обладать:

- высоким удельным электрическим сопротивлением,

- быть механически прочным при небольших толщинах,

- химически инертным к осаждаемым веществам,

- иметь высокую физическую и химическую стойкость при нагревании до нескольких сот градусов,

- не выделять газов в вакууме,

- обладать хорошей полируемостью поверхности,

- иметь хорошую адгезию (механическое сцепление, прилипаемость) к напыляемым пленкам,

- иметь хорошую теплопроводность,

- иметь температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛ) по возможности близким к ТКЛ напыляемых слоев,

- быть недефицитным и иметь невысокую стоимость.

Большинству из этих требований удовлетворяют стекло и керамика. К недостаткам подложек из стекла следует отнести малую теплопроводность, а подложек из керамики – шероховатость поверхности.

В настоящее время для подложек ГИМС в основном применяют ситалл и фотоситалл. Они представляют собой стеклокерамический материал, получаемый путем термообработки (кристаллизации) стекла. По своим свойствам они превосходят свойства исходного стекла и отвечают всем выше перечисленным требованиям.

Подложки, применяемые для ГИМС, имеют, как правило, квадратную или прямоугольную форму (таблица 5.1).

Таблица 5.1

Ширина, мм
Длина, мм

Резисторы.

Структура и конфигурации пленочного ре­зистора показаны на рисунке 5.2. Как видим, в общем случае конфи­гурация пленочного резистора такая же, как диффузионного (рисунок 4.17). Она может быть полосковой (рисунок 5.2б) или зигзагообразной (рисунок 5.2в).

Рисунок 5.2

Расчет сопротивления можно проводить по фор­муле R=R_S×K_Ф, где R_S - удельное сопротивление слоя зависит от его толщины и материала и K_Ф =l/b- коэффициент формы. Коэффициент формы лежит в пределах 0,1 – 50.

Типичные значения R_S и удельной мощности рассеивания Р₀ приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Материал	RS, Ом/	Р0, мВт/мм2	Материал	RS, Ом/	Р0, мВт/мм2
Хром	10-50		Рений	200-300
Нихром			Сплав МЛТ-3
Тантал	20-100		Сплав РС-3001	1000-2000
Нитрид тантала			Сплав РС-3710
Кермет	103-104		Паста	102-105

Примечание: паста используется в толстопленочных ГИМС.

Разброс значений сопротивлений составляет: без подгонки ±5%, а с подгонкой - ±0,05%, ТКС - 0,25×10^-4/°С.

Из выше сказанного можно сделать следующие выводы:

- диапазон сопротивлений пленочных резисторов несравненно шире, чем полупроводниковых (диффузионных и ионно-легированных);

- тонкопленочная технология обеспечивает более высокую точность и стабильность резисторов;

- подгонка обеспечивает существенное уменьшение разброса (допусков) сопротивлений; следовательно, возможность такой под­гонки является важным преимуществом пленочных резисторов;

Подгонку резисторов можно осуществлять разными способами. Простейший, исторически первый способ состоит в частичном меха­ническом соскабливании резистивного слоя до того, как поверхность ИС защищается тем или иным покрытием. Более совершенными яв­ляются методы частичного удаления слоя с помощью электрической искры, электронного или лазерного луча. Разумеется, все эти спо­собы позволяют только увеличивать сопротивление резис­тора. Наиболее совершенный и гибкий метод состоит в пропуска­нии через резистор достаточно большого тока. При токовой подгон­ке одновременно идут два процесса: окисление поверхности резис­тивного слоя и упорядочение его мелкозернистой структуры. Первый процесс способствует увеличению, а второй - уменьшению сопро­тивления. Подбирая силу тока и атмосферу, в которой ведется под­гонка, можно обеспечить изменение сопротивления и в ту, и в дру­гую сторону на ±30% с погрешностью (по отношению к желатель­ному номиналу) до долей процента.

Конденсаторы

Структура и конфигурация типичного пленочного конденсатора показаны на рисунке 5.3. Емкость конденсатора определяется по формуле

С= С₀×S, где С₀ – удельная емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика и толщины пленки, S- площадь конденсатора. Толщина диэлект­рической пленки d существенно зависит от технологии: для тон­ких пленок d = 0,1 - 0,2 мкм, для толстых d = 10 - 20 мкм. По­этому при прочих равных условиях удельная емкость С₀ толстопленочных конденсаторов меньше, чем тонкопленочных. Однако различие в толщине диэлектрика может компенсироваться благодаря раз­личию диэлектрических проницаемостей материалов.

При выборе диэлектрика для высокочастотных кон­денсаторов (как тонко-, так и толстопленоч- ных) приходится дополнительно учитывать поте­ри энергии в диэлектрике. Что касается омических потерь в об­кладках пленочных конденсато­ров, то они гораздо меньше, чем у полупроводниковых конденса­торов, потому что в качестве об­кладок используются металли­ческие слои с высокой проводи­мостью поэтому добротность таких конденсаторов высокая и может достигать Q=100.

Рисунок 5.3

В таблице 5.3 приведены типичные параметры пленочных кон­денсаторов. Из таблицы можно сделатьследующие общие выводы:

Таблица 5.3

Диэлектрик	e	С0, нФ/см2	Диэлектрик	e	С0, нФ/см2
GeO	10-12	5-15	Ta2 O5	20-22	50-200
SiO	5-6	5-10	Sb2 S3	18-20	10-15
SiO2			Паста	-	4-10
Al2 O3		30-40

Примечание: паста используется в толстопленочных ГИМС.

- удельные емкости пленочных конденсаторов (при надлежа­щем выборе диэлектрика) в несколько раз пре­вышают удельную емкость МОП-конденсаторов и тем более диф­фузионных конденсаторов;

- максимальные емкости пленочных конденсаторов могут быть на несколько порядков больше, чем емкости полупроводниковых конденсаторов, главным образом благодаря большей площади (по­скольку площадь подложек ГИМС значительно превышает площадь кристаллов полупроводниковых ИС).

Для высокочастотных тонкопленочных конденсаторов опти­мальным диэлектриком является моноокись кремния, а также моноокись германия.

Следует заметить, что в последнее время, в связи с наличием миниатюрных дискретных конденсаторов (в том числе с весьма боль­шой емкостью - до нескольких микрофарад), наблюдается тенден­ция к отказу от пленочных конденса­торов и замене их навесными конденса­торами.

Катушки индуктивности

Как уже отмечалось, возможность осущест­влять катушки индуктив- ности методами микроэлектроники является одним из достоинств пленочной технологии. Такие катушки представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфи­гурации (рисунок 5.4). Для уменьшения сопротивления в качестве материала ис­пользуется золото. Ширина металличе­ской полоски составляет 30-50 мкм, просвет между витками 50-100 мкм. При таких.

геометрических размерах удельная индуктивность лежит в диапазоне 10-20 нГн/мм², т. е. на площади 25 мм² можно получить индуктивность 250-500 нГн.

Добротность катушек индуктивности, например, на час­тоте 100 МГц может иметь значение Q ³ 50. В от­личие от добротности конденсатора добротность ка­тушки возрастает с увеличением частоты. Поэтому пленоч­ные катушки могут успешно работать в диапазоне

Рисунок 5.4 сверхвысоких частот

(СВЧ), при частотах 3-5 ГГц. При этом число витков состав­ляет 3-5.

В связи с разработкой микроминиатюрных проволочных кату­шек применение пленочных катушек, особенно на частотах менее 50 - 100МГц ограничивается и предпочтение, как и в случае кон­денсаторов, отдается навесным компонентам.