Разработка интегральных микросхем (стр. 14 из 15)
После этого кристалл готов к нанесению на его поверхность внешней изоляции и нанесения алюминиевых выводов на базовую, коллекторную имиттерную области кристалла. Для этого производят тщательную очистку поверхности кристалла и осаждают нитрид кремния. Затем производят нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя нитрида кремния в окне фоторезиста и удаление фоторезиста со вcей поверхности нитрида кремния.
Затем на всю поверхность кристалла наносят сплав алюминия и кремния методом катодного распыления. Далее производят операцию фотолитографии и травление алюминия. Таким образом производится электрическое соединение элементов схемы в соответствии со схемой электрической принципиальной.
Вся поверхность кристалла подлежит тщательной очистке и сушке центрифугированием. Затем на поверхность кристалла наносится слой двуокиси кремния методом окисления моносилана. Производится изготовление окон в изоляционном слое для соединения токоведущих дорожек микросхемы с внешними выводами.
4. Разработка топологии кристалла
Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС является электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно – технологические требования и ограничения.
Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС(см.пункт 3); размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии; оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии (Приложение В). Целью создания топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней. Работы по созданию топологии ИМС сводятся к нахождению такого оптимального варианта взаимного расположения элементов и качества ИМС: Низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным. [11, стр. 47-48]
При проведении технологических операций приоритетом пользуются в первую очередь активные элементы, все расчеты пассивных элементов основаны на размерах областей активных элементов. Необходимо отметить, что все активные элементы (транзисторы, диоды) разработаны по одной и той же технологии, следовательно, их топологический вид совершенно идентичен, различны только размеры областей, образующих транзисторы и диод. Типичная конструкция маломощного биполярнрго транзистора показана на рис.
При размещении элементов данной биполярной полупроводниковой ИМС на кристалле необходимо учитывать следующие требования и ограничения:
1. Каждый элемент ИМС должен размещаться в отдельной изолированной области; в изолированных областях располагаются также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих дорожек.
2. Каждая изолированная область должна занимать как можно меньшую площадь.
3. Резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут быть расположены в одной изолированной области n-типа, которая должна быть подсоединена к наибольшему положительному потенциалу схемы.
4. Если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом.
5. Если в качестве диодов используются переходы эмиттер-база транзисторов, то все они могут быть помещены в общую изолированную область, при этом аноды диодов (базы транзисторов) с помощью внешней металлизации должны быть закорочены на изолированную (коллекторную) область.
6. Подложку p-типа следует соединить с источником отрицательной полярности.
7. Если в результате разработки топологии остались свободные участки площади, они могут быть использованы для увеличения наиболее критичных размеров элементов.
Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т.е. наиболее оптимальное размещение на кристалле элементов схемы и соединений между ними. Чертёж кристалла приведён в приложении Б. Элементы и соединения расположены с учётом конструктивно-технологических ограничений на минимально-допустимые размеры.
Пассивные элементы изготавливаются в едином технологическом цикле, что и активные элементы. Основными их недостатками является наличие паразитного транзисторного эффекта вследствие полевого эффекта и сильная температурная зависимость. Необходимо отметить, что большинство резисторов разрабатывались по одному и тому же внешнему виду - резисторы, резисторы R1,R2,R4 были реализованы в эпитаксиальном слое.
Необходимо также отметить, что в схеме генераторв напряжения имеется конденсатор. Форма обкладок конденсатора была выбрана квадратной, поэтому основной топологической характеристикой является длина стороны обкладки. Размер стороны одной обкладки конденсатора равен 158 мкм. Диэлектрик, который при этом использовался – двуокись кремния; материалом для обкладок служит алюминий.
6. Сборка ИМС
Под сборкой обычно подразумевают завершающий процесс соединения деталей и сборочных единиц (узлов), в результате, которого получается готовое изделие. Монтаж кристаллов на металлическое основание корпусов осуществляется пайкой с образованием золотой эвтектики. В стеклянных или пластмассовых корпусах, в которых отсутствуют металлические пластины в основаниях корпусов кристаллы приклепляют к несущей рамке легкоплавким стеклом в атмосфере энертного газа при температуре не более 250 ◦С. Затем производится монтаж выходных контактных площадок на внутренние выводы корпуса.
Для защиты элементов ИС от воздействия внешней окружающей среды ее кристалл должен быть герметизирован. Наиболее просто герметизация может быть создана путем покрытия ристала тонким слоем защитного лака или компаунда (конформное покрытие). Для защиты ИС применяются заливочные и покровные органические материалы, обладающие высокими электороизоляционными и влагозащитными свойствами, устойчивостью к воздействию низких и высоких температур, не влияющих на параметры схем, эластичные и ремонтоспособные.
Могут быть рекомендованы самовулканизирующиеся эластичные компаунды типа КЛ на основе низкомолекулярных кремний – органических каучуков СКТН и СКТН – 1, работающие в диапазоне температур – 60…+300◦С и в условиях повышенной влажности, а также компаунды - герметики типа ПЭК на основе эпоксидной смолы, модифицированной карбосилатным каучуком и полиэфиром. Эти компаунды отличаются прочностью, эластичностью, морозостойкостью и воздействию повышенной влажности. В качестве материалов для защиты от влаги используются лаки СБ-1с, УР-231, УР-930 и Э-4100, эпоксидно – крезольный лак ЭП – 096, кремний органические лаки К – 47 и К – 57. Для защиты поверхности кристаллов применяют компаунды типа МБК, виксинт, К – 18. Все перечисленные материалы обладают хорошими электроизоляционными свойствами.
Для надежной защиты от воздействия внешней среды при эксплуатации кристаллы или платы упаковываются в герметичные корпуса.
Корпус служит для защиты элементов ИС от влияния внешней среды, обеспечивает нормальную работу ИС в течении всего срока службы, надежное механическое и электрическое соединение платы или кристалла с другими элементами электронного блока. Корпус должен обеспечивать необходимую электрическую связь между элементами схемы и выводами. Должна гарантироваться электрическая изоляция между его выводами. Конструкция корпуса должна обеспечивать отвод тепла от кристалла. Корпус должен иметь удобную для печатного монтажа конструкцию по габаритам и расположению выводов.
Наибольшее распространение имеют четыре вида конструктивно – технологического исполнения корпусов. Металлостеклянный корпус имеет металлическую крышку и стеклянное (или металлическое) основание с изоляцией или пайкой. Металлокерамический корпус имеет металлическую крышку и керамическое основание, крышка соединяется с основанием заливкой влагостойким компаундом. Керамический корпус имеет керамическую крышку и основание, крышка соединяется с основанием пайкой. Пластмассовый корпус (наиболее дешевый) имеет пластмассовое тело, полученное путем опрессовки кристалла и рамки выводов [1, стр. 37-38].
В разрабатываемой конструкции будет применяться пластмассовый корпус с 5 выводами. Указания по монтажу кристалла и корпуса приведены на сборочном чертеже[11, стр. 159-160]. Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки – соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.
Так в микросхеме генератора напряжений используется пяти выводная микросхема в которой задействовано все пять выводов, два из которых используются как выводы для питания микросхемы (+ Еп; общяя шина питания), один – в качестве сигнального выхода (вывод 4), а также предусмотрены две контактные площадки для подключения выносного резистора R3 (выводы 2 и 3).