1. Az elektronikai termékek és technológiák rendszere. A diszkrét alkatrészek fajtái.

Átírás

1 1. Az elektronikai termékek és technológiák rendszere. A diszkrét alkatrészek fajtái. A technológia az ismereteknek az az ága, amely tudományos és ipari módszerekre és azoknak az iparban való gyakorlati alkalmazására vonatkozik. (Þ az elektronikai iparban) A technológia az anyag (vagy információ) jellemzőinek (paramétereinek) tervezett, maradandó megváltoztatása. A technológia csoportosítása: Összetettség szerint: technológiai rendszerek: termékek szerint alaptechnológiai eljárások: természettudományok szerint Fejlettségi szint alapján: pl. csúcstechnológia Alapanyag szerint: pl. szilíciumtechnológia Alkatrészek: Diszkrét alkatrészek: Furatszerelt, Felületszerelt, Félvezető eszk. és IC chip. Szerlőlemez, hordozó: Nyomtatott huzalozású lemez, Vastag- és vékonyréteg hordoó és IC Moduláramkörök: Nyomtatott huzalozású kártya, Felületszerelt áramkör, Hibrid integrált áramkör, Multichip modul. Készülék: Elektronikai rendszer Egyéb: Tápegység, elem, akku., Mechanikai alkatrész és modul, Elektromechanikai, Optoelektronikai, Mechatronikai, Egyéb. Furatszeretl alkatrészek: Hajlékony vagy merev kivezetések (alkatrészlábak). A hajlékony kivezetéseket a furatok helyzetének megfelelően méretre- vágják és -hajlítják. A merev kivezetésű alkatrészek lábkiosztása kötött. A kivezetéseket a szerelőlemez furataiba illesztik és a másik oldalon forrasztják be. Ezért megkülönböztetünk alkatrész- és forrasztási oldalt. Felületszerelt alkatrészek: Rövid - furatszerelésre alkalmatlan - kivezetésekkel vagy az alkatrész oldalán/alján lévő, kivezetési célú forrasztási felületekkel rendelkeznek. Az alkatrészeket a kötött elrendezésű kivezetéseknek megfelelően kialakított felületi vezetékmintázatra (forrasztási felületekre, pad -ekre) ültetik rá és ugyanazon az oldalon forrasztják be. Chip és chipméretű alkatrészek: 1. Chip: közvetlen ráragasztása a hordozóra és bekötése huzallal. TAB (Tape Automated Bonding): szalagra szerelt fóliakivezetős chip, könnyen automatizálható bekötés 3. Flip chip: a kivezető felületeken bump -ok, fordított helyzetű bekötés 4. CSP: az interposer szétosztja a kivezetéseket a teljes felületre A chipet a felületre ragasztják vagy forrasztják, ezután a chip és a hordozó kivezetési felületeit vékony huzallal kötik össze, vagy a chipet interposer -re szerelik és tokozzák, a méret max. 0%-kal nő. Area array elv: felületi rácspontokra szétosztott kivezetések (bumpok).

2 . Az áramköri hordozók fajtái. Moduláramkörök és készülékek felépítése Hordozók: Nyomtatott huzalozású lemezek Kiinduló anyag: rézfóliával borított, üvegszál erősítésű epoxi lemez. A rézfóliába fotolitográfia, galvanizálás és maratás kombinációjával készítik a mintázatot. Az egymás fölötti vezetékrétegeket furatok, ill. viák átfémezésével kötik össze. Többrétegű lemezek egy-két réteges lemezek összeragasztásával vagy rétegek ráépítésével készíthetők. Vastagréteg hordozók, integrált áramkörök A vastagrétegeket kerámia hordozólemezre szitanyomtatással felvitt paszta beégetésével készítik. A paszta por formájában funkciót meghatározó anyagot (fémet, fémoxidot, titanátot, stb.), üveget és kémiai oldószereket tartalmaz. Beégetés hatására üvegszerű réteg alakul ki. Az integrált áramkörök ellenállás- és vezetékmintázatból épülnek fel. Vékonyréteg áramkörök A vékonyréteg áramköröket üveg hordozólemezre vákuumeljárással felvitt rétegekből fotolitográfiával és maratással állítják elő. Az ellenállásrétegek anyaga rendszerint fémötvözet, pl. Ni-Cr, a vezetékmintázatot aluminiumból vagy Cr+Ni+Au szendvics- rétegből készítik. A nagypontosságú el-lenálláshálózatok ál-talában vékonyréteg technológiával készülnek. Moduláramkörök: Furatszerelt áramkörök A furatszerelhető alkatrészek kivezetéseit kétoldalas, furatfémezett nyomtatott huzalozású lemez furataiba illesztik, és hullámforrasztással a másik oldal vezetékmintázatához forrasztják. Felületszerelt moduláramkörök A felületszerelhető alkatrészek kivezetéseit kétoldalas vagy többrétegű nyomtatott huzalozású lemez felületén kialakított vezetékmintázatra illesztik, és forrasztással ugyanazon oldal vezetékmintázatához kötik. Hibrid integrált áramkörök A hibrid integrált áramkörök általában vastagréteg integrált áramköri - vagyis vezetékezést és integrált formájú ellenállásokat is tartalmazó - hordozókra ráforrasztott felületszerelhető alkatrészekből épülnek fel. Ritkábban vékonyréteg hordozókkal is készítenek hibrid áramköröket. A hibrid elnevezés azt jelenti, hogy integrált formájú elemek (ellenállások) mellett az áramkörök beültetett alkatrészeket (IC-ket) is tartalmaznak. Multichip modulok Multichip moduloknak a több chipet tartalmazó, szerelt áramköröket nevezzük. A MCM-ok legfontosabb tulajdonságai: legalább két tokozatlan vagy chipméretű tokozott alkatrész, nagy vezetéksűrűségű (HDI = High Density Interconnect) hordozó, hatékony hűtési módszer.

3 A MCM-okat a - rendszerint többrétegű - hordozó szigetelő rétegének készítéséhez alkalmazott technológia alapján csoportosítjuk: a laminált multichip modulok (MCM-L) hordozója többrétegű, laminált nyomtatott huzalozású lemez, a többrétegű kerámia hordozójú modulok neve MCM-C (ceramic), a vékonyrétegtechnológiai vákuumeljárásokkal felépített (leválasz-tott) rétegszerkezetű hordozóra szerelt modulokat MCM-D-nek (deposited) nevezzük. Az elektronikus készülékek felépítése A készülékek elektronikus moduláramkörökből és nem, vagy csak részben elektronikus (mechanikai, elektromechanikai, optoelektronikai, mechatronikai, stb.) alkatrészekből és modulokból, valamint tápegységekből, illetve energiaforrásokból épülnek fel. A modulokat anya-kártya (mother board), hátlaphuzalozás vagy többerű kábelezés köti össze. 3. Vákuumtechnikai alapfogalmak. Félvezető egykristály tömb és szelet előállítása A gáz jellemzői: nyomás (p), térfogat (V), hőmérséklet (T, kelvin), tömeg (m), móltömeg (M), részecskék száma (N) Az általános gáztörvény: p V = (m/m) R T = (N/NA) R T, ahol R = 8,31 J/K, az általános gázállandó, NA = 6,0 103, az Avogadro féle szám A részecske-sűrűség (n) és a nyomás (p) kapcsolata: n = N/V = (NA/R) (p/t) = p/(k T), ahol k = R/NA = 1, J/K, a Boltzman állandó Szabad úthossz meghatározása: Egyszerű modell: a gázrészecskék állnak, csak a vizsgált mozog Az L hosszúságú, 4ra átmérőjű hengerben 1 részecske van: n V = 1, ahol V = (ra) p L, innen L» 1/[(ra) p n] Pontosabb modell alapján, ha minden részecske mozog: L = 1/[1/ (ra) p n] = k T/[1/ (ra) p p] = C/p A szabad úthossz (L) és a nyomás (p) kapcsolata: L = C/p, levegőre (ra»0,1nm, T=300K) C» 5, Nm/m A nyomás (p), a szabad úthossz (L) és a részecske-sűrűség (n) értékei vákuumban (csökkentett nyomású levegőben) p, Pa (N/m) L, m n, 1/mm nm, durva vákuum 1 5,3 mm, nagyvákuum m, ultra nagyvákuum km 4

4 A vákuumrendszerek fő részei: Nyitható vákuumedény (alaplap + felemelhető búra), Tömítések (szelepekben, átvezetőkben is), Szelepek, Vákuummérők, Szivattyúk: kifagyasztók (kondenzációs), nagyvákuum szivattyú (diffúziós), elővákuumszivattyú (rotációs) Fontosabb szivattyúfajták és működési elvük Forgólapátos (rotációs) szivattyúk: ciklikusan, adott térfogatnyi gázmennyiség elkülönítése, komprimálása (összenyomása), majd eltávolítása szelepen át Diffúziós és turbomolekuláris szivattyúk: nagy sebességű testtel való ütközés miatt sodródás diffúziós sz.: olajgőz sugárba diffundálnak be a gázrészecskék és a nagysebességű gőzrészecskékkel való ütközés miatt sodródnak turbomolekuláris sz.: forgó lapát felületével ütköznek a gázrészecskék Kifagyasztók: a gőz/gáz részecskék kondenzálódnak a hűtött felületeken, a parciális nyomást zárt térben a leghidegebb felület hőmérséklete korlátozza Getter szivattyúk (egyes gőzökre/gázokra nézve szelektíven): kémiailag lekötik, vagy fizikailag eltemetik a részecskéket (pl. a Ti párologtatáskor leköti - kiszivattyúzza - az oxigént) 4. Félvezető egykristály tömb és szelet előállítása. Vékonyrétegek vákuumpárologtatása. 1. Czochralski-féle tégelyes egykristály-húzási eljárás:. Tégelymentes zónás átkristályosítás

5 A szeletkészítési technológia további lépései: - a kristály orientációjára jellemző sík felület (flat) beköszörülése - fűrészelés ~1 mm-es szeletekké - kémiai maratás - többfokozatú csiszolás - kémiai-mechanikai polírozás A szelet (wafer) végülis egy 0,3 0,6 mm vastag, plánparalel, síkfelületű, ismert orientáltságú, felületi szennyezőket, hibákat csak ppb (parts per billion = 10-9) koncentrációban tartalmazó lemez Vékonyrétegek vákuumpárologtatása. A párologtatás folyamatai: 3. Kondenzáció (lecsapatás): a hordozó melegítésével lassított, szabályozott rétegépítés. Anyagtranszport: a részecskék egyenes vonalú mozgása a sugár-zás törvényei szerint 1. Molekulákra bontás: az anyag gőzfázisba vitele, elpárologtatása melegítéssel Vákuumpárologtatáshoz használt gőzforrások: Árammal fűtött W, Mo csónak melegíti fel a ráhelyezett anyagot. A csónak lehet: huzal (spirál), tégely, tömb, lemez. Elektronsugár hevíti fel az anyagot: Függőcseppes: 180 fokos: Gőzforrások iránykarakterisztikája: dm1/(m1dw) = egy vektor által kijelölt (z-vel j szöget bezáró) irányban dw kicsi térszögben kilépő dm1 gőztömeg relatív értéke

6 Párolgási sebesség (z) z = részecskék száma / (felület idő) = = állandó (A) gőznyomás (p) p = B e -H/(R T) ahol B = állandó, H = párolgási hő, R = ált. gázállandó, T = hőmérséklet (Kelvin) A párolgási készség az 1 Pa gőznyomás eléréséhez szükséges hőmérséklettel jelle-mezhető. E készség különbözősége teszi lehetővé a csónakról való párologtatást, de hátrányos ha ötvözetréteget készítünk. 5. Vákuumporlasztás. Epitaxiás félvezetőrétegek növesztése. Ionimplantáció. A porlasztás folyamata: 1. Gőzállapotba hozás: a. spontán ionizáció > primér elektronok b. az elektronok gyorsulnak > ütközéses ionizáció > ionok és szekundér elektronok c. az ionok gyorsulnak > részecskéket ütnek ki a target-ből (mozgásmennyiség átadás). Anyagtranszport: a porlasztást végző ionok jelenléte miatt a diffúzió törvényei szerint 3. Kondenzáció. A párologtatás-hoz hasonlóan a folyamat: magok > szigetek > a szigetek összeérnek, a folyosók feltöltődnek > összefüggő réteg Katódporlasztás: A félvezetők legfontosabb rétegfelviteli, rétegmódosító és mintázatkészítő eljárásai 1.Epitaxiás rétegnövesztés: gőzfázisú epitaxia (CVD), molekulasugaras epitaxia (MBE = Molecular Beam Epitaxy), folyadékfázisú epitaxia.a felületi rétegtulajdonságok szelektív megváltoztatása: ionimplantáció diffúzió 3.Oxidnövesztés a szilícium szelet felületén

7 4.A szigetelő, vezető, félvezető és passziváló rétegek felviteli eljárásai: kémiai rétegfelvitel gőzfázisból (CVD = Chemical Vapor Deposition) 5.Mintázatkialakítás litográfiával (az eljárást általában nedves vagy száraz kémiai maratás - rétegeltávolítás - követi): fotolitográfia elektronlitográfia röntgenlitográfia Epitaxiás rétegek növesztése 1. CVD (Chemical Vapor Deposition): a félvezető vegyületét (ált. hidridjét v. halidját) gáz v. gőz formában hevítik, a vegyület elbomlik v. redukálódik és kicsapódik a félvezető. Tipikus reakciók: SiCl 4 +H < > Si+4HCl (1300 o -on ) SiH 4 < > Si+H (szilán, 100 o -on ). MBE (Molecular Beam Epitaxy): molekulasugaras epitaxia, t.k. lassú, pontosan szabályozott párologtatás több, szublimáló gőzforrásból 3. Folyadékfázisú epitaxia: alacsony-olvadáspontú fém (ált. Ga) olvadé-kában a félvezető túltelített oldatát hozzák létre, ebből csapatják ki. Ionimplantáció Az ionforrás: -gázból: kisütéssel, r.f.-el, hővel (ívvel) gerjesztve -folyékony vagy szilárd anyagból: porlasztással, párologtatással majd ionizálva -vegyület elbontásával (pl.: BF 3, BCl 3 ) Az ionimplanter felépítése:

8 6. Diffúzió. Oxidnövesztés. Kémiai rétegfelvitel gőzfázisból (CVD). A diffúzió koncentráció és hőmérséklet-függése. Fick I.: J = D gradn Lineáris mintába: N J = D x D = 0 D e H kt J: részecske ármasűrűség ( 1 / m s ) 3 N: koncentráció ( 1/ m ) D: diffúziós állandó ( m / s ) x: helykoordináta ( m ) T: hőmérséklet (K) 3 k: Boltzmann áll.: 1,38 10 J / K H: aktivációs energia (J) t: idő (s) N N Fick II.: = D t x Lejátszódása: -helycsere -vándorlás rácsközti helyeken -vándorlás üres rácspontokon Állandó felületi koncentráció (N 0 ) x N = N0 erfc Dt z erfc z = e u ( ) 1 du 0 π

9 Állandó anyagmennyiség diffúziója. Tranzisztor np és pn átmeneteinek létrehozása Állandó anyagmennyiség (n ; [] 1/ m x n 4Dt N e n = ) N = π Dt n πdt A diffúzió és az ionimplantáció összehasonlítása A réteget alkotó részecskék sűrűségeloszlása (C) a mélység (x) függvényében: Diffúzió: Ionimplantáció:

10 A rétegfelviteli eljárások összehasonlítása A réteget alkotó részecskék mélységi (x) sűrűségeloszlása (N) ionimplantációval, illetve más eljárásokkal készített rétegekben: Szilícium nedves, ill. száraz oxidálása kályhában Szilícium felületére növesztett szilícium-dioxid CVD (Chemical Vapor Deposition) Kémiai rétegfelvitel gőzfázisból SiCl4 + CH 4 SiC + 4HCl MoF6 + 3H Mo + 6HF CH + 4Cl C + 4HCl 4 BME-ETT kunterbunte slideok to grayscale printable version convert by Bagojfalvi Bagoj