6 Hybridní integrované obvody, tenkovrstvé a tlustovrstvé technologie a jejich využití 6.1 Úvod Monolitické integrované obvody není výhodné pro některé aplikace, zejména pro přístroje s některými náročnějšími elektrickými vlastnostmi nebo vyráběné v menších sériích, použít. Jedná se např. o konstrukci výkonových obvodů, kde by bylo nutné kombinovat monolitické obvody s diskrétními součástkami nebo o konstrukci obvodů v malých množstvích, kde by byla výroba menšího počtu kusů monolitických obvodů neúměrně nákladná. Hybridní integrované obvody mohou na základní destičce obsahovat nejen pasivní a diskrétní součástky, ale i monolitické integrované obvody. Při jejich výrobě jsou využívány technologie tenkých a tlustých vrstev. Tenkovrstvé a tlustovrstvé technologie mají široké využití jak při výrobě diskrétních pasivních součástek, tak i při výrobě integrovaných obvodů. Tenkovrstvé a tlustovrstvé komponenty jsou realizovány z vodivého, polovodivého nebo nevodivého materiálu a umístěny na keramickou nebo skleněnou podložku. Těmito komponentami jsou zpravidla pasivní prvky jako např. rezistory a kondenzátory. Technika tlustých vrstev je vhodná pro různé typy obvodů, u nichž je vyžadována velká mechanická, případně i klimatická odolnost, nebo schopnost snést větší výkonové zatížení. Jsou jednodušší i z hlediska výroby. Technika tenkých vrstev vyžaduje dražší výrobní zařízení a vyšší kvalifikaci pracovníků a je proto nákladnější než tlustovrstvá technologie. Tato technika je využívána především pro výrobu obvodů s velkými nároky na přesnost, případně na velkou hustotu montáže. Využívá se u nich skutečnosti, že materiál nanesený ve velmi tenké vrstvě začíná mít poněkud odlišné vlastnosti než tlustší vrstva materiálu téhož druhu. 6.2 Tlustovrstvá technologie Tlustou vrstvou je vrstva materiálu, jejíž tloušťka je minimálně 10 krát větší než střední dráha elektronu v daném materiálu, což je přibližně 1 mm. Touto technologií jsou vyráběny pouze pasivní prvky, jako jsou rezistory a kondenzátory. Je možné vytvářet vodivé, odporové i dielektrické vrstvy i prokovené otvory. Technologie umožňuje lepení a kontaktování nepouzdřených čipů na keramický substrát a také pájení součástek určených pro povrchovou montáž. Výroba tlustovrstvých komponent je nejčastěji založena na využití sítotisku, při kterém je nanášen speciální Obr.č.6.2.1 Princip sítotisku materiál ve formě pasty na keramickou podložku. Nanesená vrstva materiálu je vytvrzena za vyšší teploty. Sítotisk je poměrně nenáročný, nevakuový způsob nanášení vrstev různých typů past, které mají tixotropní (nestékavý) charakter. Jednotlivé vrstvy jsou tisknuty přes sítotiskovou šablonu na čistou podložku (substrát). Motiv šablony je zpravidla vytvářen pomocí fotolitografie. Šablony pro sítotisk jsou nejčastěji vyhotoveny z tkaniny vyrobené z vláken nerez-oceli, polyesteru nebo nylonu. Substrát (podložka) je keramický (např. korundová keramika), skleněný nebo polymerní. Jeho povrch musí být hladký, rovný a čistý. 6-1
Hybridní integrované obvody Hlavní vlastnosti past pro tlusté vrstvy: výborná přilnavost po teplotním vytvrzení; schopnost použití pro vícevrstvé aplikace; nízká cena. Pasty obsahují tyto hlavní složky: funkční složka (funkční fáze) je tvořena: kovovým práškem (Pt - platina, Pd - palladium, Ag stříbro, Au zlato, Cu měď, Ni - nikl atd.) kovovými oxidy v odporových pastách; keramikou a sklem v dielektrických pastách. vazební materiály: organické pojivové materiály, které slouží jako pojivo práškové anorganické složky před vypálením pasty. Jsou to těkavé (rozpouštědla) nebo netěkavé (polymery) organické látky, které jsou odstraněny během sušení, případně na začátku vypalovacího procesu; anorganické vazební materiály v práškové formě (nízkotavná skla a oxidy), které při výpalu vytvářejí vazbu na substrát (podložku); modifikační materiály jsou speciální aditiva (příměsi), které ovlivňují chování past před a po jejich zpracování. Složení pasty je různé pro různé funkce, které má pasta vykonávat. Druhy past: standardní: - vodivé; - odporové; - dielektrické; speciální: - termorezistivní; - piezoelektrické; - magnetorezistivní; - biocitlivé atd. Postup vytváření tlustých vrstev natisknutí vrstvy metodou sítotisku; usazení vrstvy na substrátu (aby se odstranily linky od ok sítě); sušení vrstvy, odstranění těkavých látek sušicí teplota závisí na použitých rozpouštědlech a pohybuje se od 100 C do 150 C, trvá 5 až 15 minut; vypalování je prováděno v závislosti na druhu použité pasty při teplotách od 600 C do 1100 C po dobu 10 minut, některé speciální pasty jsou vypalovány i při teplotách nižších. Při výrobě složitějších uspořádání jsou jako první vypalovány vodiče a spodní elektrody kondenzátorů. Následuje vypalování jednotlivých odporových vrstev a dielektrika kondenzátorů, nakonec jsou vypalovány horní elektrody kondenzátorů. Výhody tlustovrstvé technologie: vysoká úroveň integrace při nízkých nákladech na vývoj nového obvodu i jeho výrobu; vysoká tepelná vodivost substrátu; možnost vytvoření 4 vodivých vrstev při nízkých nákladech na výrobu; automatické aktivní nastavování hodnot rezistorů během měření parametrů hybridního obvodu; možnost různých způsobů pouzdření. Obr.č.6.2.2 Princip uspořádání tlustovrsvého termistoru Tlustovrstvé rezistory Tiskem a výpalem je možné dosáhnout u rezistorů tolerancí ±10 %. Menších tolerancí je dosahováno pomocí otryskávání křemenným pískem, moderněji trimováním laserem a to až ± 0,2 %. Obr.č.6.2.2 znázorňuje princip uspořádání tlustovrstvého rezistoru (termistoru). 6-2
Tlustovrstvé kondenzátory Tiskem a výpalem je možné dosáhnout u kondenzátorů tolerancí ±(20 až 30) %. Kondenzátory jsou vyráběny posloupností nanášení a vypalování několika vrstev. Konečnou fází výroby tlustovrstvých obvodů je nanesení sklovité ochranné vrstvy a její vypálení. 6.3 Tenkovrstvá technologie Tenká vrstva je termín používaný pro technologii nanášení pasivních součástek na izolační podklad (substrát), tloušťka nanesené vrstvy je přibližně 100 µ. Pro nanášení tenkých vrstev bylo vyvinuto velké množství různých metod. Nejpoužívanějšími z nich jsou vakuové napařování a katodové naprašování. Podložky pro tenkovrstvé obvody jsou vyráběny ze skla, glazované keramiky, případně z oxidu křemíku (SiO 2 ). 6.3.1 Vakuové napařování držák plátku vývěva vakuová komora plátek s maskou materiál pro napařování vytápění Obr.č.6.3.1 Princip uspořádání zařízení pro vakuové napařování Vakuové napařování je metoda používaná k nanášení různých typů materiálů. Destička, na kterou má být vrstva daného materiálu nanesena je umístěna v komoře s vysokým vakuem. Destička je opatřena maskou s motivem nanášené vrstvy. Pod destičkou je ve stanovené vzdálenosti umístěn napařovací materiál. Materiál je elektricky ohřát na teplotu, při které dojde k jeho vypařování. Vypařuje se přímočaře všemi směry a může být odstíněn jakoukoliv překážkou, kterou má v cestě. Po ukončení procesu napařování je vakuum odstraněno a od destičky je uvolněna maska. Na místech vystavených maskou expozici je vytvořena tenká rovnoměrná vrstva nanášeného materiálu. Tento proces je také používán k vytváření spojů mezi komponentami a integrovanými obvody. Technika vakuového napařování je velmi vhodná pro nanášení vrstev materiálů, které jsou snadno oxidovatelné, jako je např. hliník, se kterým je obtížné pracovat na vzduchu. Protože vypařování je přímočaré, mohou být touto metodou vytvářeny velmi přesné obrazce podle masky. 6.3.2 Katodové naprašování _ napájení + ohřev vakuová komora stínění katody katoda plátky s maskami uzemněná anoda reaktivní plyny Obr.č.6.3.2 Princip uspořádání zařízení pro katodové naprašování Typické uspořádání systému pro katodové naprašování znázorňuje obr.č.6.3.2. Tento proces je rovněž uskutečňován ve vakuu. Mezi anodu a katodu je přiloženo napětí o velikosti (2 až 5) kv. To vyvolá v prostoru mezi elektrodami doutnavý výboj a dojde k vyvržení atomů, které jsou uloženy rovnoměrně na všechny objekty uvnitř komory. Po ukončení cyklu naprašování je vakuum odstraněno a destičky je možné vyjmout. Následuje odstranění masek od destiček. Používané materiály pro rezistory Pro výrobu tenkovrstvých rezistorů je používáno velké množství materiálů, jako např. NiCr (nichrom), TaN (nitrid tantalu), sloučeniny oxidu křemíku a cermetů s obsahem chromu s tantalem a titanem. 6-3
Hybridní integrované obvody Poznámka Název cermet zahrnuje počáteční písmena slov CERamic METal. Je to materiál obsahující keramické částice v kovovém pojivu. Vyznačují se velkou odolností proti oděru, vysokou pevností za tepla a chemickou stabilitou. Při obou metodách vytváření tenkých vrstev jsou používány již známé postupy, mezi které patří maskování a fotolitografie. Tento postup bude znázorněn na příkladu nanesení vodičů. Trimování rezistorů pomocí laseru umožňuje nastavovat absolutní hodnoty rezistorů s tolerancemi až ±0,01 %, poměrné tolerance rezistorů až ±0,005 %. Tenkovrstvé kondenzátory Proces výroby tenkovrstvých kondenzátorů zahrnuje nanesení spodní elektrody, dielektrika a vrchní elektrody. Nejčastěji používanými dielektriky jsou nitrid oxidu (SiN), oxid uhelnatý a oxid uhličitý (SiO a SiO 2 ) a polyimid. Tenkovrstvé cívky Tenkovrstvé cívky jsou dvojího typu a to jednak bez magnetického jádra a jednak s magnetickým jádrem. Cívka bez magnetického jádra mají většinou podobu vodiče stočeného do spirály. Většina elektronických zařízení musí být vybavena napájecím zdrojem nebo stabilizátorem napětí napájecích baterií. Důležitými částmi napájecích zdrojů Obr.č.6.3.3 Příklad tenkovrstvé vzduchové cívky Magnetické jádro Nanesené měděné vinutí Obr.č.6.3.4 Příklad toroidní struktury cívky jsou magnetické komponenty jako cívky nebo transformátory. Přestože je převážná většina magnetických komponent dosud vyráběna klasickým způsobem, technologický pokrok výroby integrovaných obvodů zasáhl i tuto oblast. Konstrukce tenkovrstvých magnetických komponent spočívá v nanesení vodičů, izolačních vrstev a magnetického materiálu. Obecně jsou využívány dvě základní struktury a to toroidní a pot core, což by bylo možné přeložit jako kelímkové jádro. Pro aplikace v nízkovýkonových dc-dc zdrojích jsou požadovány indukčnosti přibližně 5 µh na kmitočtech (1 až 2) MHz. Při zvýšení spínacího kmitočtu na 10 MHz bude v budoucnu možné snížit velikost indukčnosti na 0,5 µh. fotorezist podložka osvit maska expozice vyvolání nanesení mědi odstranění Obr.č.6.3.5 Příklad toroidní struktury cívky Proces výroby tenkovrstvé cívky s magnetickým jádrem zahrnuje nanesení vodičů vinutí cívky, izolace vodičů a nanesení materiálu magnetického jádra. Nanesení vodičů pro vinutí cívky Vodiče transformátorů a cívek jsou měděné. Kvůli nutnosti omezit ztráty v mědi je požadováno, aby byly vrstvy měděných vodičů co nesilnější. Z toho důvodu je používána velká vrstva (desítky µm). Nanesení materiálu magnetického jádra Pro nanášení magnetického materiálu jader cívek a transformátorů je používána metoda elektroplátování permalloye (Ni 80 Fe 20 ). Proces je obdobný jako procesu vytváření vinutí cívky. Aby byly v magnetickém jádru minimalizovány hysterezní ztráty je v průběhu nanášení v magnetickém materiálu pomocí magnetického pole od permanentního magnetu vytvářena anizotropie. Tenkovrstvé rezonátory V elektronických systémech je často vyžadováno přesné nastavení kmitočtu, případně použití různých typů filtrů. toto se v současné době projevuje zejména v systémech pro bezdrátové přenosy informací 6-4
jako jsou pagery, mobilní telefony, navigační systémy, satelitní komunikace a různé způsoby datové komunikace. Tyto systémy převážně pracují v kmitočtovém spektru od 500 MHz do 6 GHz. Jsou používány i další systémy, které využívají kmitočty nad 6 GHz. Nároky na přesné udržování kmitočtů rostou s tím, jak se zvětšuje využití kmitočtových pásem různými systémy. Rezonanční obvody a filtry složené z cívek s kondenzátorů mají nízký činitel jakosti Q. Elektromechanické rezonátory jako jsou krystalové piezoelektrocké rezonátory mají vysoké Q, ale lze je použít do kmitočtů přibližně 300 MHz. Od nižších kmitočtů až do mikrovln jsou používány rezonátory s povrchovou akustickou vlnou. Použitá technologie pro jejich výrobu závisí na specifické aplikaci. Jednou z možností výroby rezonátorů na vysokých kmitočtech je získat požadovanou tloušťku rezonátoru tenkovrstvovou technologií. Z funkčního hlediska vyžaduje konstrukce rezonátorů, aby měly volné obě strany povrchů vrstev. Toho se může docílit následujícím způsobem. Na substrát se nanese vrstva piezoelektrického materiálu stanovené tloušťky. Pod ní se část substrátu odstraní, takže je nanesená membrána z obou stran volná a může kmitat. K výrobě tenkovrstvých rezonátorů a filtrů jsou využívány i jiné postupy. Pro poměrnou složitost však zde nejsou prezentovány. 6.4 Hybridní integrované obvody (HIO) Hybridními obvody, jak již bylo naznačeno, budeme rozumět součástky, které mají na jedné destičce propojeny analogové a číslicové obvody, vytvořeny pasivní součástky, případně zapojeny i diskrétní polovodičové součástky jako tranzistory, diody apod. Technologie hybridních obvodů umožňuje výrobu tzv. zákaznických integrovaných obvodů vyráběných v menším počtu kusů. Technologie MCM (Mulit Chlip Module packaje) je označení technologie používané pro vytváření HIO umisťováním nezapouzdřených i zapouzdřených integrovaných obvodů a jejich propojení s podpůrnými obvody a součástkami, jako jsou rezistory, kondenzátory, cívky na jedné laminátové nebo keramické podložce. Příklad provedení HIO je uveden na obr.č. Velmi aktuálním tématem je pouzdření integrovaných obvodů. Jejich rozměry jsou využíváním nových technologií neustále zmenšovány. Pouzdření a propojování obvodů již takové zmenšování neumožňuje. Technologie MCM umožňuje zmenšení pouzdra i snížení hmotnosti, pro propojování obvodů využívá technologie tenkých vrstev. Velkou výhodou hybridní v porovnání s diskrétní technologií je možnost dosahovat vynikající elektrickou a mechanickou stabilitu, protože jakákoliv změna prostředí je společná všem součástkám umístěným v těsné blízkosti na podložce HIO. 6-5