Hybrydowe układy
scalone
systematyka, porównanie
Łukasz Olczyk
Hybrydowe układy
scalone
systematyka, porównanie
Łukasz Olczyk
Układ scalony
Układ scalony – zminiaturyzowany układ
elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od
kilku do setek milionów podstawowych elementów
elektronicznych, takich jak tranzystory, diody,
rezystory, kondensatory.
Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie –
szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z
tworzywa sztucznego.
Ze względu na sposób wykonania układy scalone
można podzielić na dwie główne :monolityczne
oraz hybrydowe
Definicja
Układem scalonym hybrydowym nazywa się
układ w którym elementy bierne
wytworzone są w postaci warstw różnych
materiałów naniesionych w procesach
fizykochemicznych na biernym podłożu
izolacyjnym. Elementy czynne (pojedyncze
elementy półprzewodnikowe lub
monolityczne układy scalone) są
dolutowywane.
Podział układów hybrydowych
(warstwowych)
Układy cienkowarstwowe
Układy grubowarstwowe
(Układy mikrofalowe - MIC)
Układy cienkowarstwowe
Grubość warstwy nie przekracza kilku μm
Technologia:
próżniowe naparowywanie - materiał podgrzewany
przez grzejnik paruje, następnie pary te kondensują na
podłożu, często podgrzewanym do temperatury
200...300ºC) - stosuje się materiały takie jak np.
aluminium, nichrom, złoto
rozpylanie jonowe (rozpylanie katodowe lub rozpylanie
reaktywne – sputtering) stosowane jest w przypadku
materiałów trudnotopliwych takich jak np. tantal
fotolitografia – kształtowanie naniesionej warstwy
Układy cienkowarstwowe -
podłoża
podłoże izolacyjne będące jednocześnie podłożem
konstrukcyjnym układu
szkło (często boro-krzemowe), ceramika
dobre właściwości izolacyjne
dobre przewodnictwo cieplne
zgodność z materiałami stosowanymi na warstwy
pod względem współczynnika rozszerzalności
termicznej
gładkość powierzchni
wytrzymałość mechaniczna
Układy cienkowarstwowe –
warstwy i elementy bierne
warstwy przewodzące – połączenie elementów
układu, okładki kondensatorów, uzwojenia elementów
indukcyjnych – zwykle stosowane jest złoto i aluminium
warstwy rezystywne – nichrom ok. 200Ω/, tantal
50...60Ω/, cermet (mieszanka Cr i SiO
2
) nawet do
20kΩ/ - po korekcji laserowej uzyskać można
precyzyjne rezystory o tolerancjach rezystancji dużo
mniejszych niż 0,01%
kondensatory – jako dielektryk często SiO
2
,
uzyskiwane pojemności 10pF...20nF, tolerancje
10..20% (często dolutowuje się dyskretne)
Układy grubowarstwowe
Grubość warstw do kilkudziesięciu μm
Technologia:
sitodruk warstw przewodzących rezystancyjnych i
dielektrycznych na bierne podłoże izolacyjne
podłoża – ceramiczne, często z ceramiki alundowej (o
dużej zawartości Al
2
O
3
), grubość typowo 0,4...1 mm
po naniesieniu warstw podłoża poddawane są
procesowi wypalania 900...1000 (w zależności od
technologii, ceramiki wysokotemperaturowe
niskotemperaturowe LTCC, itp.)
Układy grubowarstwowe
sitodruk warstw przewodzących rezystancyjnych
i dielektrycznych na bierne podłoże izolacyjne
podłoża – ceramiczne, często z ceramiki
alundowej (o dużej zawartości Al
2
O
3
), grubość
typowo 0,4...1 mm
po naniesieniu warstw podłoża poddawane są
procesowi wypalania 900...1000 (w zależności
od technologii, ceramiki
wysokotemperaturowe niskotemperaturowe
LTCC, itp.)
Układy grubowarstwowe
warstwy przewodzące – pasty zawierające
kompozycje Au-Pt, Pd-Au, Pd-Ag
warstwy rezystywne – pasty zawierające
zawiesinę cząsteczek przewodzących
(kompozycje Pd-PdO, Pd-Au, Pd-Ag) w szkliwie
– podobnie jak dla układów
cienkowarstwowych możliwość korekcji
kondensatory – kolejno 3 warstwy – środkowa
warstwa dielektrykiem np. BaTiO
3
, TiO
2
Układy mikrofalowe
podłoża Al
2
O
3
(ε
r
~10)
elementy o stałych rozłożonych:
L, C – linie długie
prowadnice falowe, mikropaski przewodzące
elementy dyskretne montowane na podłożu
technologia zarówno cienko- jak i
grubowarstwowa
Porównanie
CIENKOWARSTWOWE
średnie nakłady na
uruchomienie produkcji
duża cena układów
nieduża gęstość upakowania
elementów
średnie zakresy wartości
rezystorów i kondensatorów
bardzo dobre tolerancje
wartości elementów
bardzo dobra stałość
temperaturowa
bardzo duży zakres
częstotliwości pracy
GRUBOWARSTWOWE
małe nakłady na uruchomienie
produkcji
średnia cena układów
bardzo małą gęstość
upakowania elementów
większe zakresy wartości
rezystorów i kondensatorów
gorsze tolerancje wartości
elementów
bardzo dobra stałość
temperaturowa
bardzo duży zakres
częstotliwości pracy
W porównaniu z technologią
monolityczna
dużo tańsze we wdrażaniu produkcji
bardziej opłacalne przy małych seriach
zdecydowanie mniejsza gęstość
upakowania
zdecydowanie precyzyjniejsze wartości
elementów biernych
zdecydowanie lepsza stałość i odpornośc
temperaturowa
Posumowanie
Układy hybrydowe mimo małej gęstości upakowania
elementów w niektórych przypadkach niezastąpione:
•
niestandardowych zapotrzebowań przy
małoseryjnej produkcji
•
zastosowań specjalnych (wojskowych)
•
układów wielkiej częstotliwości (mikrofalowe, np.
konwertery satelitarne)
•
układów o wąskich tolerancjach charakterystyk
Przykładowy układ
hybrydowy