Hibrid integrált áramkörök

Átírás

1 Hibrid integrált áramkörök 1

2 Hibrid integrált áramkörök Az elektronika miniatürizálódási folyamata A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük A hibrid integrált áramkörök hordozói Integrált alkatrészek Topológia tervezése Mesterrajzok és fotók készítése 2

3 Az elektronika miniatürizálódási folyamata 1 Az elektronika behatolását a társadalmi és gazdasági tevékenység szinte minden területére a mikroelektronika fejlődése tette lehetővé. Történelmi áttekintés 3

4 Az elektronika miniatürizálódási folyamata Növekvő alkatrész darabszám súly, térfogat, melegedési-, megbízhatósági probléma 2. VH. hadiipara elektronikai miniatürizálódási folyamat Kétirányú fejlesztés: alkatrészek technológiájának javítása, méretek csökkentése, szerelési technológia javítása 1950 Törekvés az elektroncső miniatürizációra Csökkentését nehezítette: Elektródrendszer kicsinyítése Szerelés és disszipációs szempontok Természetes öregedés az elektroncsőben Fejlesztések ellenére megbízhatóság tovább csökkent 4

5 Az elektronika miniatürizálódási folyamata 3 Új lendület 1948 tranzisztor feltalálása Növelte a megbízhatóságot Jelentősen csökkentette a feszültség- és a teljesítményigényt Lehetővé tette a passzív alkatrészek jelentős méretcsökkentését Fokozatosan megváltoztatta az áramköri tervezési szemléletet is A tranzisztorok, a kisméretű passzív alkatrészek és a nyomtatott huzalozású lemezek alkalmazásával felépített háromdimenziós modulokkal elérték az 1~ 2 alkatrészek /cm 3 átlagos alkatrészsűrűséget. ezzel szemben elektroncsöves készülékek átlagos alkatrészsűrűsége 0,01~ 0,5 alkatrész/ cm 3 volt. 5

6 Az elektronika miniatürizálódási folyamata 4 Az alkatrészek méretének csökkentésével megnőtt a kivezetések, hordozók- és védőelemek térfogata az aktív térfogathoz viszonyítva. A jobb térkihasználás érdekében felmerült az alkatrész geometriák azonosításának és az áramkörök egységenkénti közös burkolásának a gondolata. Az így megvalósított áramkörök a mikromodulok, melyekkel elérték a 20 alkatrész/cm^3 alkatrészsűrűség-értéket is. A mikromodulok 1959-es megjelenésével kezdődött el a szorosabb értelemben vett mikroelektronika korszaka. Felismerés: nem az alkatrészek nagy száma okozza a legnagyobb nehézséget, hanem az, hogy az egyes elemeket külön állítják elő, és azután egyesítik azokat rendszerré integrált áramkörök 6

7 Az elektronika miniatürizálódási folyamata 5 Az integrált áramkörök megjelenése szinte ugrásszerűen csökkentette az elektronikus berendezések méretét és súlyát, és az alkatrészek közötti hagyományos értelemben vett kötések számát. Az integrált áramkörökkel sikerült elérni a 100-as, illetve 1000-es nagyságrendű alkatrész/cm^3-es alkatrészsűrűséget. Az integrált áramkörök két alapvető típusa: Szigetelő alapú integrált áramkörök Félvezető alapú integrált áramkörök 7

8 Az elektronika miniatürizálódási folyamata 6 A szigetelő alapú integrált áramkörök jellemzője, hogy a közös alapon (hordozón) integrált formában a passzív elemeket és az összekötő vezetékhálózatot valósítják meg. Az aktív elemeket utólag ültetik be ebbe az integrált RC hálózatba. HIBRID ÁRAMKÖRÖK A félvezető alapú integrált áramkörökben mind az aktív, mind a passzív alkatrészeket egyetlen félvezető tömbön, illetve tömbben alakítják ki. Itt az egyes alkatrészek határvonalai geometriailag elmosódnak. Lehetőség van a szigetelő- és félvezető alapú integrált áramkörök egyesítésére is. Az egyesítés legjárhatóbb útja, ha a szigetelő alapon kialakított passzív hálózatba ültetjük be a tokozatlan vagy mikrotokozott félvezető alapú integrált áramköri chipeket 8

9 Az elektronika miniatürizálódási folyamata 7 Természetesen az integrált áramkörök megjelenése nem jelenti az elektronika fejlesztésének lezárását. Sok új fizikailag egyszerű funkcionális eszköz kifejlesztése várható, melyek helyettesíteni fogják a nagyszámú alkatrészekből álló áramköröket. Az elektronika jövőbeni feladata az lesz, hogy támaszkodva az áramkörelmélet legújabb eredményeire és egyre behatóbban megismerve az anyag tulajdonságait, a lehető legegyszerűbb módon elégítse ki a rendszerrel szemben támasztott követelményeket. A mikroelektronika nemcsak új technológiát jelent, hanem befolyásolja az elektronika egész fejlődését is. Utat nyit a nagyberendezések fokozottabb elterjedésének, sőt lehetővé teszi eddig meg nem valósított óriási rendszerek kialakítását, vizsgálatát. Megváltoztatja, leegyszerűsíti a berendezések karbantartását, vizsgálatát és javítását. Közelebb hozza egymáshoz az elektronikában eddig egymástól távol álló alkatrész-technológus és rendszertervező tevékenységét. 9

10 A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 1 A szigetelő alapú integrált áramkörök szigetelő hordozón egymás mellett ill. egymás felett meghatározott geometriai elrendezésben kialakított vezető és szigetelő rétegekből épülnek fel. A különböző elektromos tulajdonságú rétegek segítségével egy- vagy többrétegű huzalozású pályák, kontaktusfelületek, ellenállások, kondenzátorok, igen kis értékű induktivitások, elosztott paraméterű hálózatok, mikrohullám tápvonalak és rezonátorok stb. állíthatók elő Rétegtechnológiával az induktivitások csak nagy felületigénnyel és kis értékkel (μh) valósíthatók meg, ezért alkalmazásuk csak egy-két speciális esetre korlátozódik. A szigetelő alapú IC-t gyártók az esetek döntő többségében a kondenzátorokat is hibrid elemként, utólag ültetik be az áramkörökbe gyártástechnológia egyszerűsítése Növeli a megbízhatóságot Fokozza a gyártási kihozatalt 10

11 A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 2 A sorozatban gyártott szigetelő alapú hibrid integrált áramkörök döntő többsége a hordozón kialakított integrált R hálózatból és az utólag beültetett kondenzátorokból, tokozatlan chip vagy mikro-tokozott aktív elemekből, illetve félvezető alapú IC chipekből épül fel. A szigetelő alapú hibrid integrált áramkörökkel megvalósítható integrálási szint (funkcionális egység/ térfogat) 20 / 50. A szigetelő alapú hibrid integrált áramkörök a réteg-előállítás technológia, a felhasznált anyagok és a rétegek relatív vastagsága szerint egyaránt két alapvető típusra bonthatók: vékony- és a vastagréteg integrált áramkörökre. A vékonyréteg integrált áramkörökben a rétegvastagság néhányszor 10 vagy 100 nm, míg a vastagréteg integrált áramkörökben néhányszor 10 μm. Vékonyréteg integrált áramköröknél az általánosan használt rétegfelvitel technológia a vákuumgőzölés vagy katodporlasztás, míg a vastagréteg integrált áramköröknél a szitanyomás. 11

12 A mikroelektronika felosztása MIKRO- ELEKTRONIK A Különálló alkatrészekből felépített áramköri egységek Integrált áramkörök Funkcionális eszközök Különböző alakú alkatrészekből felépített áramkörök Azonos alakú alkatrészekből felépített áramkörök Szigetelő alapú integrált áramkörök Félvezető alapú integrált áramkörök Optoelektronika, akusztoelektronika, magnetelektronika, kavantum mikroelektronika Kétdimenziós felépítésű kártyák Kétdimenziós felépítésű pasztilla áramkörök Vékonyréteg áramkörök Bipoláris áramkörök Háromdimenziós felépítésű modulok Háromdimenziós felépítésű mikromodul Vastagréteg áramkörök MOS áramkörök 12

13 13

14 Szigetelő alapú vékonyréteg hibrid integrált áramkör Szigetelő alapú vastagréteg hibrid integrált áramkör 14

15 A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 3 A rétegfelvitel és kezelési technológián kívül a kétféle típusú integrált áramkör mind a tervezésben, mind a gyártástechnológiában közös konstrukciós és technológiai alapokon tárgyalható A szigetelő alapú hibrid áramkörök nem áthidaló megoldást jelentenek a diszkrét alkatrészes és a félvezető alapú integrált áramkörök között, hanem azok fejlődésével párhuzamosan, hosszú távon, a modern áramkör és berendezés-konstrukció számára önálló, új megoldások lehetőségét adják. Vékonyréteg áramkörök előnyei a vastagréteg áramkörökhöz viszonyítva: Nagyobb stabilitású, kisebb értéktűrésű és hőmérsékleti együtthatójú ellenállásválaszték, Nagyobb frekvencián (30 GHZ) működő áramkörök előállításának lehetősége Olcsóbbak az alkalmazott réteganyagok Egy nagyságrenddel kisebb minimális rétegcsík-szélességek (25m) valósíthatók meg. 15

16 A szigetelő alapú integrált áramkörök típusai és felépítésük 4 A vékonyréteg integrált áramkörök hátrányai a vastagréteg áramkörökhöz képest: Az ellenállás-értéktartomány kisebb Az ellenállás fajlagos terhelhetősége rosszabb A huzalozási pályáknak relative nagyobb az ellenállása Rétegek tulajdonságai jobban függnek a hordozó felületi viszonyaitól (összetétel, érdesség, hullámosság stb.) A rétegek kevésbé tapadnak a hordozóhoz A rétegek a külső környezeti hatásokkal szemben kevésbé ellenállók Rosszabb a kontaktusrétegek forraszthatósága Kisebb az áramköri hordozó hővezető-képessége Bonyolultabb eszközigényesebb rétegfelviteli technológia A gyártásuk automatizálása költségesebb A gyártásuk beruházási és fenntartási költsége magasabb A kis sorozatnagyságnál (500 ~ 1000 db) magasabb darabár 16

17 A vékony-, vastagréteg és a félvezető alapú integrált áramkörök összehasonlítása 2.1 táblázat 17

18 Paraméter Vastagréteg IC Vékonyréteg IC Monolit IC Megvalósítási lehetőség digitális áramköröknél közepes közepes kiváló Megvalósítási lehetőség analóg áramköröknél kiváló kiváló mérsékelt Az IC-n belüli parazita hatások kevés kevés sok Az ellenállás-rétegek négyzetes ellenállása nagy kicsi legkisebb Az ellenállások hőmérsékletei együtthatója kicsi legkisebb nagy Az ellenállások értékszórása kicsi legkisebb nagy Teljesítmény-disszipáció nagy közepes kicsi Frekvencia - határ közepes nagy közepes Méret kicsi kicsi legkisebb Integráltsági fok ( alaktrész/cm^3) közepes közepes nagy Megbízhatóság nagy nagy legnagyobb IC előállítási idő 1 hónap 2 hónap 3-6 hónap Az áramkör módosításához szükséges idő 2 hét 1 hónap 2 hónap Darabár kis darabszámnál közepes magas igen magas Darabár nagy darabszámnál közepes közepes alacsony 1 db IC előállítási költsége kicsi közepes magas Beruházási költség kicsi közepes magas A gyártás fenntartási és szerszámozási költsége kicsi közepes magas 18

19 A hibrid integrált áramkörök hordozói 1 A hibrid integrált áramkörök hordozói a felületükön kialakított rétegeket egymástól elszigetelt és hordozza. E passzív szerepe mellett a hordozó felületének mind morfológiai, mind kémiai vonatkozásban fontos szerepe van a rétegek szerkezetének és ezen keresztül a fizikai tulajdonságainak a kialakításában. A hordozóval szemben támasztott sokféle eltérő és egymásnak ellentmondó követelmény miatt ideális hordozóanyag nincs. Megfelelő adalékolásokkal próbálják az optimális összetételt előállítani. A vékonyréteg integrált áramkörök legelterjedtebb alkalmazott hordozói: Borosszilikát üveg Üvegkerámiák Zománcozott kerámia Egykristály (pl. zafír) A vastagréteg integrált áramkörök legelterjedtebb alkalmazott hordozói: Al2O3 BeO Zomácozott vaslemezek 19

20 A hibrid integrált áramkörök hordozói 2 A mechanikai követelmények betartása különösen a vékonyréteg integrált áramköri hordozók esetén a fontosabb. A felületi érdesség csökkenti a dielektrikumok átütési szilárdságát; a hullámosság nem teszi lehetővé a jó maszk-, ill. fotófelfekvést Jó hőállósága és hőlökésállósága elsősorban a vastagréteg integrált áramköri hordozóknál jelentős A hordozók jó hővezető-képessége a felületükön elhelyezett ellenállásréteg integrált disszipálódó teljesítmény elvezetésének egyik fontos feltétele. A legjobb hővezetési tulajdonsággal a BeO típusú kerámia hordozók rendelkeznek Fontos, hogy a vastagréteg-, de legfőképpen a vékonyréteg-hordozók alkáli tartalma minimális legyen 20

21 Szigetelő alapú IC hordozók néhány jellemző tulajdonsága 2.2 táblázat 21

22 Tulajdonság Alkáliszegény üveghordozó Al2O3 kerámia hordozó Vastagság 0,4-0,8 mm 0,4-1,2 mm Felületi érdesség (Ra) 10 nm 1-2 μm Síklaposság (25 mm hosszon a max. eltérés a siktól) 5-10 μm μm Fajlagos térfogati ellenállás (20 C-on) 10^13 ohmcm 10^13 ohmcm Veszteségi tényező tg δ x*10^-4 (20 C-on 1 MHz-en) Fajlagos felületi ellenállás (20 C-on) 10^11 ohm/cm^2 10^12 ohm/cm^2 Permittivitás ε (20 C-on, 1 MHZ-en) 4 10 Lágyulási pont 872 C 2040 C Hővesztőképesség (25 C-on) 0,0125w/cm C 0,37w/cm C Hőtágulási együttható 4,5*10^-6/5C 6*10^-6/5C Relatív ár 1 1,5 22

23 A hibrid integrált áramkörök hordozói 3 A hordozónak az áramkörgyártás és felhasználás minden egyes fázisában tisztítás, rétegek felvitele, beégetés, redukáló oxigén atmoszféra kémiailag stabilnak kell lenniük. Ezt a hordozó anyagának megfelelő összetételével lehet elérni. A rétegek felvitele előtt a hordozókat igen gondos felületi tisztításnak kell alávetni (szennyezők eltávolítása, izzítás zsírtalanítás, ultrahangos mosás stb.). A vékonyréteg integrált áramköri hordozókat a vákuumtérben közvetlenül a rétegfelvitel előtt kisnyomású gázkisüléssel létrehozott pozitív gázionokkal bombázva is tisztítják. 23

24 Integrált alkatrészek A vastag- és vékonyréteg áramkörök integrált alkatelemeinek tervezése csak a rendelkezésre álló anyagok és gyártási eljárások ismeretében lehetséges. Az egész tervezés során erős rendszertechnikai szemléletet kell érvényesíteni. Az egyes alkatelemek anyagát, méreteit, alakját és elhelyezését az áramkör általános követelményei erősen befolyásolják, sok vonatkozásban meghatározzák. Mindezekből következik, hogy csak olyan tervezési meggondolások összefoglalása célszerű, melyek a technológiák különböző szintjein egyaránt felhasználhatók. 24

25 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 1 A szigetelő alapú integrált áramkörökben az ellenállásokat a hordozóra felvitt megfelelő elektromos tulajdonságú rétegekkel valósítják meg. Az ellenállás célra használt rétegek tulajdonságait négy fő csoportba sorolhatjuk: elektromos, mechanikai kémiai fizikai Az ellenállásrétegek fenti tulajdonságai nagymértékben függnek a réteg felviteli és kezelési (pl. hőkezelés) technológia paraméterektől. 25

26 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 2 Az ellenállásréteggel szemben a következő főbb merülnek fel: Jó tapadás a hordozóhoz Jó tapadás a vezetőréteghez Széles értéktartományú négyzetes ellenállás Alacsony hőmérsékleti tényező Nagy stabilitás Egyszerű és kézben tartható legyen a felviteli (rétegkialakítási) technológia Stabil és könnyű értékbeállíthatóság l R =ς d v [ohm] Ellenállásérték: ahol δ a fajlagos ellenállás [ohm mm] 26

27 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 3 Ha l=d, azaz az ellenállás felülete négyzet: R [ohm] négyzetes ellenállás Ez alapján egy l hosszúságú d d szélességű réteg ellenállása: A rétegellenállások fontos jellemzője a négyzetes ellenálláson kívül a hőmérsékleti tényező (TK) értéke: A rétegellenállások feszültségtényezője VK az ellenállások értékének feszültségfüggőségét fejezi ki: ς R = [ ohm] v l R = R [ ohm] d 1 dr TK = [1/ C] R dt 1 dr VK = [1/ V] R du 27

28 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 4 A hibrid integrált áramkörök működési paramétereinek szempontjából fontos tényező az ellenállások stabilitása. A stabilitást általában adott körülmények között az időegységre eső ellenállás-változás százalékában adják meg, annak ellenére, hogy ez a változás nem lineáris az idő függvényében. Az ellenállásérték időbeni megváltozását az oxidáció, elektrolitikus korrózió, belső rétegszerkezeti változások stb. okozzák. Az ellenállásokon keletkező zaj a hőmozgásból eredő termikus zajra; és az ellenállás ingadozásából eredő, az elektromos áram által előhívott zajra vezethető vissza. A rétegellenállásokra jellemző adat a felületegységre eső teljesítmény, azaz a teljesítménysűrűség. Ennek értéke adott hordozónál meghatározza a réteghőmérsékletet és így döntően befolyásolja az ellenállások stabilitását is. 28

29 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 5 Az olyan felhasználásokban, ahol az említett tényezőnek elsősrendű jelentősége lehet, alábbiakat kell figyelembe venni: Az ellenállások hőmérsékleti együtthatója függvénye a vastagságnak Az értékbeállítás módszerének és mértékének függvényekben növekszik az ellenállások zaja és TK értéke is Az ellenállás-hosszúság növelésével sok esetben együtt jár a linearitás romlása Az áramkör hordozójának anyaga és felületi viszonyai befolyásolják az ellenállások hosszú idejű stabilitását A megtervezett alakzatnak az alábbi követelményeket kell teljesítenie: A gyártási tűrések határain belül közelítse meg a kívánt ellenállásértéket Az előírt stabilitási követelmények mellett legyen alkalmas a fellépő teljesítmény disszipálására Ha a gyártási tűréseknél pontosabb szórású alkatelem szükséges, legyen lehetőség utólagos értékbeállításra A másodlagos (parazita) hatások ne haladják meg az előírt értékeket 29

30 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 6 Az ellenállások disszipációra történő tervezése során két feltételt minden körülmények között be kell tartani: Az adott réteganyag-hordozó párra megengedett fajlagos disszipációt nem lépjük túl Az ellenállás méretek meghatározásánál a technológiailag megengedhető mérethatárokkal kell számolni Ennek megfelelően az ellenállások felülete: F = l d = P P f ahol P = az ellenálláson disszipálódó teljesítmény Pf = a réteganyag-hordozó párra megengedett fajlagos disszipáció F = az ellenállás felülete l = az ellenállás-réteg hossza d = az ellenállás-réteg szélessége 30

31 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 7 A rétegből képzeletben kivágott d (l) elemi hosszúságú és d(d) elemi szélességű, állandó vastagságú hasáb ellenállása: dr = d( l) R d( d) A teljes ellenállás integrálással adódik: Az ellenállást alkotó egyenértékű négyzetek száma: R l d( l) dr R 0 = 0 d R = R l/ d n = R R = l d 31

32 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 8 Alap ellenállási formák 32

33 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 9 Az ellenállások lineáris méreteit az alábbiak szerint határozzuk meg: 1. A stabilitási követelményekből meghatározzuk az ellenállás minimális hasznos felületét 2. Meghatározzuk a névleges értékű ellenállás előállításhoz szükséges egyenértékű négyzetek számát 3. Meghatározzuk egy-egy egyenértékű négyzet méretét 4. Megvizsgáljuk, hogy az egyenértékű négyzetekre adódó méret nem kisebb-e a technológiai minimumnál 5. ha nem, vagy egyenlő, folytatjuk a méretezést 6. ha igen, az egyenértékű négyzetek méretét a technológiai minimummal tesszük egyenlővé és ezzel az adattal folytatjuk a méretezést 7. A topológiai adottságok, az utólagos értékbeállítási követelmények alapján döntünk az ellenállások alakjáról (típusáról) 8. Elvégezzük a mesterrajz készítéséhez szükséges összes méret meghatározását 33

34 Integrált alkatrészek Ellenállások és tervezésük 10 Egy-egy áramkör megvalósítása különleges követelményeket is támaszthat. Ilyenkor a méretezési lépések száma bővül, többszörös ellenőrzések, esetleg lépésenkénti közelítések válthatnak szükségessé. Az ellenállások méretezésénél, ha a %-os gyártási tűrések (K) pozitív szélsőértéke meghaladja az ellenállás megengedett legnagyobb %-os pozitív eltérését (t) a névleges mérettől, célszerű az ellenállás értékét aláméretezni. R n = K t (1 100 R név ) Így minden egyes legyártott ellenállás vagy beleesik a megkívánt értéktartományba, vagy az ellenállásértékét növelő trimmeléssel ebbe a tartományba állítható 34

35 Vékonyréteg-ellenállások 1 Megvalósítás: a hordozóra vákuumeljárással felvitt fém, fémötvözet vagy fémoxid-fém kombinált rétegekkel Leválasztott rétegek fajlagos ellenállása >> tömör anyagokra jellemző érték A rétegvastagság igen változó értékű Rétegek: Fajlagos felület nagy Rétegvastagság kicsi Szerkezetben sok rendellenesség: hibahelyek, porozitás, szennyeződések => vezetés nem tisztán fémes Thomson a vékonyrétegek fajlagos ellenállásának változása a töltéshordozó szabad úthosszának lerövidülése miatt A réteghatároló felületeken gyakran ütköző elektronoknak nagy az energiavesztesége => ellenállás nő 35

36 Vékonyréteg-ellenállások 2 Fajlagos ellenállás (ρ v ) függ: - a réteg geometriai mérete - szerkezetben rácshibák, szennyeződések, abszorbeált atomok Ezek pedig függnek: - rétegleválasztási paraméter (gőzölési sebesség, gőzforrás anyaga és alakja) - Hordozó hőmérséklete és felületi viszonyai Vékonyréteg fajlagos ellenállása: ρ: fajlagos ellenállás ρ = ρ + ρ + α v ρ sz ρ α : az elektronok szabad úthosszának csökkenéséből származó ellenállás változás ρ sz : a rácshibákból, szennyeződésekből adódó növekmény 36

37 Vékonyréteg-ellenállások 3 Az ellenállás hőmérséklettényezője függ: a rétegben milyen vezetési mechanizmus érvényesül a komponensek oxidációra való hajlama különböző Folytonos rétegek: általában pozitív Nem folytonos rétegek: negatív Hőmérséklet hatására irreverzibilisen megváltoztatják az értéküket. Ellenállások stabilitása: a rétegeket a felvitel után stabilizáló hőkezelés alá vetni Vékonyréteg-ellenállásréteg: minden fém, fémvegyület (oxid, nitrid), fémötvözet, ill. cermet (fémes és szigetelő keverék) 37

38 Vékonyréteg-ellenállások 4 Ellenállásanyagok: 1. Tiszta fémek - Kicsi fajlagos ellenállású => csak néhány fém - Nagy a hőmérséklettényező Tantál: legelterjedtebb nagy olvadáspontú => csak elektronsugaras gőzforrás segítségével párolog réteg előállítása: katódporlasztással előnye: felületén összefüggő (tűlyukmentes) oxidréteg állítható elő nagy a permittivitása => kondenzátor dielektrikumként alkalmazzák Ta-rétegből készült ellenállások hibája: stabilitásuk kedvezőtlen 38

39 Vékonyréteg-ellenállások 5 Tantál-nitrid Ellenállás előállítása: reaktív porlasztással a semleges gázba szabályozott mennyiségű és tisztaságú nitrogént engednek, amivel a porlódó Ta reakcióba lép és azzal vegyületet alkot 2. Fémötvözetek NiCr legáltalánosabban használt vékonyréteg.ellenállásanyag rétegfelvételi technológia legnagyobb problémája: króm és a nikkel eltérő parciális gőznyomása leggyakoribb rétegfelvétel: flash-gőzölés, szublimálás ill. katódporlasztás (legjobb rétegösszetétel) 39

40 Vékonyréteg-ellenállások 6 Cermet flash ellenállásréteget fém és szigetelőanyag porkeverékéből (pillanat) vagy elektronsugaras gőzöléssel leggyakoribb kompozíció: Cr-SiO szerkezet függ: szigetelőanyagtól (ide épülnek bele a fémrészecskék) fémrészecskék közötti vezetés: alagúteffektus útján => cermetellenállások negatív hőmérsékleti tényezőjűek Cr-Si 2 nagy (kohm-os) négyzetes ellenállású stabil rétegek állíthatók elő belőle 40

41 Vékonyréteg-ellenállások főbb jellemzői 2.3 táblázat 41

42 Jellemző TaN NiCr (50/50) cermet Cr-SiO (70/30) CrSi2 Négyzetes ellenállás [ohm] k 100-5k Ellenállás értéktartósság [ohm] k k 300-1M k Értéktürés [%] (gyártási) (+/-) 10 - (+/-) 5 (+/-) 10 - (+/-) 5 (+/-) 20 - (+/-) 10 (+/-) 20 - (+/-) 10 Értéktürés [%] (értékbeállítás után) (+/-) 1 - (+/-) 0,1 (+/-) 2 - (+/-) 1 (+/-) 2 (+/-) 2 Hőmérsékleti tényező [10^-6/ C] -80 (+/-) 100 (+/-) 50 (+/-) 100 Teljesítménysűrűség (üveghordozón) [mw/mm^2] Stabilitás [%] (1000h, 70 C) 0,1 0,2-0,5 0,2-0,6 0,4-0.6 Rétegfelviteli technológia reaktív porlaszt ás flash gőzölés flash gőzölés flash gőzölés 42

43 Vastagréteg-ellenállások 1 Ellenállás: a hordozóra szitanyomtatási technológiával felvitt, megfelelő elektromos és fizikai kémiai tulajdonságú pasztákkal Felnyomtatott réteg: pihentetik szárítják előírt hőmérséklet-eloszlású alagútkemencében ( C-on) egyenletes sebességgel átbocsátva beégetik (beégetett réteg µm vastag) A vastagréteg-ellenálláspaszták szuszpenzióik, alkotóelemeik: - fémek, valamint ezek oxidjaiból ill. ötvözeteiből álló részecskék vezetőfázist képeznek pl. Pd, Ag, Bi, Tl, Au, Cu - üvegjellegű anyagok a vezető komponenst rögzítik - szerves kötőanyagok a szitanyomtatást teszik lehetővé - oldószerek forráspontjuk 100 C felett segítségükkel az optimális viszkozitás beállítása 43

44 Vastagréteg-ellenállások 2 A leggyakrabban alkalmazott pasztarendszerek: 1. Pd-Ag - a legrégebben alkalmazott ellenállás-pasztarendszer - fém- és üvegrészek együttes súlyszázaléka 30/70 - az ezüst Ag/Pd ötvözet formájában van jelen - különösen érzékeny a beégetési körülményekre (idő, csúcshőmérséklet, a kemence hőprofilja, az atmoszféra összetétele) - a négyzetes ellenállás növekedésével nő a paszta üvettartalma (ha R=40 ohm => fém/üveg súlyarány 0,82; ha R=12 ohm => 0,2 44

45 Vastagréteg-ellenállások 3 2. Bi 2 Ru 2 O 7 (bizmut-ruthenium-oxid) - elterjedten alkalmazzák - Üvegkomponens összetétele súlyszázalékban: 54-59% PbO, 24-26% SiO 2, 16-19% B 2 O 3 - a beégetés során kémiai reakció nincs => kevésbé érzékeny a beégetési körülményekre - a hőmérsékletfüggést kadmium-adalékkal javítják 3. Thallium - beégetéskor toxikus égéstermék keletkezik => nem terjedt el (csak ktg-es berendezéssel semlegesíthető) 45

46 Vastagréteg-ellenállások 4 A vastagréteg-ellenálláspasztákban ma kizárólag a PbO(B 2 O 3 )SiO 2 összetételű üveget használják. Az üveg viszkozitása ZrO 2, TiO 2 vagy BiO 3 adagolásával széles határok között változtatható. Az üveghez kevert MnO2 negatív, míg a CuO pozitív értelemben módosítható az ellenállások hőmérsékleti együtthatója. A pasztákban található szerves adalékanyagok adják meg a paszták jellegzetességeit. 46

47 Vastagréteg-ellenállások 5 Az adalékanyagok 3 fő alkotóelemből állnak: - polimer kötőanyagból viszkozitást módosítja - oldószerek a gyanta hígítására szolgálnak (pl. terpentin) - különböző, a hordozó nedvesítését szolgáló anyagok (pl. polisztirén) Vezetési mechanizmus alapja több kutató szerint: az amorf szerkezetű üvegben sűrűn és meglehetősen egyenletesen elosztott szoros érintkezőláncot alkotó szemcsék az üveg biztosítja a vezetőláncok szilárd rögzítését és a réteg megfelelő tapadását a hordozóhoz 47

48 Vastagréteg-ellenállások 6 A vastagréteg-ellenállások stabilitását több tényező befolyásolja: - a hordozó-réteg eltérő hőtágulásából eredő feszültségek irreverzibilis változásokat idéznek elő a rétegben (pl. megreped) - az elektromos erőtér hatására fellépő anyagvándorlás - az elektromos térerősség által kiváltott irreverzibilis ellenállásváltozások - az ellenállások elektromos jellemzőinek függése a geometriájuktól - az ellenállások elektromos üzemi hőmérséklete - az ellenállásokat körülvevő közeg 48

49 49

50 Huzalozások és tervezésük 1 Huzalozás-rétegek feladatai: - az integrált kivitelű passzív elemek összekötése (egy- vagy többrétegű huzalozási pályák) - kontaktusfelületek kialakítása a hibrid elemek, ezek kivitelezései és az áramkör kivezető lábai részére - kondenzátorfegyverzetek kialakítása Huzalozás-rétegekkel szembeni követelmények: - kis négyzetes ellenállás - jó tapadó-képesség a hordozóhoz - kötésre való alkalmasság (forrasztás) - a huzalozás és ellenállás-réteg között kis átmeneti ellenállás és zajszegény kontaktus - a hőkezeléssel szembeni ellenálló-képesség (vékonyrétegnél hőkezelés, vastagrétegnél kiégetés) 50

51 Huzalozások és tervezésük 2 Az előbbi követelményeket a vékonyréteg-áramköröknél megfelelő anyagpárok kombinációjával, míg a vastagréteg-áramköröknél különféle pasztaösszetételekkel elégítik ki. A hibrid integrált áramkörök huzalozás-pályáit általános esetben csak a technológiai határ és a topológiai követelmények figyelembevételével méretezik. Ha az áramkör villamos jellemzői megkövetelik, szükség lehet az adott hosszon létrejövő maximális feszültségesés és a vezetéken megengedhető maximális áram meghatározására. A vezetőpályák és a hozzájuk kapcsolódó ellenállások között átfedést kell biztosítani. Az átfedés mértékét az egymást követő maszkolási technológiák helyezési bizonytalanságai és a kontaktusok ellenállásával szembeni követelmények szabják meg. 51

52 Vékonyréteg-huzalozásrétegek 1 Jó vezetőképesség! Huzalozás-rétegként jó vezető fémet kell választanunk! 52

53 Vékonyréteg integrált áramköri huzalozás-rétegek tulajdonságai Fém Fajlagos ellenállás [μohm/cm] Négyzetes ellenállás (rétegvastagság: 100nm) [ohm] Arany 2,4 0, táblázat Palládiumarany ötvözet 50/ Palládium 11 1,3 Réz 1,7 0,2 Aluminium 2,8 0,33 Titán Ni-Cr ötvözet

54 Vékonyréteg-huzalozásrétegek 2 Vékonyréteg-huzalozási anyagok: 1. Au (arany) - legáltalánosabb - fajlagos ellenállása kicsi - kémiai stabilitása kitűnő - kötési tulajdonságai az ón-ólom lágyforrasztás kivételével nagyon jók - egyszerűen vákuum-gőzölhető - egyszerűen és gyorsan szelektíven maratható - az üveg-hordozóhoz rosszul tapad => Au alá jól tapadó réteg kell (pl. Cr, NiCr, Ti, Mo) - Cr vákuumgőzöléssel viszik fel => reakcióba lép a maradékgáz oxigénjével elősegíti a tapadást - Cr-Au huzalozás-réteget hőkezelés alá vetni => Au jobb tapadása 54

55 Vékonyréteg-huzalozásrétegek 3 2. Au/Pd ötvözet - ezzel a lágyforraszthatóság nagymértékben javul - hátrány: fajlagos ellenállása az Au 10-szerese - ha kell, a huzalozási pályákat glavanizálással vastagítani lehet Technológiai probléma => max. kétrétegű huzalozási pálya egyedi huzalkereszteződésekkel állítják elő 55

56 Vékonyréteg-huzalozásrétegek 4 Huzalkereszteződések és kétrétegű huzalozási pályák előállítása: - kereszteződő vezetékek közé SiO gőzölése - a felső huzalozási pályák helyfoglalásával megegyező hordozó felületre SiO 2 porlasztása, azon ablaknyitás és a SiO 2 felületen a felső huzalozásréteg kialakítása - a kereszteződésbe behegesztett lemezhíd, fémezett poliimid fóliahíd, vagy ultrahangos kötéssel bekötött vastag huzalhíd (légszigetelés) - az alsó huzalozási réteggel már rendelkező hordozóra fotopolimer film felvitele, fotolitográfiával átvezető helyek nyitása rajta és ezután a felső huzalozási réteg kialakítása 56

57 Vastagréteg-huzalozásrétegek 1 A hordozóra szitanyomtatási technológiával felvitt és beégetett pasztákból alakítják ki. A paszták a következő alkatrészekből állnak: 1. A fémes vezetők (ezüst, arany, palládium, platina, réz) és ezek ötvözetei fémtartalom finom por alakjában van benne 2. Üveg jellegű anyag, finom eloszlásban beégetés során kötést létesít a hordozóhoz ill. a fémrészecskéket rögzíti 3. Oldószer kis gőznyomású szerves vegyület, a szitanyomtatásnál ez a hordozóanyag 4. Tixotrópiát beállító adalék (polimer vegyület) szitanyomtatáshoz kell 57

58 Vastagréteg-huzalozásrétegek 2 A kiégetett vezetőréteg a színterelt fém és üveg keveréke. A vastagréteg-huzalozásrétegek vezetőképessége kb. egy nagyságrenddel kisebb az alkotóként szereplő féméhez képest. A vezetőképesség függ: fém-üveg aránytól, fémrészecskék alakjától és méretétől, a vezetőréteg effektív keresztmetszetétől és a beégetési technológia paramétereitől. A beégetési körülmények befolyásolják az üveg viszkozitását, felületi feszültségét, stb. A kiégetett vezetőrétegben nem oszlik el egyenletesen az üveg. 58