научная статья по теме РЕЗИСТИВНЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ СТРУКТУРЫ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ МИКРОСБОРОК НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РЕЗИСТИВНЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ СТРУКТУРЫ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ МИКРОСБОРОК НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 1, с. 3-8

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382

РЕЗИСТИВНЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ СТРУКТУРЫ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ МИКРОСБОРОК НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ © 2014 г. В. Я. Подвигалкин, Н. М. Ушаков

Саратовский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской АН

E-mail: nmu@bk.ru Поступила в редакцию 04.10.2012 г.

Приведены результаты измерения электропроводности и емкости микросборок, разработанных на основе толстых пленок композитных наноматериалов. Показано, что для выбранной линейчатой структуры элементы резисторов и конденсаторов в виде толстых пленок можно использовать в схемотехнике двояко: толстопленочные резисторы могут работать одновременно и как электрические конденсаторы и наоборот. Установлено, что известные классические соотношения для схемотехнических расчетов комбинаций соединений R- и С-цепочек требуют поправок. Оценки значений сопротивлений переходного слоя в резистивно-емкостных микросборках составляют 25—30% от удельного сопротивления резистора.

Б01: 10.7868/80544126913060082

ВВЕДЕНИЕ

В решении основных задач комплексной миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры в ряду интегральных схем (ИС) важное место занимают микросборки (МСБ) и микроблоки (МБ), как базовые конструктивные элементы сложных радиоэлектронных комплексов [1—6]. Все элементы и (или) компоненты МСБ размещены на общей подложке и предназначены для выполнения определенной функции преобразования и обработки сигналов. Пленочные интегральные элементы МСБ гораздо чаще используются совместно с миниатюрными дискретными элементами — компонентами гибридных ИС. Гибридные ИС, уступая полупроводниковым ИС по надежности, плотности упаковки и себестоимости, имеют в ряде случаев особые схемотехнические преимущества за счет применения широкой номенклатуры навесных компонентов (транзисторов, индуктивностей, конденсаторов). Методы расчета и проектирования гибридных ИС практически не отличаются от методов расчета обычных электронных схем. Элементы пленочных и гибридных ИС и микросборок (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполняются на поверхности подложки в виде пленок резистивных, проводящих и диэлектрических материалов. Толстопленочные элементы МСБ обладают большей механической прочностью, имеют лучшую коррозионную и тепловую устойчивость, меньшие паразитные емкости межсоединений и слабое взаимовлияние элементов (наводки и паразитные

связи) [7]. Тонкопленочные элементы МСБ позволяют получать более узкие допуски на номиналы элементов (резисторов и конденсаторов). Все рези-стивные материалы, используемые в микроэлектронике, можно разделить условно на металлы и их соединения, металлические сплавы с высоким удельным сопротивлением, сильнолегированные полупроводники, металлодиэлектрические смеси керметы [8] и композитные наноматериалы [9—12]. Однако исследование возможности применения последних находится пока в начальной стадии. Это связано с рядом особенностей транспорта носителей заряда в наноструктурах. Так, в тонких пленках из наноматериалов электроны начинают проявлять волновые свойства и становятся существенно зависимыми от граничных условий. Проводимость тонкой (5—10 нм) металлической пленки с учетом рассеяния на шероховатой поверхности имеет сильную зависимость от толщины пленки а0. Результаты расчетов с использованием метода волновода показывают, что в случае изотропного рассеяния в подзонах поперечного квантования проводимость пленки пропорциональна а0, а в случае внутризонного рассеяния на

малые углы пропорциональна а0 [13]. Что касается толстых нанокомпозитных пленок, состоящих из наночастиц (2—30 нм) металлов и полупроводников в диэлектрической матрице (например, полимерной), то в них наблюдаются температурные гистерезисные зависимости диэлектрической проницаемости и явления температурных структур-

Рис. 1. Модели толстопленочных резистивных и емкостных тест-элементов (резистивные Я1 и Я2, рис. 1а) и (емкостные С1 и С2, рис. 1б) на керамической плате.

ных фазовых переходов 1-го рода [14—16]. Наблюдаемые явления могут быть использованы для разработки и создания коммутаторов и элементов памяти на микросборках на основе управляемых резистивно-емкостных и емкостно-резистивных структур.

Поэтому целью настоящей работы является экспериментальное исследование резистивных и емкостных структур для микросборок на основе толстых пленок из полимерных нанокомпозици-онных материалов.

МАТЕРИАЛЫ, ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Микросборки на основе толстых пленок из полимерных нанокомпозиционных материалов представляли собой тест-платы, состоящие из тест-резисторов и тест-конденсаторов. Были синтезированы три основные нанокомпозиции в виде порошков, две из которых были изготовлены на основе наночастиц оксида цинка ^пО, 10— 25 мас. %) и диоксида церия (СеО2, 10—20 мас. %), стабилизированных на поверхности микрогранул алмаза (ND) с размерами около 10 мкм; третья композиция была изготовлена на основе наноча-стиц сульфида кадмия (Сё8, 10 мас. %), стабилизированных в объемной матрице полиэтилена низкой плотности (LDPE). Процессы синтеза и свойства полученных нанокомпозиций описаны в [14, 17, 18]. Все три композиции помещались дополнительно в жидкую фазу кремниевого аппликатора (ЕйсИКгаше ЕК 21024) путем размешивания до однородной массы. Затем пастообразную массу наносили на полированную поверхность алюмооксидной керамики марки ВК-100 или ВК-94-1 (22ХС) с готовой топологией (линейчатая структура) серебряных токопроводящих полосок в виде контактов. Из полученных тест-резисторов и тест-конденсаторов собирались

микросборки как объекты измерений. Разрабатываемые конструкции микросборок соответствовали ОСТ 92-4179.

На рис. 1 представлены модели толстопленочных резистивных (рис. 1а) и емкостных (рис. 1б) микросборок с тест-элементами как объектами измерений. На рис. 1а изображены резисторы Я1 и Я2, контактирующие с токоведущими микрополосками, имеющими гибкие выводы 1—4 для комбинаций соединений элементов в последовательные и параллельные электрические цепочки. На рис. 1б изображены электрические конденсаторы С1 и С2, контактирующие с токоведущими микрополосками, имеющими гибкие выводы 5—8 для выполнения комбинаций соединений этих пассивных элементов

На основе технологии толстых пленок микроэлектроники согласно ОСТ 4. ГО.054.240, были изготовлены керамические тест-платы.

На рис. 2 представлены фотографии тест-плат с тест-резисторами (тест-плата I, рис. 2а) и тест-конденсаторами (тест-плата II, рис. 2б). На рис. 2а изображена тест-плата I с предполагаемыми резисторами на основе композиции из ультрадисперсного алмаза в стеклофазе модифицированного наночастицами оксида цинка и диоксида церия. На рис. 2б показана тест-плата II с предполагаемыми электрическими емкостями на основе композиции из наночастиц сульфида кадмия в полиэтиленовой матрице.

Выполняя различные комбинации соединений толстопленочных резисторов и конденсаторов на тест-платах были получены измеренные значения сопротивления и емкости, которые в дальнейшем сравнивались с расчетными.

Все электрические измерения проводились на частоте 1 МГц с помощью измерителя LCR Е7-12. Погрешность измерений составляла по Я = = ±0.02%, по С = ±0.02%.

Измерительная аппаратура, перед измерениями, калибровалась стандартными резистором и конденсатором соответственно моделям, выбранным из того диапазона физических величин, что и тест-элементы моделей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для изготовленных тест-резисторов и конденсаторов были проведены предварительные измерения сопротивления и емкости, а также проведены оценки коэффициента формы и удельного поверхностного сопротивления. Измеренные значения сопротивления резистивных микросборок находились в диапазоне от 150 Ом до 5 кОм, а значения емкости — в диапазоне от 1 до 3 пФ. Значения удельного поверхностного сопротивления р^ с учетом коэффициента формы (см. табл. 1) находились в диапазоне от 0.7 до 4.3 кОм/квадрат. Полученные значения удельного поверхностного сопротивления превосходят диапазон характеристик пленок кремниевых сплавов РС-3001 (0.5—2.0) и РС-3710 (0.3—3.0), получаемых ионно-плазмен-ным распылением (по ЕТО.032.547 ТУ "Распыля-

емая мишень из кремниевого резистивного сплава") [5].

Геометрические характеристики толстопленочных тест-резисторов и тест-конденсаторов в исходном состоянии приведены в табл. 1.

На основании данных, приведенных в табл. 1 были проведены оценки резистивности и электрической емкости тест-плат при последовательном (ПС) и параллельном (ПРС) соединении, а также проведено сравнение экспериментальных результатов с расчетными. Экспериментальные схемотехнические показатели толстопленочных тест-резисторов и тест-конденсаторов приведены в табл. 2.

Для выбранной линейчатой структуры элементы резисторов и конденсаторов в виде толстых пленок можно использовать в схемотехнике двояко. Толстопленочные резисторы могут работать одновременно и как электрические конденсаторы. Аналогично электрические конденсаторы могут одновременно работать как резисторы.

При измерении резистивности и емкости серии тест-резисторов и тест-конденсаторов на ос-

Таблица 1. Геометрические и электрические характеристики толстопленочных микросборок в исходном состоянии

№ элемента Марка толстопленоч-нои среды композита тест-элементов Размерные характеристики тест-элементов Удельное поверхностное сопротивление, кОм/квадрат

Длина, мм Ширина, мм Толщина, мкм Коэффициент формы, к^

1. 2. 7п0(10-25 wt 7п0(10-25 wt 4.0 4.0 3.5 3.5 100 70 1.1 1.1 3.9 4.3

1кр Се02 (10-20 ^ 6.0 4.5 40 1.3 0.7

2кр 3кр СёЯ (10 ^ %)^РЕ СёЯ (10 ^ %)/LDPE(T) 6.5 6.5 4.5 4.5 50 40 1.3 1.3 1.4

11. 22. 33. Сая (10 wt %)/LDPE Сая (10 wt %)/LDPE Сая (10 ^ %)/LDPE .0 .0 .0 4. 4. 4. 1.5 1.5 1.5 10 20 25 2.7 2.7 2.7 2.1 1.6 1.5

Таблица 2. Экспериментальные схемотехнические показатели толстопленочных тест-резисторов и тест-конденсаторов

№ элемента Резистивность, Я Электрическая емкость, С Особенности

Показатели измерений Расчетные показатели Показатели измерений Показател

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»