Файл: Рыбинский, О. А. Пассивные элементы гибридных интегральных схем.pdf

собность тонких пленок образовывать составную часть общей схе­ мы зависит от совместимости той технологии, которая использует­ ся для формирования тонкопленочного диэлектрика. Поэтому все конденсаторы, используемые для ГИС, делятся на типы в зависи­ мости от материала диэлектрика. Наиболее широкое применение в качестве диэлектрика этих конденсаторов получила двуокись

б)

X

а

£

сП

СП

л

в)

Рис. 2. Конструкция резисторов для ГИС: а) конструкция резистора 'ССНМ (на плате размещены резисторы С2-12); б) конструкция резистора СЗ-4; в) конструкция резистора С2-20

кремния. Обычно для образования конденсатора используется слой

двуокиси кремния толщиной 500 А, синтезированный либо химиче­ скими транспортными реакциями, либо высокочастотным реактив­ ным распылением. На ее металлизированной поверхности под­ ложке монтируется вся интегральная схема либо выращивается из материала с низким удельным сопротивлением (рис. 3). Второй электрод образуется нанесением поверх диэлектрика тонкой металлической пленки. Эти типы конденсаторов имеют то пре­

9

имущество, что для них не имеет значения знак потен­ циала на любой обкладке, что обеспечивает значительную свободу в проектировании схемы. Кроме того, емкость такого конденсатора постоянна при изменении напряжения и добротность выше, чем у конденсаторов, образуемых за счет емкости р—п перехода, так как они имеют малое паразитное сопротивление. Обычно пленки двуокиси кремния позволяют получать емкость от 400 до480пФ/мм2

о

при толщине диэлектрика 500—1000 А. Применение более тонкого диэлектрика исключается, так как с уменьшением толщины появ­ ляются трудности получения однородной по толщине пленки на

*■=$

3

Рис. 3. Конструкция конденсатора с диэлектриком из-. двуокиси кремния для ГИС (поперечное сечение):

всей поверхности подложки. Совместимые тонкопленочные конден­ саторы возможно изготовить также на пленках из окиси алюминия, конструкция их показана на рис. 4. Однако их изготовление более сложно, так как необходимо экранировать алюминиевые электро­ ды этого конденсатора от диэлектрика, чтобы предотвратить мигра­ цию атомов алюминия в диэлектрик (А120з). Это экранирование осуществляется нанесением тонкой никелевой пленки между ди­ электриком и электродами. Изоляция нижнего электрода от крем­ ниевой платы осуществляется слоем Si02, что приводит к, образо­ ванию небольшой паразитной емкости между нижней обкладкой и платой. Однако поскольку толщину двуокиси кремния под ниж­ ней обкладкой конденсатора можно сделать сравнительно большой толщины, то паразитную емкость относительно подложки можно сделать весьма малой. Аналогичную конструкцию имеют конден­ саторы с диэлектриком из окиси тантала (Та20 5). Слой окисла об­ разуется в этом случае обычно путем анодирования нижнего тан-

10

талового электрода, который наносится для этого значительно боль­ шей толщины, чем в случае конденсаторов из окиси алюминия. За­ мечания о паразитных элементах, сделанные для конденсатора из окиси алюминия, остаются в силе и для танталовых. Кроме того, имеется ряд конденсаторов металлопленочных и металлобумаж­ ных, имеющих конструкцию, аналогичную обычным дискретным конденсаторам тех же типов, но микроминиатюрные габариты, со­ измеримые с габаритами дискретных полупроводниковых приборов.

Рис. 4. Тонкопленочный конденсатор с диэлектриком из окиси алюминия:

1— верхний электрод (А1); 2 — диэлектрическая плен­ к а — А120 3; 3 — нижний электрод; 4 — пленка — Si02; 5 — подложка с другими элементами схемы

Отсюда следует, что в распоряжении конструкторов ГИС имеет­ ся много различных типов конденсаторов, каждый из которых об­ ладает своими достоинствами и недостатками. Как правило, тонко­ пленочные конденсаторы могут иметь сравнительно большие номи­ налы и малые паразитные емкости и последовательные сопротивле­ ния, не чувствительные к полярности питающих напряжений. Одна­ ко для их изготовления необходимы дополнительные операции, усложняющие технологию и удорожающие их изготовление. Харак­ теристики некоторых типов тонкопленочных конденсаторов для ГИС приведены в табл. 3.

Наибольшую проблему для конструкторов ГИС представляет получение индуктивных элементов, имеющих достаточно высокие значения индуктивности и добротности, хотя на разработку таких индуктивных элементов было затрачено больше усилий, чем на дру­ гие пассивные элементы. Достигнутые до сих пор результаты с точ­ ки зрения практики не окупают всех проведенных затрат. Напри­ мер, плоская спираль из двадцати витков диаметром 8,3 мм вы­ полнена на диэлектрической и кремниевой подложках и имеет ха­ рактеристики (см. табл. 4), допускающие ее использование только

11

к индуктивным элементам для ГИС значительно возрос, что было обеспечено появлением ферритовых пленок, которые были исполь­ зованы в качестве магнитных сердечников. Были разработаны ка­ тушки индуктивности, которые практически имеют два измерения и хорошо компонуются с ГИС. Примером таких изделий является

12

Т а б л и ц а 5'

серия плоских катушек, разработанная в Советском Союзе. Разме­ ры индуктивности 10X10X1,0 мм с величиной индуктивности от 1 до 1500 мкГнпри максимальной добротности, равной 80. Фирма Silvania (США) создала конструкцию плоских катушек индуктив­ ности с ферритовым сердечником, которая при диаметре 7,4 мм имеет индуктивность 2,5—4 мкГ и добротность 10—20 на частоте 1 мГц. Обмотка катушки изготавливается по довольно сложной технологии, включающей в себя напыление металла в вакууме, гальваническое осаждение и фотохимическое травление. В нашей стране также имеются пленочные катушки индуктивности с ферро­ магнитными и воздушными сердечниками размером 10x10 мм, основные параметры которых приведены в табл. 5. На основе этой

Рис. 5. Конструкция плоской подстраиваемой катушки индуктивности:

1 — подстроечник (феррит); 2 — ферритовые пленочные диски; 3 — токопроводящая спираль; 4 — диэлектриче­ ский каркас

постоянной катушки была разработана конструкция плоской пере­ страиваемой катушки, изменение индуктивности которой дости­ гается приближением или удалением ферритовой шайбы от плос­ кости катушки (рис. 5) за счет ввинчивания или вывинчивания подстроечника, с которым жестко связана ферритовая шайба. Из­ менение индуктивности, получаемое при этом, составляет 20%.

13

Размеры такой, катушки индуктивности не превышают габаритов

10X10X3 мм.

Используя ферритовые пленки, можно изготовить пленочные плоские соленоидальные катушки индуктивности путем нанесения по обе стороны ферромагнитной пленки системы параллельных пе­ чатных проводников, соединенных соответствующим образом через отверстия в пленке для создания непрерывной намотки. Созданный на ферритовой пленке, такой соленоид длиной 25 мм и поперечным сечением 12,5x2,5 мм с 20 витками имел индуктивность 34 мкГ, что хорошо согласуется с расчетными данными. Особенно важно в соленоидальной катушке то, что при ее изготовлении из двух пле­ нок с односторонним расположением рисунка на каждой пленке между ними образуется щель, в которую можно вставить пленоч­ ный подстроечник из феррита, что позволяет создать подстраивае­ мую печатную катушку.

Из рассмотрения результатов, достигнутых в создании индук­ тивных элементов для ГИС, следует, что в основном большинство индуктивности элементов должно присоединяться к ГИС в виде дискретных компонентов. В аппаратуре на интегральных схемах, очевидно, целесообразно использовать различные микроминиатюр­ ные катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками, вы­ пускаемые в настоящее время промышленностью. Номинальные значения индуктивности и величины добротности, которые можно получить у этих катушек, вполне удовлетворяют требованиям гиб­ ридных схем, и они могут быть установлены либо внутри корпуса ГИС, либо снаружи на его поверхности при условии, что темпера­ тура обработки корпуса будет снижена для предотвращения неже­ лательных изменений в катушке индуктивности. Высказанные сооб­ ражения относятся в полной мере и к другим индуктивным элемен­ там: высокочастотным трансформаторам, контурным индуктивно­ стям и т. д.

В Советском Союзе в настоящее время разработан целый ряд индуктивных элементов для ГИС и отработана технология их изго­ товления. Например, серия миниатюрных высокочастотных кату­ шек индуктивности — постоянных типа КИМП и регулируемых типа КИМР. Постоянные катушки имеют величины индуктивности от 0,1 до 900 мкГ, а регулируемые — от 0,1 до 500 мкГ и предна­ значены для работы в интервале температур от —60 до +85°С при частотах от 0,25 до 150 мГц. Добротность катушек не менее 30—60,

Разработана также целая серия постоянных и регулируемых ка­ тушек индуктивности, основные параметры которых представлены в табл. 6. Эти катушки изготавливаются с точностью от ±5 до ±20%, а величина регулировки колеблется в пределах от 20 до

50%.

Параллельно с созданием индуктивных элементов для ГИС конструкторы радиоэлектронной аппаратуры изыскивают возмож-

14