книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ
..pdfпротивления. Одновременно при нагреве на воздухе возника ют окислительные процессы, что вызывает увеличение сопро тивления. При импульсной доводке в атмосфере воздуха эти два процесса действуют одновременно.
При пропускании электрического тока необходимо уста новить предельное значение напряжения, подаваемого на ре зистор, при котором происходит его разрушение. Значение разрушающего напряжения зависит от удельного поверхност ного электросопротивления, т.е. толщины пленки. Так, для пленок нихрома с удельным поверхностным электросопроти влением 100... 150 Ом оно составляет 290... 320 В при дли тельности импульса 0 ,8 ... 1,2 мс.
Разрушающее напряжение увеличивается также с увели чением площади резистора (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Зависимость разрушающего на
пряжения Up от площади резистора в:
материал пленки - нихром, рп = 150 Ом; г = = 0,8...0,9 мс
Напряжение, используемое для доводки электросопроти вления резисторов, должно составлять (0,85... 0,9)t/p.
Процесс электроимпульсной доводки осуществляют пода чей серии импульсов, каждый из которых дает прирост значе ния электросопротивления в зависимости от подаваемого на пряжения в несколько сотых долей Ом, т.е. применяя этот
о
-Z -
1
- 6 -
- 8
20 |
|
60 |
60 |
80 |
too |
КОп |
|
Г |
■ " |
I |
1 |
1------ |
I |
1 |
« 1 |
|
1--------- |
|
------------- |
1 |
г |
||
--------- |
|
*-------- |
- |
|
■— |
|
2 |
|
|
^ |
п |
|
|
^ |
-10
AR/*r%
Рис. 6.13. Зависимость изменения электро сопротивления AR / R резисторов от числа импульсов п для различных величин пода
ваемого напряжения:
180 (1), 220 (2) и 270 (5) В (материал пленки - нихром, р р = 150 Ом)
способ, можно с большой точностью проводить доводку элек тросопротивления. График зависимости электросопротивле ния резисторов из нихрома от числа импульсов приведен на рис. 6.13.
Следует отметить, что при электроимпульсной доводке изменение электросопротивления зависит от структуры сфор мированного слоя. Из-за отличий в структуре резисторы из одной и той же партии ведут себя при пропускании электриче ского тока неодинаково, что затрудняет прогнозирование до стижения требуемого значения электросопротивления с боль шой точностью, т.е. электроимпульсная обработка является сугубо индивидуальным процессом для каждого резистора.
Подгонка пленочных резисторов импульсами большой мощности и малой длительности позволяет за счет подбора соответствующих значений скважности и длительности им пульсов осуществлять локальный разогрев резистора. При этом способе подгоняемый резистор нагревается только во время действия импульса, а в паузах он остывает.
После воздействия серии импульсов, начиная с определен ного напряжения, номинал сопротивления изменяется, асим птотически приближаясь к определенному значению. Как пра вило, 50 ... 150 импульсов достаточно для стабилизации со
противления. Дальнейшее уменьшение электросопротивления возможно при увеличении амплитуды импульса.
Под действием первых 10... 20 импульсов электросопро тивление резко уменьшается, что исключает возможность точной подгонки.
В зависимости от материала пленки, номинального зна чения электросопротивления и геометрических размеров ре зистора его сопротивление изменяется с изменением уровня мощности. Поэтому подгонку в дальнейшем осуществляют за счет повышения импульсного напряжения. Более короткий импульс обеспечивает более низкую температуру подгонки.
Поскольку после прохождения каждого импульса электро сопротивление резистора уменьшается, то даже при постоян ной амплитуде удельная мощность будет возрастать, что по зволит постепенно достичь заданного значения электросопро тивления.
Несмотря на возможность осуществления прецизионной подгонки электросопротивлений резисторов, электроимпульсный способ очень трудоемок и имеет ограниченное примене ние.
Высокочастотным высоковольтным напряжением мож но изменять структуру и свойства пленочных материалов. Этот способ используют для изменения электросопротивления толстопленочных резисторов. Для реализации этого способа к резистору подводится электрод на расстоянии 1 ... 10 мм и подается высокое напряжение 2 ... 10 кВ при частоте 500 кГц. От параметров разряда: длительности воздействия и значе ния приложенного напряжения зависит характер и изменения электросопротивления толстопленочных резисторов.
Воздействию разряда легко поддаются резисторы на ос нове серебряно-палладиевых, рутениевых и других паст.
На рис. 6.14 приведена зависимость изменения электросо противления толстопленочных резисторов на основе рутения от длительности воздействия разряда. Электросопротивление резисторов из оксида рутения и стекла (кривая 1) увеличива ется сразу же при подаче разряда, в то время как электросо противление резисторов с добавками оксида ниобия (кривая 2)
AR/R,%
Рис. 6.14. Зависимость относительного из
менения |
электросопротивления A R / R от |
времени |
воздействия т высоковольтного |
разряда для различных составов рутение вых паст:
1 - 50% R11O2 , 50% стекло; |
2 - 1 2 % |
R11O2 , |
18% ШзгОа, 70% стекло; |
2 - 2 0 % |
RuC>2 , |
10 % Ag, 70 % стекло (зазор между электродом н поверхностью резистора 1 мм; напряжение 2 кВ; частота 500 кГц)
и серебра (кривая 3) первоначально уменьшается, затем про исходит рост сопротивления.
Увеличение электросопротивления для всех составов ре зисторов по мере увеличения времени обработки связано, повидимому, с разрушением структуры пленок; выгоранием ор ганического связующего вещества, появлением пор за счет ча стичного распыления основного вещества.
Уменьшение электросопротивления толстопленочных ре зисторов, насыщенных серебром и ниобием, в начальной ста дии обработки можно связать с миграцией атомов этих ме таллов под воздействием сильного электрического поля, что приводит к увеличению их концентрации на поверхности.
На рис. 6.15 показана зависимость между напряжением разряда и изменением электросопротивления рутениевых ре зисторов.
Рис. 6.15. Зависимость относительного измене ния электросопротивления AR/R резисторов от
напряжения разряда к:
паста 20 % R11O2 , 10 % Ag, 70 % стекло, время обработ
ки 20 ... 150 с; расстояние между электродом и поверх ностью резистора 1 мм
Использование более высокого значения приложенного на пряжения, даже при меньшем времени воздействия, позволит получить наибольший эффект в изменении электросопроти вления.
Оптимальным напряжением является напряжение 2 кВ (при частоте 500 кГц и зазоре между электродом и пленкой
6.3. Выбор стратегии доводки электросопротивления пленочных резисторов
Выбор стратегий доводки - изменения электросопроти вления пленочных резисторов - проводят после анализа ре зультатов измерений изготовленной партии подложек, руко водствуясь параметрами, характеризующими закон распреде ления. Для нормального закона распределения, который явля ется основным для технологического процесса изготовления
пленочных элементов в условиях воздействия большого числа независимых (или слабо зависимых) случайных дестабилизи рующих факторов, это такие параметры: R - положение цен тра группирования и а - среднеквадратичное отклонение.
Возможны следующие случаи соотношений JZ, и RK(но минальное значение сопротивления) и 6 (половина поля допус ка).
Случай первый: R располагается вне поля допуска слева, т.е. R < Rn- 6 (изготовленная партия имеет заниженные зна чения электросопротивлений) и 3<т > й - следует применить групповой способ доводки при условии, что состав и струк туру резистивного материала можно изменить воздействием тепла или “мягкой” ионной обработкой в окислительной среде. Если же воздействие этих факторов не приводит к окислению материала пленки и, как следствие, к увеличению электросо противления резисторов, то надо применить один из возмож ных способов индивидуальной доводки, например лазерный.
При соотношении R < R H - 6 K 3<T <6 достаточно будет применить только групповой способ, который позволит обес печить высокий (85... 96 %) выход годных резисторов.
Второй случай, когда R располагается вне поля допуска справа, т.е. Л > Ян+ в (значения электросопротивлений рези сторов завышены), является более сложным, так как необходи мо уменьшить электросопротивление за счет релаксационных процессов и упорядочения структуры резистивных пленок.
Осуществление процесса упорядочения структуры пленок возможно за счет тепловой обработки в инертной атмосфе ре. Однако поведение пленок и связанное с ним уменьшение электросопротивления для различных материалов неодинако во. Так, например, уменьшить электросопротивление пленок Сг и NiCr возможно на 2 . . . 5 %, TaN - на 6 . . . 10 %, сплава РС-3710 - на 15 ... 20 %, кермета К50С - на 5 0 ... 60 %.
Способ индивидуальной обработки (при 3<7 > Æ) для уменьшения электросопротивлений резисторов имеет еще бо лее ограниченные возможности. Это связано с трудностью осуществления локального воздействия, например, тепловым
потоком на резистивную пленку малой площади (0,01...
...0,1 мм2), а также большой трудоемкостью обработки ка ждого резистора.
Для уменьшения электросопротивления каждого резисто ра можно использовать электроимпульсный способ (для тон ких пленок) и высоковольтный разряд (для толстых пленок).
В третьем случае, когда значение R находится в поле до пуска, т.е. RH- 6 < R < RH+ 6, и 3<т > S применим индиви дуальный способ доводки, позволяющий увеличить электросо противление (при R < JR h ) или уменьшить его (при R > RH).
В целом выбор стратегии доводки электросопротивлений пленочных резисторов при определенных параметрах R и а для партии подложек является компромиссом между техни ческими возможностями способа доводки, с одной стороны, и конструктивными особенностями резистора (размеры, форма, расположение по отношению к другим элементам и пр.) и материалом пленки (состав, структура, условия осаждения и пр.), с другой.
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СБОРОЧНО-МОНТАЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В результате выполнения сборочно-монтажных операций создаются новые электрические свойства. Формирование свойств происходит за счет механиче ского размещения и электрического соединения элемен тов ГИС СВЧ в единую электрическую цепь* К со единяемым элементам относятся платы, ЭРК, СВЧпереходники, тонкие круглые провода и плоские пере мычки и др.
Новые свойства образуются путем сочетания свойств исходных элементов, например, платы и по лупроводниковых приборов или других электрорадиоком понентов (ЭРК); коммутация энергии осуществляется при помощи соединительных элементов.
Самостоятельной сборочно-монтажной операцией является размещение, закрепление и коммутация плат в корпусе.
Сам корпус должен быть подготовлен выполнять электрические и защитные функции; в его основание должны быть установлены и припаяны СВЧ-соедини- тели, низкочастотные вводы энергии, штенгель для откачки воздуха и наполнения газом. Завершающей операцией является установка и соединение способами
сварки или пайки крышки. Монтаж всех элементов кор пуса должен обеспечить его герметичность.
7.1. Монтаж ЭРК, полупроводниковых приборов и соединительных элементов
Сборка и монтаж навесных ЭРК предусматривает реше ние ряда технических и организационно-методических вопро сов. К их числу относятся:
-выбор способа монтажа ЭРК;
-выбор последовательности сборки и монтажа при нали чии на плате различных ЭРК;
-обеспечение контроля качества сварного или паяного соединения.
Технологический процесс монтажа полупроводниковых приборов должен обеспечить следующие требования:
-надежность механического соединения элементов;
-надежный электрический контакт проволочных (или ленточных) выводов прибора к контактным площадкам пла ты;
-высокую точность монтажа элементов на плате и выво дов к проводящим элементам.
Уменьшение размеров микрополосковых плат и размеров навесных ЭРК, повышение требований к точности их разме щения требуют разработки более современных способов мон тажа ЭРК.
Взависимости от характеристик контактируемых по верхностей контактные соединения могут быть выполнены способами микропайки или микросварки.
М и х р о п ай ка . Способы пайки предусматривают исполь зование припоя и флюса.
Припой, входя в состав конструкции МЭИ СВЧ, опреде ляет электрические и механические свойства паяного соедине ния, его эксплуатационную надежность. Для пайки элементов применяют мягкие припои, обычно на основе олова и свинца. Их химический состав и физико-механические свойства при ведены в табл. 7.1 и 7.2.
Та б л и ц а 7.1. Химический состав припоев, применяемых в производстве ГИС СВЧ
Мар^а |
|
Химический состав, % |
|
|
||
припоя |
Sn |
РЬ |
Cd |
Ag |
Другие |
При |
|
|
|
|
|
металлы |
меси |
ПОС-61 |
59 - 61 |
остальное |
- |
- |
- |
0,29 |
ПОСК-50-18 |
49 - 51 |
остальное |
1719 |
- |
- |
0,37 |
ПОИн-52 |
остальное |
— |
- |
— |
индий |
0,06 |
|
|
|
|
|
5 1 - 5 3 |
|
ПОСр2 |
58 - 60 |
остальное |
— |
1,7 - 2,3 |
— |
0,15 |
ПОС-61+ |
59 - 61 |
|
— |
3,0 |
|
0,1 |
+3 % Ag |
остальное |
|
||||
П0С-61+ |
59 - 61 |
|
|
|
золото |
|
+3 % Au |
остальное |
|
— |
0 01 |
||
|
|
|
" |
|
3,0 |
Та б л и ц а 7.2. Некоторые физикомеханические свойства припоев
|
Временное Интервал Плотность Коэффици Удельное |
||||
|
сопротив |
темпера |
при тем |
ент тепло |
электро |
Марка |
ление раз |
тур плав |
пературе |
вого линей |
сопро |
припоя |
рыву при |
ления, °С |
20 °С, |
ного расши |
тивление, |
|
температу |
|
кг/м3 |
рения, |
104, |
|
ре 20 °С, |
|
|
10*, °С |
Ом*см |
|
МПа |
|
|
|
|
ПОС-61 |
42,18 |
183 -190 |
8500 |
24 |
0,139 |
ПОСК50-18 |
39,24 |
142 -145 |
8800 |
21 |
0,133 |
ПОИн-52 |
21,88 |
121 |
7450 |
- |
0,28 |
ПОСр 2 |
59,0 |
235 - 238 |
9200 |
2 3 - 2 4 |
0,142 |
Оловянно-свинцовые припои имеют наибольшее примене ние. Однако при пайке золотых или серебросодержащих по крытий происходит их растворение в припое, с образованием хрупких соединений, имеющих меньшую механическую проч ность. В этих случаях используют припои с добавками золота или серебра соответственно.