Лекція 12

Тема: Конструкція пасивних елементів мікросхеми.

План

1. Основні відомості.

2. Комутаційні плати та пасивні елементи гібридних мікросхем та мікрозбірок.

Література:

1. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа, 1989 - с.257 – 284

Після вивчення теоретичного матеріалу за даною темою студенти повинні:

Знати конструкцію пасивних елементів мікросхеми;

Вміти розробляти ескізи топології мікросхеми.

1. Основні відомості.

Широке використання РЕА відкрило великі можливості для науково-технічного прогресу, але призвело до ускладнення самої РЕА. Якщо професійний зв’язний приймач 20-х років складався з декількох десятків радіокомпонентів, то сучасний приймач, який приймає сигнали в широкому діапазоні частот без ручної підстройки гетеродина, має містити кілька тисяч дискретних компонентів.

Таке різке ускладнення апаратури збільшило її габарити, потужність, яку використовує, однак знизило надійність.

Це протиріччя призвело до пошуку нових методів конструювання РЕА, в результаті чого був розроблений метод з використанням мікросхем.

Кожна мікросхема представляє конструктивно закінчений прилад, який виконує в апаратурі окремі функції. Як й звичайна схема, яка побудована на окремих дискретних компонентах, повинна включати транзистори, діоди, резистори та конденсатори. Однак різниця складається в тому, що в мікросхемі всі або частина елементів зв’язані між собою та з’єднанні електрично так, що прилад розглядається як єдине ціле. Для отримання всіх елементів в мікросхемі широко використовують технологічні процеси, розроблені для виготовлення напівпровідникових приладів, а також плівкову технологію, що дозволила створити конструктивний елемент з новими якостями.

Апаратура, яка збудована на мікросхемах, у зрівняні з подібною апаратурою на дискретних компонентах має наступні основні переваги:

1) менші розміри апаратури;

2) найбільш низька вартість процесу виробництва;

3) підвищена надійність, що зменшує вартість експлуатації за рахунок скорочення простою апаратури.

Причини, які привели к цим перевагам, стануть знайомими після розгляду конструкції мікросхем.

По принципу побудови мікросхеми можна поділити на наступні основні типи.

1.1. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми.

Такі схеми мають один кристал напівпровідникового матеріалу, в якому спеціальними технологічними методами виготовлені резистори та конденсатори разом з транзисторами та діодами і з’єднання між ними.

Для виготовлення можна прийти кремній, германій, арсенід галію та інші матеріали. Однак найбільше поширення отримали мікросхеми на основі кремнію.

1.2. Гібридні інтегральні схеми.

В таких схемах пасивні компоненти (R, L, C) виготовляють на ізоляційних підложках нанесенням на них плівок, а активні елементи (транзистори та діоди) виготовляють в кристалі, який монтують на підложці з пасивними компонентами. До числа гібридних відносять також багатокристальні схеми, це мікросхеми, які складають з декількох кристалів, які з’єднані між собою та змонтований в одному корпусі.

У випадку, якщо пасивні компоненти з необхідними характеристиками (конденсатори великої ємності) не можна отримати методами тонкоплівочної технології, в гібридній мікросхемі можна встановити малогабаритні дискретні компоненти.

Окремі компоненти гібридної схеми можуть з’єднуватися між собою струмопровідними плівочними провідниками, які нанесені на підложку.

Будь-яка інтегральна мікросхема має герметичний корпус, який захищає кристал та ін. елементи від зовнішніх впливів.

Мікросхеми – це виріб, який виконує визначену функцію перетворення та обробки сигналів, та призначений для широкого застосування в різноманітних видах апаратури.

Конструкція та технологічний процес виготовлення мікросхем відробляється в розрахунку на масове виробництво, їх виготовляють спеціалізовані підприємства.

Мікрозбірка – це гібридна мікросхема місцевого застосування, яка може складатися з резисторів, конденсаторів, корпусних чи безкорпусних діодів, транзисторів ті мікросхем, а також інших елементів, які з’єднані між собою необхідним чином.

Схему та конструкцію мікрозбірки розробляє конструктор РЕА, в якій вона буде використовуватись. Технологічний процес виготовлення розробляється виходячи з потреби в тих виробах, для яких вона призначена.

Конструювання апаратури з застосуванням мікрозбірок крім зменшення об’єму та маси повинно забезпечувати підвищення надійності апаратури та створювати умови уніфікації схемних та конструктивних рішень.

Кожна мікрозбірка складається з комутаційної плати, елементів, компонентів та при необхідності корпуса.

Елемент – частина мікрозбірки, яка реалізує функцію якого-небудь електрорадіоелемента, яка виконана нероздільно від комутаційної плати та не може бути виділена в самостійний виріб з точки зору вимог виготовлення та експлуатації. Прикладами елементів мікрозборок є резистори та індуктивні котушки, які виконані шляхом нанесення плівок безпосередньо на комутаційну плату.

Компонент – частина мікрозбірки, яка реалізує функцію якого-небудь електрорадіоелемента, яка може бути виділена як самостійний виріб. прикладами компонентів є транзистори, об’ємні конденсатори, та резистори, які встановлюються на комутаційну плату.

На комутаційній платі розташовують також плівочні провідники, які з’єднують елементи і компоненти, а також контактні площадки, які служать для приєднання виводів компонентів та плати к виводам корпусу.

По конструктивному виконанню мікрозбірки підрозділяють на плоскосні та об’ємно-плоскосні.

У мікрозбірки плоскосної конструкції елементи та компоненти розташовані на одній площині, а у мікрозбірки об’ємно-плоскісної конструкції – на двох та більше площинах.

2. Комутаційні плати та пасивні елементи гібридних мікросхем та мікрозбірок.

2.1 Підложки та комутаційні плати. Заготовку, яка призначена для виготовлення комутаційної плати, називають підложкою. Матеріал підложки, на яку наносять плівку, повинен містити наступні якості:

1) можливістю створення гладкої поверхні;

2) якісною теплопровідністю (для схем середньої та великої потужності);

3) малими діелектричними втратами (для схем СВЧ діапазону).

В табл.12.2 приведені характеристики деяких матеріалів, які використовуються для виготовлення підложек.

2.2 Товсті та тонкі плівки. Плівки, які використовуються в мікрозбірках, можна розділити на товсті та тонкі.

Товсті плівки (товщина 10-30мкм) отримують нанесенням на ізоляційну підложку спеціальних паст, які мають в якості зв’язки мілкодисперсне скло та спеціальні наповнювачі. В залежності від наповнювачей пасти мають різний опір та їх використовують для отримання провідників, резисторів або ізоляторів. Пасти наносять на підложку через сітчасті трафарети, після чого підложку підвергають термічній обробці, в результаті якої проходить вжигання пасти.

Тонкі плівки наносять на ізоляційну підложку методом вакуумного осадження або катодного розпилювання (останній метод використовують для осадження плівок тугоплавких металів). Для отримання необхідного рисунку використовують осадження плівки через спеціальну маску або фотоспосіб.

При використанні прецизійних фотошаблонів можна призвести необхідний рисунок з точністю одиниць мікрометрів, що дозволяє розташувати на маленькій площі складну схему. Крім того, товщина плівки, а також її якості можуть контролюватися в процесі виготовлення.

Технологічний процес отримання тонкоплівочних мікрозбірок потребує більш дорогого обладнання і значно більш складний, ніж процес виготовлення товстоплівочних схем. Однак рисунок товстоплівочної схеми можна виконати при ширині ліній на відстані між ними не менш як 150мкм. При цьому на заданій площі підложки можна розташувати менш складну схему. Габарити мікрозбірок, які виготовлених товстоплівочною технологією, більш, ніж у виготовлених з використанням тонких плівок. Тому товстоплівочні мікрозбірки використовуються при виготовленні битової або промислової апаратури, де рішучим фактором є вартість. В апаратурі, до якої пред’являються жорсткі вимоги по масі та габаритам, застосовують тонкоплівочні мікрозбірки. Тонкі плівки основні також для отримання мікрозбірок СВЧ-діапазону, які вимагають високої точності виконання лінійних розмірів, та смугових вузлів, які широко застосовуються при конструюванні приладу СВЧ-діапазону.

2.3 Контактні площадки та друковані провідники.

Контактні площадки служать для приєднання жорстких або гнучких виводів компонентів, а також для приєднання провідників, за допомогою яких комутаційна плата з’єднується з виводами корпуса.

Провідники служать для з’єднання між собою контактних площадок та печатних елементів мікрозбірки (опорів, конденсаторів, індуктивних котушок).

Для провідників та контактних площадок мають використовуватись матеріали з малим опором та хорошим щепленням з матеріалом підложки: електричний опір квадрату плівки проводячих слоїв повинно бути не менш 0,03 Ом.

Тонкоплівочні провідники та контактні площадки.. Для їх виготовлення найбільш часто застосовують алюміній або мідь. Для покращення щеплення провідника з підложкою зразу наносять шар ванадію товщиною 0,04 – 0,05 мкм, а потім шар алюмінію або міді товщиною 1,2 – 1,6 мкм.

Алюмінієві контактні площадки використовують в тому випадку, якщо гнучкі виводи компонентів будуть приєднувати до контактної площадки зваркою. Для спрощення технологічного процесу в цьому випадку умісно та провідники виконувати з алюмінію.

Товстоплівочні провідники та контактні площадки. При використанні товстоплівочної технології для отримання провідників та контактних площадок на підложку наносять провідникові пласти, наприклад, типу 3701 та 3711 і вжигають їх.

Особливості товстоплівочної технології не дозволяють отримувати провідники таких же розмірів, як при тонкоплівочної технології: ширину провідників та відстань між ними зазвичай роблять не менш 150 мкм.

2.4. Плівочні резистори. Для виготовлення резисторів застосовують велику кількість тонких та товстих плівок. Опір цих плівок характеризують значення опору шару.

На рис. 12.1. показана квадратна тонка пластина, через бокові грані якої проходить струм.

В табл. 12.3. приведені матеріали, які найбільш широко застосовуються для виготовлення тонкоплівочних резисторів.

Для виготовлення товстоплівочних резисторів застосовують пасти, які містять суміш срібла та паладію. Характеристики деяких паст для виготовлення товстоплівочних резисторів приведені в табл. 12.4.

2.5. Плівочні конденсатори. Плівочні конденсатори виконують в двох варіантах: трьохшарові конденсатори (рис. 12.4, а, б), які складаються з двох металічних обкладок, які розділені шаром діелектрика, та конденсатори планарної конструкції (рис. 12.4, в), в яких обидві обкладки нанесені на діелектрик та розміщені в одній площині. Якість і надійність тонкоплівочних схем в значній мірі визначаються якість та надійністю конденсаторів.

2.6. Мікросмугові лінії ( МСЛ). При розробці конструкції мікрозбірок, які працюють в діапазоні метрових та більш коротких хвиль, необхідно враховувати вимоги, які пред’являють до лінії для передачі ВЧ сигналів.

В мікрозбірках для передачі ВЧ сигналів застосовують мікросмугові лінії.

Конструкція мікросмугової лінії повністю аналогічна конструкції смугової лінії.

Застосування тонкоплівочної та товстоплівочної технології дозволяє різко скоротити габарити таких ліній.

2.7. Плівочні індуктивні котушки. Вони мають відносно великі розміри, малу індуктивність, тому їх використовують рідко. Однак в практиці конструювання мікрозбірок зустрічаються випадки, коли без індуктивних котушок не вдається виконати мікрозбірку. Деякі варіанти виконання плівочних котушок показані на рис. 12.8. Мінімальні розміри провідників та зазорів приведені в табл. 12.7.

Д/з: Вивчити теоретичний матеріал.