МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 5, с. 348-360
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.382
ВОЗМОЖНОСТИ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ В СОЗДАНИИ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ (ОБЗОР) © 2013 г. В. Я. Подвигалкин
Саратовский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской АН
E-mail: nmu@bk.ru Поступила в редакцию 04.10.2012 г.
Рассмотрены конструктивно-технологические аспекты толстопленочной технологии, параметры и свойства материалов, характеристики оборудования. Приведен технологический маршрут изготовления микросхем микросборок для РЭА различного назначения. Показано, что толстые пленки микроэлектроники открывают реальные возможности для развития миниатюризации элементной базы вакуумных СВЧ-систем, а также получения эффективных солнечных батарей.
Б01: 10.7868/80544126913050062
ВВЕДЕНИЕ
Функционирование радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) определяется сложной совокупностью механических, климатических, электромагнитных и других факторов. Многообразие физических явлений, используемых в РЭА, пока еще не позволяет количественно учитывать их совокупное влияние, алгоритмизировать весь процесс конструирования. В XXI веке конструирование и особенно технология производства радиоаппаратуры — едва ли не самые динамичные области радиоэлектроники, определяющие возможности и темпы ее дальнейшего развития.
В процессе создания РЭА тесно переплетаются вопросы системо- и схемотехники, конструирования и технологии. Даже малейшее пренебрежение конструкторско-технологическими и экономическими факторами при разработке электрических схем приводит к непомерно большому объему макетирования, многочисленным переделкам, длительному процессу доводки, затрудняет организацию массового производства, обслуживания и ремонта, обуславливает низкую эксплуатационную надежность и высокую себестоимость РЭА. Обеспечение высокой технологичности, интегральности, инвариантности со свойством универсальности — одна из основных задач конструирования РЭА.
Появление широкого ряда более сложных полупроводниковых ИС не сводило на нет потребность в гибридных интегральных схемах (микросборках), а приводило к появлению более сложных микросборок и на их основе микроблоков,
элементами которых являлись бескорпусные полупроводниковые ИС.
Основными достоинствами микросборок являются: возможность создания широкого класса РЭА, цифровой и аналоговой техники, при сравнительно коротком цикле их разработки; универсальность метода конструирования, позволяющая применять в качестве активных элементов бескорпусные транзисторы, диоды, микросхемы, конденсаторы; высокая экономическая эффективность изготовления больших партий.
Комплексная микроминиатюризация РЭА при создании микросборок осуществляется на основе рационального применения всех видов микроэлектронной технологии, соотношение между которыми в отраслях, активно создающих микросборки, характеризовались к 80-м годам XX столетия следующими цифрами: тонкопленочная технология — 50—60%; толстопленочная — 30— 35%; полупрводниковая — 5—20%. Комплексная микроминиатюризация РЭА приводит к следующим результатам:
— снижение массы и габаритов — в 2—10 раз;
— повышение надежности — в 10—50 раз;
— снижение трудоемкости сборочных операций — в 5—20 раз;
— снижение энергопотребления — в 2—5 раз.
Прослеживались три основных этапа применения микросборок в РЭА.
РЭА первого поколения разрабатывались во время появления микросборок, которые представляли собой не очень сложные, по современным понятиям, схемы (резисторы, дешифраторы,
наборы бескорпусных транзисторов и диодов) в гермокорпусах типа ТО-5, ТО-8 и т.д. На этом этапе микроминиатюризации подвергались в основном элементы цифровых схем, так как схемы имели большое число повторяющихся участков и привлекли поэтому к себе первоочередное внимание создателей микросборок. Тем не менее в конструкциях РЭА находили широкое применение дискретные полупроводниковые и пассивные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т.д.). Сами микросборки в своих корпусах больше походили на многовыводные транзисторы, чем нечто принципиально новое. Все это позволяло на этапах сборки и настройки РЭА обходится традиционными приемами общей технологии с печатными платами, жгутовым межплатным монтажом, рамочными несущими металлоконструкциями и обычной лаковой электроизоляционной защитой электромонтажа и радиоэлементов.
При создании РЭА второго поколения ставилась задача повышения ее функциональной сложности с сохранением физического объема устройства, Дальнейшее развитие микроэлектроники к этому времени уже позволяло создавать микросборки на подложках с пассивной частью схемы (пленочными резисторами, конденсаторами и коммутацией [1]) размерами до 24 х 30 мм и бескорпусными транзисторами и диодами. Способ защиты таких микросборок от внешних воздействий в основном традиционный — индивидуальные гермокорпусы для каждой микросборки, также традиционен и способ компоновки микросборок в устройствах — установка на печатные платы. Как показал анализ изготовления и эксплуатации РЭА второго поколения: традиционные конструктивные и технологические приемы построения РЭА с применением микросборок повышенной степени интегральности в индивидуальных гермокорпусах имеют недостатки. Так, например, не всегда удается обеспечить необходимый температурный режим радиокомпонентов, а выход из строя одного из компонентов в составе микросборки приводит к ее полной замене, что значительно удорожает процессы технологических тренировок и снижает уровень ремонтопригодности.
Для РЭА третьего поколения наиболее характерным является полный переход на конструирование и компоновку всех устройств в бескорпусных микросборках с последующей единой герметизацией их в виде микроблоков. Такой подход к построению конструкции позволил применить довольно широкую унификацию конструктивных и технологических решений, создал предпосылки для внедрения механизированных и автоматизированных средств и методов изготовления и контроля качества продукции, дал толчек к со-
зданию и развитию методов проектирования функциональных устройств с помощью ЭВМ. Полный переход на конструирование РЭА из бескорпусных микросборок выявил дополнительные их преимущества по сравнению с РЭА предыдущих поколений, Метод оказался весьма универсальным. Он позволил создавать микросборки практически любого функционального назначения, для любого устройства РЭА, из любого набора бескорпусных элементов, включая полупроводниковые схемы высокой степени интеграль-ности, причем необязательна их совместимость по параметрам, так как пассивная часть микросборок реализуется по тонко- или толстопленочной технологии [2]. Кроме того, решается проблема повышения ремонтопригодности устройств, так как открыт доступ практически к любому навесному элементу бескорпусной микросборки в случае отказа при технологической тренировке. Такой метод компоновки не только сокращает расход на герметизацию каждого блока в отдельности и количество межблочных разъемов, но и существенно уменьшает длину электрических цепей, а значит, повышает быстродействие устройства. Габариты устройства также уменьшаются в 3—8 раз по сравнению с РЭА второго поколения [3]. Проблема обеспечения необходимого количества межсоединений решается путем создания дополнительных уровней коммутации. Существуют конструкции микроблоков РЭА, в которых используются носитель из многослойной полиимидной пленки на основе тонкопленочной технологии и многоуровневая керамика на основе толстопленочной технологии.
Большинство излагаемых положений проиллюстрировано на взятых из практики примерах. Эти данные приведены, как правило, без ссылки на оригинальный источник.
ТОЛСТЫЕ ПЛЕНКИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ В РЭА
На практике существует три основных звена связи технической и организационной: создание высокотехнологичных изделий РЭА, разработка базовых технологий их изготовления на автоматизированных модульных линиях и участках, организация на их основе серийного производства РЭА.
Показатели технологичности [4] РЭА отражают 5 базовых показателей технологичности, реализация которых обеспечивает повышение уровня разработок, ресурса и качества, минимизацию исходной трудоемкости:
1. Уровень интегральности Ки = где N —
суммарное количество дискретных элементов и элементов, входящих в состав микросхем и микросборок (ГОСТ 17021); N — суммарное количе-
ство корпусов микросхем, микросборок и дискретных элементов;
2. Коэффициент автоматизации монтажа плат Ка = NJNU, где N — количество плат в изделии, изготовляемых на автоматизированных линиях сборки и пайки, ^ — общее количество плат в изделии;
3. Коэффициент исключения проводного монтажа Кп = где — количество проводов, — количество линий коммутации;
4. Коэффициент автоматизации контроля Ка = = N/N2, где N — контроль с локализацией неисправностей до функциональной ячейки ИС в платах, платы в блоке и блока в изделии, ^ — суммарное количество плат, блоков, параметров;
5. Коэффициент замены изделий Кз =
где N — количество наименований заменяемых серийных изделий (модификаций) новыми, ^ — количество новых изделий (модификаций).
Базовый показатель Ки отражает средний уровень интегральности платы, блока, изделия и прямо пропорционально зависит от применяемости новейшей микроэлектронной базы повышенной степени интегральности, Влияние этого показателя на конструктивно-технологические параметры РЭА показывает, что он является основным ориентиром при решении проблемы комплексной миниатюризации и определении степени ее трудоемкости.
ТОЛСТОПЛЕНОЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Основные характеристики технологии
Толстые пленки занимают размерный ряд от 2 до 100 мкм. Пленки которые тоньше называют тонкими пленками. Все, что получают толще ста микрон, относят к материалам.
Сущность технологии получения толстопленочных микросборок заключается в нанесении через сетка-трафарет и последующем вжигании на изолирующую подложку проводящих, резистив-ных и диэлектрических композиций. Оптимальная толщина слоев, образующих элементы микросхемы, составляет единицы и десятки микрон.
Технология п
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.