Мікроелектроніка напівпровідникові, гібридні та плівкові мікросхеми
Мікроелектроніка - це один з напрямків електроніки, який покликаний створити мініатюрну високонадійну апаратуру з малою споживаною потужністю, низькою вартістю та іншим.
Інтегральною мікросхемою, або скорочено ІМС, називають монолітний виріб, призначений для виконання функцій заданого каскаду або цілої системи, компоненти якого з'єднані між собою певним чином, і які не можна відокремити один від одного демонтажними операціями. Розрізняють аналогові мікросхеми, які безперервно відстежують та впливають на сигнал, та цифрові мікросхеми, які дискретно перетворюють та обробляють інформацію. Мікросхеми класифікують за ступенем інтеграції, що дорівнює логарифму від числа деталей n, розміщених в одній ІМС: k = ln n. За методом отримання розрізняють три види ІМС: плівкові, напівпровідникові та гібридні.
У плівкових ІМС деталі та з'єднання здійснюють шляхом отримання плівок малої товщини з різними властивостями, виконаних на підкладці з не провідного електричного струму матеріалу. Плівкові мікросхеми поділяють на дві групи: на тонкоплівкові з товщиною плівки менше 1 мкм і товстоплівкові з більшою товщиною, що часто становить близько 20 мкм. Відмінність тонкоплівкових і товстоплівкових ІМС полягає не тільки в кількісній товщині плівок, але насамперед у технології їх нанесення.
У напівпровідникових ІМС деталі та сполуки утворені спеціальними технологічними методами в кристалі напівпровідника. Поєднаною називають таку напівпровідникову ІМС, в якій одна частина деталей виконана методом тонкоплівкової, а інша частина – методом напівпровідникової технології.
У гібридних ІМС, скорочено званих ГІС, резистори та деякі інші пасивні компоненти отримують на діелектричній підкладціметодом тонкопленочной технології, а дискретні безкорпусні активні компоненти розташовують поруч на підкладці і з'єднують дротом із контактними майданчиками.
9.2. Плівкові мікросхеми
Підкладки плівкових мікросхем, які виготовляють із сапфіру, ситалів, керамік та іншого, завжди мають прямокутну конфігурацію та товщину порядку від 0,2 мм до 1 мм. Підкладки не повинні вступати в хімічні реакції з матеріалами плівок, зобов'язані мати низький ступінь шорсткості поверхні, повинні мати високий електричний опір. Нанесення плівок на підкладку здійснюють через трафарет, який називають маскою. Виконання плівкових конденсаторів і особливо котушок індуктивності з дуже вагомих причин не рекомендують, проте в окремих випадках без них все ж таки не обійтися.
Товстоплівкові контактні майданчики виконують, наприклад, запаленням паст, що містять алюміній, мідь, тантал або в окремих випадках золото. Щоб отримати адгезію металевих покриттів до підкладки, на ній спочатку формують проміжний шар нікелю, який володіє кращою адгезією, ніж інші метали, а вже на цей шар наносять потрібний матеріал.
Плівкові резистори, які виконують нанесенням на підкладку паст, що містять нікель, кермети, тантал, хром і т.д. зі сполучною речовиною, мають прямокутну конфігурацію. З метою підвищення опору резистора його виконують у вигляді з'єднаних один з одним численних елементарних однакових ділянок Г-подібної або П-подібної конфігурації, які повторюють доти, доки не буде отримано необхідне опір, що показано на рис. 9.1.
Зазвичай опір такого плівкового резистора може становити від 0,05 кОм до 50 кОм, а отримати набагато більший або набагато менший опірважко.
Плівкові конденсатори мають багатошарову структуру та у загальному випадку утворені двома електропровідними плівками, між якими виконують шар діелектричної плівки. Обкладинки плівкових конденсаторів виготовляють з електропровідних плівок, що містять алюміній, тантал, срібло, мідь та подібні матеріали. Діелектричну плівку зазвичай отримують з різних оксидів: окису танталу, трисірчистої сурми, двоокису кремнію, моноокису германію та ін. Ємність плівкових конденсаторів зазвичай становить від 10 пФ до 20 нФ.
Плівкові котушки індуктивності мають спіралеподібну форму, що зображено на рис. 9.2 і утворені нанесенням струмопровідних плівок на поверхню підкладки.
Індуктивність таких плівкових котушок не перевищує 10 мкГн.
Виготовлення активних компонентів нашарування плівок викликає великі труднощі.
9.3. Гібридні інтегральні мікросхеми
Зазвичай на діелектричній підкладці ГІС створюють суто пасивні деталі, наприклад, постійні резистори. Активні дискретні компоненти, розроблені для використання в ГІС, не мають корпусів, а для захисту від згубного впливу навколишнього середовища покривають крапельками лаку або компаунду. Транспортування активних компонентів здійснюють у спеціальних контейнерах. Контактні майданчики, створені на підкладці ГІС, необхідні для забезпечення взаємних з'єднань плівкових деталей, а також для підключення тонких провідників, які здійснюють електричні контакти між тонкоплівковими та зовнішніми дискретними компонентами. Активні компоненти, які підключають до контактних майданчиків, виконують з жорсткими або гнучкими висновками. Деталі з жорсткими висновками найбільш зручні для автоматичного складання ГІС, проте розробка таких виробів пов'язана з певнимитруднощами. Конденсатори з ємністю більше 20 нФ та котушки індуктивності зазвичай не виконують на підкладці ГІС, а використовують як навісні компоненти. У великих ГІС – скорочено БГІС – як зовнішні деталі застосовують безкорпусні напівпровідникові мікросхеми. З'єднання компонентів ГІС з висновками корпусу здійснюють паянням, мікрозварюванням і т.п.
9.4. Напівпровідникові мікросхеми
Підкладки напівпровідникових мікросхем зазвичай виконують із монокристалічного кремнію p-типу. Виготовлення електронно-діркових переходів напівпровідникових ІМС здійснюють зазвичай за допомогою епітаксійного нарощування або методом дифузійно-планарної технології. Планарна технологія передбачає створення деталей та електричних з'єднань у підкладці в одній площині. Епітаксіальне нарощування полягає в напиленні розігрітого напівпровідника деякі ділянки поверхні підкладки. Дифузійна технологія полягає у проникненні розігрітих газоподібних домішок у відведені для цього ділянки підкладки. В результаті виникають багатошарові утворення, кожен шар яких має заданий тип провідності. Резистори, конденсатори та інші пасивні компоненти напівпровідникових ІМС мають набагато більші габарити, ніж активні компоненти, такі як транзистори. З метою мінімізації розмірів діоди напівпровідникових ІМС воліють замінювати транзисторами в діодному включенні.