Конструкции элементов коммутации

Электрические соединения элементов и компонентов ГИС осуществляются с помощью довольно сложной в топологическом отношении системы пленочных проводников и контактных площадок.

Самым распространенным материалом проводников и контактных площадок в интегральных схемах повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Толщина пленочных проводников обычно составляет 0.5-1.0 мкм. В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности используюсят пленки из меди и алюминия на адгезионных слоях из хрома, нихрома и титана. Для предотвращения окисления меди и улучшения условий пайки ее покрывают слоем никеля, золота или серебра.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, поэтому может использоваться как с защитой, так и без защиты. В последнем случае присоединение навесных компонентов осуществляется сваркой. Толщина алюминиевых и медных проводников делается не менее 1 мкм.

Разводка проводников бывает многоуровневой и многослойной. Уровни могут быть также многослойными.

Уровень – это независимо изготавливаемая система коммутационных проводников, которая с помощью сборочных операций присоединяется к другим уровням и отделяется от них слоем диэлектрика. В настоящее время известно более 500 способов создания многоуровневой тонкопленочной разводки. На практике чаще всего используются следующие варианты:

1. Коммутация с использованием неорганических диэлектрических слоев.

По конструкции тождественна тонкопленочному конденсатору. Диэлектрическая пленка может быть сплошной или только в месте пересечения:

Для уменьшения паразитной емкости в области пересечения проводников применяют материалы с малой диэлектрической проницаемостью и увеличивают толщину изолирующего слоя до 50 мкм., однако с ростом толщины диэлектрика увеличивается высота ступенек и затрудняется получение однородного металлического покрытия в области ступенек.

2. Коммутация с использованием органических диэлектрических слоев.

Эта конструкция аналогична предыдущим, но в качестве диэлектрика используются органические полимерные лаки, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами при высокой разрешаемой способности рисунка.

3. Коммутация с использованием воздушного зазора.

Воздух имеет малую диэлектрическую проницаемость и поэтому небольшие переходные емкости и задержку сигнала. Мостики 2-го уровня разводки могут изготавливаться различными способами, в частности методом контактной маски.

Многослойная алюминиевая коммутация с диэлектрической изоляцией из окисла алюминия.

Формируется следующим образом: наносится сплошной слой алюминия с последующим локальным анодным окислением промежутков между проводниками до их превращения в окись алюминия. Затем после окисления поверхности и формирования контактных окон, напыляется следующий сплошной слой алюминия и т.д.

Недостатком этого метода является повышенная паразитная емкость между слоями из-за малой толщины изолирующего слоя, а также большой процент брака из-за шунтирующих включений неокисленного алюминия вследствии трудности подключения всех анадированных участков к электродам.

4. Многоуровневая коммутация с использованием термопластика.

Изготавливается следующим образом:

- формируется первый слой коммутации, и избирательно выращиваются столбики переходных соединений;

- устанавливаются кристаллы п/п интегральных схем, и все сверху накрывается термопластиком, имеющим ТКЛР близкий к ТКЛР подложки и кремния;

- проводится избирательное травление термопластика с целью обнажения переходных столбиков и выводов кристаллов

- после этого формируется следующий уровень коммутации и т.д.

Достоинства метода:
- высокая плотность упаковки;

- эффективный теплоотвод через подложку;

- совмещение процессов создания разводки и монтажа кристалла.

Недостатки:

- высокая стоимость изготовления ГИС, т.к. в случае брака приходится выбрасывать всю подложку вместе с годными кристаллами;

- низкая ремонтопригодность.

5. Многоуровневая коммутация с применением полиамидных плат и жестким металлическим основанием.

В этой конструкции функции несущей конструкции, теплоотвода и подложки выполняет алюминиевая плата, выполненная по способу 4 со слоем анодного окисла и системой коммутационных проводников первого уровня. А функции основной коммутационной платы выполняет система гибких полиамидных пленок толщиной 40-60 мкм с нанесенными на них методом тонкопленочной технологии проводящими дорожками.

Двухстороннюю металлическую пленку и переходные отверстия осуществляют термовакуумным напылением многослойной пленки хром-медь-хром толщиной 1-2 мкм с последующим гальваническим наращиванием меди до 13-16 мкм и покрытием сплавом из олова-висмута толщиной 7-10 мкм:

Коммутационные переходы с одной стороны гибкой платы на другую осуществляются системой металлизированных отверстий. Полиамидная пленка обладает прекрасными физическими свойствами, но дорогая из-за сложности производства.

Ее характеристики:

- паразитная емкость в месте пересечения <0,02 пФ;

- пробивное напряжение в месте пересечения >1000 В;

- вероятность короткого замыкания и обрыва между слоями и вероятность обрыва при переходе с уровня на уровень <10^-9.

Пленка не теряет гибкость при температуре жидкого азота и температуре до 400 ºС. Отсутствуют газовыделения при высоких температурах, устойчива к воздействию кислот и может травиться в сильных щелочах. Гибкие коммутационные платы могут собираться в пакеты до 10 уровней и присоединяется к основанию следующими способами:

В случае в) и г) на подложке формируются столбики или контактные площадки, покрытие припоем. На полиамидных гибких платах в соответствующих столбикам и площадкам местах вытравливаются сквозные отверстия. В случае в) производится нанизывание уровня на столбике с закреплением каждого уровня к столбикам микросваркой. В случае г) при нагреве в вакууме припоя он поднимается по переходным отверстиям.

Для изоляции гибких плат с двусторонней разводкой между уровнями используют прокладки из полиамидной пленки.

Бескорпусные полупроводниковые приборы и другие навесные компоненты могут монтироваться как сверху на коммутационной полиамидной пленке, так и непосредственно на металлической плате через окна, вытравленные в гибких платах.

6. Многослойные керамические коммутационные платы на толстых пленках.

Формируются из нескольких слоев (до 16) необожженной керамики толщиной примерно 100 мкм.

На поверхность каждого слоя последовательно наносят пасту для коммутационных проводников. После опрессовки и обжига многослойного пакета образуется монолитная структура, внутри и на поверхности которой расположены коммутационные проводники.

Межслойные соединения образуются через отверстия в керамических слоях, заполненные проводящей пастой или молибденовыми столбиками. Молибден является тугоплавким металлом, выдерживающий температуру обжига керамики 1400 ºС. Высокая теплопроводность и механическая прочность керамики в широком диапазоне температур обеспечивает высокое качество микросхем.

7. Многоуровневая коммутация на основе фольгированных диэлектриков.

В простейших производствах могут использоваться фольгированные стеклотекстолиты толщиной до 100 мкм. Медная фольга предварительно стравливается до 5-7 мкм, это повышает разрешающую способность процессов фотолитографии. Технология производства такая же, что и ПП, т.е. травление. Т.к. разрешающая способность не велика, то и плотность коммутационных проводников тоже не велика. Уровни могут собираться в пакеты, также, как и в случае с полиамидными пленками.

Трассировка коммутационных соединений обычно производится в прямоугольной сетке с шагом, кратным 0,25 мм. В соседних узлах сетки могут располагаться переходные отверстия, но в этом случае между ними нельзя провести ни одного проводника. Диаметр переходных отверстий от 100 до 120 мкм. Ширина коммутационных проводников выбирается исходя из разрешающей способности технологического процесса, заданной плотностью тока, допустимого сопротивления и допустимых емкости и индуктивности на высоких частотах.

Дата добавления: 2014-01-11