Тонкопленочные гибридные интегральные микросхемы

Тонкопленочными гибридными называют такие гибридные интегральные микросхемы ИМС, которые имеют толщину пленок, меньше 1 мкм. Тонкопленочные гибридные ИМС имеют такое же назначение как и другие виды ИМС, то есть генерирования и обработки сигналов, запись, хранение и воспроизведения информации.

Классификация. Тонкопленочные гибридные ИМС классифицируют по большинству тех признаков, по которым классифицируют гибридные ИМС вообще, в том числе по функциональному назначению (аналоговые и цифровые) по степени интеграции (малые, средние, большие, сверхбольшие) за применением (общего и ограниченного применения) за частотой (низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные) по мощности (мощные, маломощные, микромощные, нановатные).

Условные изображения и обозначения. Тонкопленочные гибридные ИМС специальных условных изображений не имеют.

Строение. Основными конструктивными элементами тонкопленочных гибридных ИМС является плата — часть подложки, на которой изготовлены тонкопленочные элементы (резисторы, конденсаторы, плоские катушки, коммутация), навесные компоненты, корпус и перемычки, соединяющие контактные площадки платы с внешними выводами корпуса. Топология платы тонкопленочной гибридной ИМС изображена на рис. 1, б. Если к плате приклеить навесной транзистор, а его выводы приварить в соответствующим контактным площадокам, то получим бескорпусную тонкопленочную гибридную ИМС (рис. 1, в).

 Бескорпусная тонкопленочная гибридная ИМС

Рис. 1. Бескорпусная тонкопленочная гибридная ИМС: а — электрическая схема; б — топология; в — сборочный чертеж

Тонкопленочная коммутация подобная коммутации полупроводниковых ИМС. Изготавливают ее преимущественно из алюминия, реже из меди или серебра с адгезионным подслоем хрома, нихрома, ванадия, титана и др. Если в схеме есть пленочные конденсаторы, то пленочная коммутация состоит из двух частей, одна из которых изготавливается с нижними обкладками конденсаторов, а вторая с верхними (рис. 2).

Топология тонкопленочной коммутации гибридной ИМС

Рис. 2. Топология тонкопленочной коммутации гибридной ИМС, показанной на рис. 1: а — тонкопленочная коммутация и нижняя обкладка конденсатора; б — тонкопленочная коммутация, верхняя обкладка конденсатора, ключ и уголки, которые показывают место установки транзистора

топология тонкопленочного резистивного слоя гибридной ИМС

Рис. 3. Топология тонкопленочного резистивного слоя гибридной ИМС, показано на рис. 1

Топология тонкопленочного диэлектрического слоя гибридной ИМС

Рис. 4. Топология тонкопленочного диэлектрического слоя гибридной ИМС, показано на рис. 1

Топология тонкопленочного резистивного слоя гибридной ИМС приведена на рис. 3, а диэлектрического слоя — на рис. 4. Тонкопленочные резисторы — это резистивные тонкие пленки определенной конфигурации, нанесенные на поверхность диэлектрической платы. Они могут иметь прямолинейную или зигзагообразную форму (рис. 5). Изготавливают их из хрома, нихрома, сплавов РС, МЛТ, СТ-38-12 и др.

Конструкции тонкопленочных резисторов

Рис. 5. Конструкции тонкопленочных резисторов: а — прямолинейная; б — прямолинейная с перемычками; в — зигзагообразная

Тонкопленочные конденсаторы представляют собой трех- или многослойную структуру, в которой чередуются металлические и диэлектрические пленки (рис. 6). Их обкладки чаще всего изготавливают из алюминия, а диэлектрические прокладки — с окислов кремния, германия, тантала и др.

  Конструкции тонкопленочных конденсаторов

Рис. 6. Конструкции тонкопленочных конденсаторов: 1 — нижняя обкладка; 2 — диэлектрическая прокладка; 3 — верхняя обкладка

Тонкопленочные катушки изготавливают из алюминия в форме квадратных круглых спиралей Архимеда (рис. 7).

Конструкции тонкопленочных катушек индуктивности

Рис. 7. Конструкции тонкопленочных катушек индуктивности: а — круглая; б — квадратная

Навесные компоненты тонкопленочных гибридных ИМС могут иметь гибкие или жесткие выводы (рис. 8). Если первые изготавливают в виде тонких проволок, то вторые имеют форму шариков или балок. Жесткая конструкция выводов облегчает автоматизацию составления, но одновременно усложняет теплопроведения, потому что только 5% площади кристалла контактирует с платой.

Конструкции навесных активных компонентов гибридных ИМС

Рис. 8. Конструкции навесных активных компонентов гибридных ИМС: а, б-с гибкими; в — шариковыми; г — балочными выводами

В тонкопленочных гибридном виде, кроме НЧ ИМС, изготавливают еще большинство СВЧ ИМС. Объясняется это конструктивными и технологическими особенностями тонкопленочных гибридных ИМС. Конструктивные особенности заключаются в двумерной природе элементов, благодаря которой облегчается теплоотвод и уменьшаются паразитные емкости; наличии високотеплопроводных и гладких подложек, которые благодаря высокой теплопроводности тоже хорошо рассеивают тепло, а через гладкую поверхность имеют малые потери энергии на СВЧ. Технологические особенности заключаются в способности тонкопленочной технологии удовлетворять жесткие требования к параметрам элементов. Одним из основных элементов СВЧ гибридных ИМС является микрополосковые  линии
передачи СВЧ-энергии. Их конструктивный вид приведен на рис. 9. Изготавливают их на подложках с малыми диэлектрическими потерями и большой диэлектрической проницаемостью (Поликор, сапфирит, брокерит, кварц, сапфир, ферриты и другие).

Конструкции микрополосковых линий передачи СВЧ-энергии

Рис. 9. Конструкции микрополосковых линий передачи СВЧ-энергии: а — несимметричная, б — симметричная, в — щелевая, г — компланарная. 1 — металлические проводники, 2 — диэлектрическая подложка, 3 — заземляющие металлические пленки

Топология микрополосковых линий приведена на рис. 10, а сборочный чертеж СВЧ гибридной тонкопленочной ИМС — на рис. 11.

Топология тонкопленочных микрополосковых линий

Рис. 10. Топология тонкопленочных микрополосковых линий

Сборочный чертеж тонкопленочной гибридной СВЧ ИМС

Рис. 11. Сборочный чертеж тонкопленочной гибридной СВЧ ИМС

 Пассивные элементы гибридных СВЧ ИМС (конденсаторы, индуктивные элементы, резисторы, элементы связи и т.д.) могут быть как с распределенными параметрами (в виде отрезков и комбинаций полосковых линий), так и с сосредоточенными. Применение элементов с сосредоточенными параметрами приводит к уменьшению паразитных связей, а, следовательно, к улучшению широко-полосности и чувствительности СВЧ интегрированных устройств. Использование элементов с распределенными параметрами дает возможность получить оригинальные характеристики, которых не имеют элементы с сосредоточенными параметрами. Как компоненты СВЧ ИМС используют бескорпусные активные элементы преимущественно с жесткими выводами, которые имеют меньшие паразитные индуктивности, в частности биполярные транзисторы, полевые транзисторы с затвором Шоттки на арсениде галлия, смесительные диоды с затвором Шоттки, приборы СВЧ с отрицательным внутренним сопротивлением (туннельные, лавинно-пролетные диоды тому подобное). Широко используют диоды, которые имеют нелинейную зависимость емкости p-n-перехода от напряжения, диоды с накоплением заряда.
Тонкопленочные гибридные СВЧ ИМС герметизируются преимущественно металлическими корпусами, которые имеют СВЧ-разъем. Последние должны быть согласованы как с внутренними микрополосковых линиями, так и с внешним фидером (коаксиальным или полосковым). В тонкопленочном гибридном виде изготавливают также ВИМС. Специфика конструкций тонкопленочных гибридных ВИМС состоит в наличии в них большого количества пленочных элементов, в широком использовании в роли навесных компонентов диодных матриц, транзисторных наборов и даже бескорпусных полупроводниковых ИМС. Все это очень часто требует применения многослойной коммутации, больше обычных корпусов с большим количеством внешних выводов.

Свойства. Высокоточная технология, широкий диапазон значений электрофизических характеристик материалов пленочных элементов, их низкая тепло чувствительность обеспечивают пленочным пассивным элементам широкий диапазон номиналов, малые допуски и высокую термостабильность (табл. 2.9; 2.10). Поэтому параметры пассивных элементов гибридных ИМС лучше за параметры пассивных элементов полупроводниковых ИМС (табл. 2.9; 2.10).

Таблица 2.9. Типичные параметры тонкопленочных резисторов гибридных ИМС

Типичные параметры тонкопленочных резисторов гибридных ИМС

Таблица 2.10. Типичные параметры тонкопленочных конденсаторов гибридных ИМС

 Типичные параметры тонкопленочных конденсаторов гибридных ИМС

В гибридных ИМС наряду с интегрированными используют также неинтегрированые (дискретные) микроконденсаторы и микрорезисторы, специально разработанные для использования в качестве навесные компоненты. Они имеют небольшие размеры, широкий диапазон номиналов, высокую точность, высокую температурную и временную стабильность. К ним относятся керамические конденсаторы типа КМ-3, КМ-5, К10-9, К10-17; стеклокерамические К22-4, танталовые окиснополупроводниковые К53-15, 53-16 тому подобное. Типичные параметры этих конденсаторов приведены в табл. 2.11

Таблица 2.11. Типичные параметры навесных конденсаторов

Типичные параметры навесных конденсаторов

Как навесные резистивные компоненты используют оловянной ниточные С2-12, композиционные таблеточные СЗ-2, композиционные ниточные СЗ-З, проволочные С5-15 и др. их параметры приведены в табл. 2.12.

 Таблица 2.12. Типичные параметры навесных резисторов

Типичные параметры навесных резисторов

Навесные активные компоненты (диоды, диодные матрицы, транзисторы, наборы транзисторов и т.д.) по параметрам подобные своих интегрированных аналогов (табл.  2.13; 2.14). Исключение составляют германиевые приборы, имеют более высокие рабочие частоты, но ниже рабочие температуры. Геометрические размеры навесных активных компонентов лежат в пределах от десятых долей до нескольких мм2.

Таблица 2.13. Типичные параметры навесных диодов

Типичные параметры навесных диодов

Таблица 2.14. Типичные параметры навесных транзисторов

Типичные параметры навесных транзисторов

Высокое качество как активных, так и пассивных элементов позволяет изготавливать в тонкопленочных гибридном виде аналоговые схемы, которые, как отмечалось выше, ставят жесткого требования к точности, временной и температурной стабильности параметров схемных элементов. Примером может служить показана на рис. 12 многофункциональная схема усилителя ВЧ и преобразователя в трактах с амплитудной модуляцией.

Схема усилителя ВЧ и преобразователя в трактах с амплитудной модуляцией, реализована в виде тонкопленочной гибридной ИМС

Рис. 12. Схема усилителя ВЧ и преобразователя в трактах с амплитудной модуляцией, реализована в виде тонкопленочной гибридной ИМС

Другим примером может быть изготовлена в виде тонкопленочной гибридной ИМС схема усилителя промежуточной частоты, детектора и АРУ, которая приведена на рис. 13.

Схема усилителя промежуточной частоты, детектора и АРУ, изготовлена в виде тонкопленочной гибридной ИМС

Рис. 13. Схема усилителя промежуточной частоты, детектора и АРУ, изготовлена в виде тонкопленочной гибридной ИМС

Еще одним примером является показана на рис. 14 схема стабилизатора напряжения, которая тоже реализована в виде тонкопленочной гибридной ИМС.

Электрическая схема стабилизатора напряжения, реализованного в виде тонкопленочной гибридной ИМС

Рис. 14. Электрическая схема стабилизатора напряжения, реализованного в виде тонкопленочной гибридной ИМС

Устройства СВЧ используют в аппаратуре радиолокационной, связи, телеуправления и тому подобное. В них значительную роль играют узлы локализации и распределения энергии, усилители, генераторы, преобразователи частоты, коммутирующих и фазосдвигетельные устройства и тому подобное. При комплексной микроминиатюризации реализуются они преимущественно в тонкопленочном гибридном виде с использованием микрополосковых линий и различных навесных активных компонентов. На биполярных транзисторах создают в виде гибридных ИМС мощные СВЧ (от сотен ватт в метровом диапазоне частот до единиц и долей ватт в длинноволновой части сантиметрового диапазона) малошумные усилители. Используют для этого также униполярные приборы. Так, например, полевой транзистор с затвором Шоттки на арсениде галлия применяют для усиления сигналов в малошумных гибридных СВЧ ИМС. Высокая дрейфовая скорость носителей заряда и малые размеры (длина завеса около 0,5 … 1 мкм) позволяют работать на частотах до 40 ГГц. Использование интегрированных устройств СВЧ в аппаратуре связи, радиолокации, телеуправлении требует передачи на большие расстояния большой мощности. Достигается это с помощью фазированных антенных решеток. их работа основывается на том, что излучение и прием радиосигналов осуществляется не одной антенной, а множеством простых маломощных антенн с последующим составлением элементарных сигналов (рис. 15).

  Плоская фазированная антенная решетка

Рис. 15. Плоская фазированная антенная решетка

Функциональное назначение СВЧ ИМС в фазированных антенных решетках — дискретные изменение фазы принимаемого сигнала, коммутация антенны или генерация сигнала с управляемой фазой, излучаемый ячейками фазированной антенной решетки. В тонкопленочных гибридных ИМС широко применяют также специальные навесные компоненты. Так, например создание автогенераторов на транзисторах требует обеспечения внешних цепей обратной связи, что затрудняет микроминиатюризацию. Проще есть схемы генераторов и усилителей на навесных диодах с отрицательным внутренним сопротивлением, которые используют преимущественно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Умножители частоты строят на навесных варакторах и диодах с накоплением заряда. Их применяют для повышения частоты колебаний транзисторных усилителей мощности. Усиленный сигнал достигает мощности 2 … 50 Вт, после чего частота колебаний умножается.
Смесительные диоды с затвором Шоттки являются наиболее перспективными приборами для малосигнальных СВЧ-гибридных ИМС, реализующих функции смесителей, детекторов, ограничителей, модуляторов и тому подобное. Специфические свойства имеют также гибридные ВИМС. Во-первых, они обеспечивают высокую надежность ЭА, в основном вследствие уменьшения в них количества низко надежных сварных и паяных соединений. Во-вторых, они обеспечивают высокую плотность компоновки элементов вследствие меньшего количества сварных и паяных соединений и уменьшение количества корпусов. В-третьих, они выполняют по сравнению с малыми ИМС сложные функции (функции целых систем). В аналоговых ВИМС такими функциями часто является цифроаналоговые и аналогово-цифровые преобразования сигналов.

Применение. Тонкопленочные гибридные ИМС применяют преимущественно в аналоговой технике, в частности в радиотехнических и радиолокационных устройствах и
системах, средствах телевидения и связи, медицинских аппаратах и системах, измерительной технике.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*