Технологический процесс изготовления платы интегральной микросхемы-фильтра

Введение

Микроэлектроника как современное направление проектирования и производства электронной аппаратуры различного назначения является катализатором научно-технического прогресса. Автоматизация производства, создание гибких перестраиваемых роботизированных микросхем, систем, развитие автономных систем немыслимо без применения интегральных микросхем, микропроцессоров и микросборок. Технология изготовления изделий микроэлектроники обеспечивает в первую очередь высокий уровень производительности труда, комплексную микроминиатюризацию электронной аппаратуры связи, автоматики, вычислительной техники и вбирает в себя передовой опыт и достижения многих отраслей и науки и техники: от физики взаимодействия атомных и ядерных частиц веществом до микрометаллургии и прецизионной химической технологии.

Наиболее перспективной в конструктивном и технологическом отношениях является радиоэлектронная аппаратура, основой которой служат функциональные микроэлектронные узлы — интегральные микросхемы.

Интегральной микросхемой (ИМС) называется микроэлектронное изделие, имеющее высокую плотность упаковки элементов соединений между ними, при этом все элементы выполнены нераздельно и электрически соединены между собой таким образом, чтобы с точки зрения испытаний, поставки и эксплуатации изделие рассматривалось как единое целое. Интегральная микросхема имеет малую массу, габариты и потребляемую мощность РЭА.

Гибридная пленочная интегральная микросхема — ИМС, которая наряду с пленочными элементами, полученными с помощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные (трафаретная печать) гибридные ИМС. Гибридные ИМС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие, надежность), чем полупроводниковые ИМС. В то же время они позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства. Это объясняет менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам, с помощью которых формируют пленочные элементы, а также применением менее дорогостоящего оборудования. В составе пленочных ИМС возможно получить резисторы с точностью 5%, а с применением подгонки — до десятых долей процента. Гибридно-пленочная технология позволяет реализовать практически любые функциональные схемы.

плата фильтр резистор пленочный

Анализ задания В результате анализа топологического чертежа платы были выявлены ошибки в построении контактной платы (несоответствие размеров). Выбранное сопротивление квадрата пленки соответствует номиналам резисторов. С точки зрения необходимого сопротивления квадрата пленок материалы пленок подобраны верно.

Произведем проверку резисторов в соответствии с выбранными резистивными слоями.

Сопротивление резисторов вычисляем по формуле:

R₁=3000 Ом/?•50 мм/9 мм=16 666,67 Ом

R₂=3000 Ом/?•6 мм/11 мм=1636 Ом Сопротивления для R₁, R₂ входят в допустимый интервал ±5%, следовательно, скв и размеры резисторов подобраны верно.

Выбор технологического процесса изготовления платы фильтра Любая технология изготовления платы с пленочными элементами включает в себя два основных этапа: нанесение пленки из проводящего, резистивного или диэлектрического материала на подложку и формирование из этих пленок планарной (то есть в плоскости подложки) конфигурации элементов. Процессы нанесения пленки и формирования рисунка можно осуществлять либо последовательно друг за другом, либо одновременно. Выбор того или иного варианта зависит от природы процесса, величины параметров элементов, ограничений на функциональные параметры по точности, надежности, стабильности и т. д.

Напыление тонких пленок может быть выполнено на основе термического вакуумного испарения или ионно-плазменного распыления материалов. Для осуществления процесса обоснованно выбирается подходящее оборудование.

Для формирования конфигурации проводящего, резистивного и диэлектрического слоя используют различные методы:

— масочный: соответствующий материал напыляют на подложку через съемную или контактную маску;

— фотолитографический: пленка наносится на всю поверхность подложки, а затем избирательно стравливается с отдельными (лишними) участками;

— комбинированный: когда совмещаются масочный и фотолитографический метод.

На основе этих методов для изготовления плат гибридных тонкопленочных интегральных схем (ГИС) и функциональных узлов (ФУ) можно выделить несколько характерных технологических процессов (ТП).

ТП1 — все слои наносятся через съемные маски;

ТП2 — последовательно напыляются материалы резистивных пленок, затем проводящие пленки за один вакуумный цикл на всю поверхность подложки;

ТП3 — последовательность напыления слоев как в ТП2;

ТП4 — резистивный слой и конденсаторы напыляются через маску, а рисунок проводящего слоя — фотолитографией;

ТП5 — через маску напыляются проводники и контактные площадки, рисунок резисторов формируют фотолитографией;

ТП6 — рисунок резистивного слоя формируется фотолитографией, а проводники и контактные площадки напыляются через маску.

ТП7 — Напыление резистивной и проводниковой пленки на всю поверхность, а формирование проводников при помощи фотолитографии.

Резистивный слой напыляется на всю поверхность, затем напыляется проводящий слой, после чего фотолитография формирует проводники и резисторы. Для формирования можно использовать характерный процесс ТП7.

Схема технологического процесса изготовления платы ГИС Последовательность операций:

Схема технологического процесса изготовления платы ГИС

Последовательность операций:

1 Подготовка (очистка) подложек

2 Напыление резистивной плёнки на всю поверхность

2.1 Создание предварительного вакуума

2.2 Создание рабочего вакуума

2.3 Запуск рабочего газа

2.4 Подача напряжения анод — катод

2.5 Напыление

2.6 Отжиг плёнок (выдержка 2 — 2,5 часа)

2.7 Запуск воздуха

2.8 Контроль качества и электрофизических характеристик плёнки

3. Напыление проводящего слоя

4. Фотолитография 1. Формирование проводников и резисторов.

4.1. Нанесение фоторезиста

4.2 Экспонирование и проявление фоторезиста.

4.3 Травление проводящего слоя и резистивного с пробельных мест.

4.4 Удаление фоторезиста.

5. Фотолитография 2. Формирование проводников и резисторов.

5.1. Нанесение фоторезиста

5.2 Экспонирование и проявление фоторезиста.

5.3 Травление проводникового слоя в резистивной части.. Формирование резисторов.

5.4 Удаление фоторезиста.

6 Фотолитография 3. Формирование защитного слоя

6.1 Нанесение фоторезиста

6.2 Совмещение и экспонирование

6.3 Проявление фоторезиста.

7. Контроль качества и электрофизических характеристик плёнки

Выбор установки напыления Вакуумная установка УВН-2М-2 предназначена для вакуумного. резистивного напыления тонких пленок. Она состоит из вакуумной системы, подколпачного устройства и электрического шкафа управления.

С помощью вакуумных насосов откачивается воздух из замкнутого пространства-рабочего объема (РО) вакуумной установки.

В условиях высокого вакуума (10^-5 — 10^-6 мм.рт.ст.~1,33 (10^-3 — 10^-4 Па материал, помещенный в испаритель, нагревается и испаряется в направление к подложке.

Атомы (молекулы) испаряемого вещества движутся к подложке, где конденсируются, образуя пленку. Скорость роста пленки, ее структура определяются технологическими параметрами процесса, основными из которых являются температура испарения, температура подложки, давление остаточного газа, молекулярная масса испаряемого вещества и его природа. Имеют значение также и геометрические параметры конструктивных элементов РО.

Реально методом термического вакуумного испарения (ТВИ) напыляют пленки толщиной не более 1,5−2 мкм.

Хорошую адгезию к диэлектрическим подложкам обнаруживают легкоокисляющие металлы, такие, как Al, Cr, Mn, Ti. Плохую адгезию имеют такие высокоэлектропроводные металлы, как Cu, Au, Pt, Pd.

При организации серийного производства изделий всегда стоит задача сокращения доли вспомогательного времени, приходящегося на одно изделие. При обработке ИМС в вакууме вспомогательное время включает установку и снятие подложек (10−15 мин.), откачку системы до рабочего вакуума (1,5−2 ч. при разогретом диффузионном насосе). Основное время — напыление одного слоя 1 — 1,5 мин.

Поэтому для промышленных целей используют многопозиционные вакуумные установки, позволяющие, не нарушая вакуума, последовательно или одновременно обрабатывать несколько подложек.

Рис. 2. Схематическое изображение вакуумной системы установки УВН-2М-2.

1 -карусель испаритель; 2 -экраны; 3 — диаграмма; 4 — карусель трафаретов и подложек; 5 -нагреватель подложек; 6 -датчик сопротивления пленки; 7 — электроды ионной очистки; 8-коллектор; 9-заслонка Характеристика материалов пленочных элементов Материал подложки.

Материал для тонкопленочных резисторов.

Материал для проводников.

Технологические расчеты Расчет технологической точности пленочных элементов микросхем.

В основу расчета точности положены функциональные связи выходных параметров пассивных тонкопленочных элементов с электрофизическими параметрами пленок и геометрическими размерами.

R=R

Расчет резисторов

Для R1:

®ту = 500 Ом

(L)ту = 0,005 мм

(В)ту = 0,005 мм

Для R2:

®ту = 25 Ом

(L)ту = 0,005 мм

(В)ту = 0,005 мм

1) Определим коэффициент рассеяния:

i = R, L, B

Для R1:

KR=510/500=1,02

KL=0,008/0,005=1,6

KB=0,014/0,005=2,8

Для R2:

KR=26/25=1,04

KL=0,008/0,005=1,6

KB=0,01/0,005=2

2) Определим случайные относительные погрешности выходного параметра:

R = 5%

Для R1:

L=0,005•100/50=0,01

B=0,005•100/9=0,055

Для R2:

L=0,005•100/6=0,083

B=0,005•100/11=0,045

3) Расчет технологических режимов изготовления тонкопленочных резисторов методом термовакуумного испарения.

Исходные данные:

R₁=500 Ом•мR₂=900 Ом•м

ТКС₁= -1,3•10^-4ТКС₂= -1,5•10^-4

Так как испаряемый материал — резистивный сплав РС-3710 мы использовали следующие формулы для расчета:

R=594,21−26,46•Т_и+61,29•Т_п-217,96•d+13,21•Т_и•d-24,86•Т_п•d, Ом

ТКС=(-2,06+0,405•Т_и-0,544•Т_п-1,303•d) 10^-4, град^-1

Для R₁:

За базовый уровень варьируемых факторов приняты следующие значения:

Т_ио=1500 °C Т_по=200 °C d₀=300 A

Интервалы варьирования:

ДТ_и=100 °C ДТ_п=150 °C Дd=100 A

Кодированные значения соответствующих параметров технологического процесса, , d связаны между собой следующими соотношениями:

, ;

При расчете технологических режимов по системе уравнений регрессии значение одного из варьируемых факторов приходится выбирать в интервале варьирования произвольно (избыток неизвестных). В таком качестве лучше всего выбирать фактор с наименьшим коэффициентом влияния на выходной параметр. В уравнение необходимо подставлять его кодированное значение в интервале ± 1.

Подставим полученные кодированные значения в уравнения:

Рассчитаем коэффициент свидетеля, Roc, а также время стабилизации сопротивления фст, т. е. длительности термообработки.

0,934

Зная коэффициент свидетеля, рассчитаем сопротивления осажденной пленки:

59,4 Ом

Полученные результаты записаны в таблицу 1.

Для R₂:

За базовый уровень варьируемых факторов приняты следующие значения:

Т_ио=1500 °C Т_по=200 °C d₀=300 A

Интервалы варьирования:

ДТ_и=100 °C ДТ_п=150 °C Дd=100 A

Кодированные значения соответствующих параметров технологического процесса, , d связаны между собой следующими соотношениями:

, ;

При расчете технологических режимов по системе уравнений регрессии значение одного из варьируемых факторов приходится выбирать в интервале варьирования произвольно (избыток неизвестных). В таком качестве лучше всего выбирать фактор с наименьшим коэффициентом влияния на выходной параметр. В уравнение необходимо подставлять его кодированное значение в интервале ± 1.

Подставим полученные кодированные значения в уравнения:

0,934

Рассчитаем коэффициент свидетеля, Roc, а также время стабилизации сопротивления фст, т. е. длительности термообработки.

Зная коэффициент свидетеля, рассчитаем сопротивления осажденной пленки:

33 Ом

Полученные результаты записаны в таблицу 1.

Таблица 1

4) Определим процент выхода годных изделий

Для R₁:

3д=5,09

д= 5,09/3= 1,69

P_r=Ф^*(5/ д) — Ф^*(-5/ д)= Ф^*(5/1,69) — Ф^*(-5/1,69)= Ф^*(2,94) — Ф^*(-2,94)=0,9981−0,019=0,9791

Пр= P_r•100%=0,9791•100%=97,91%

Допуск для R₁ равен 5%, а выходной параметр превышает этот показатель, следовательно, процент выхода годных для R₁ = 97,91

Для R₂:

3д=5,20

д= 5,20/3= 1,73

P_r=Ф^*(5/ д) — Ф^*(-5/ д)= Ф^*(5/1,73) — Ф^*(-5/1,73)= Ф^*(2,88) — Ф^*(-2,88)=0,9974−0,026=0,9948

Пр= P_r•100%=0,9948•100%=99,48%

Допуск для R₂ равен 5%, а выходной параметр превышает этот показатель, следовательно, процент выхода годных для R₂ = 99,48

Пр= ПP_r•100%=0,9791•0.9948•100%=97,40%

Процент выхода годных изделий приблизительно будет равен 97,40%

1. Парфенов О. Д. Технология микросхем. Москва, Высшая школа, 1986 г.

2. Технология интегральных схем частого применения. Под ред. Алимовой Р. А., Казань 1979 г.

3. Валитова Ф. К. Технологические процессы микроэлектроники. Пособие по курсовому проектированию, Казань 2001 г.

4. Справочник. Технология тонких плёнок. Под ред. Л. Майссесела Р. Гленга. М. 1977 г.