книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные функциональные устройства
.pdfoooUOOo
CD CD CD CD O |
^ : . ^ |
|
|
||
CZ> |
O O O |
C D C |
D O C D O |
||
<--->t—>< >o o |
CDO O |
CD |
|||
= < |
r ■= = ; |
i------ > |
CD CD CD |
CD |
|
= D O |
C D O |
O C D |
£ZZZ> |
О |
О |
5 CD |
CZD CD v^D CD |
^D |
CD |
CD |
CD
CD
CD
CD
КНИГА § ГИБРИДНЫЕ | ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
1ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
§УСТРОЙСТВА
CD
CD Под редакцией
проф. Л.А.Коледйва
C D |
Допущено Министерством |
g |
высшего и среднего специального |
CD |
образования СССР |
g |
в качестве учебного пособия |
C D |
для студентов втузов |
Москва Высшая школа» 1987
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CD |
CD |
|
|
|
CD CD |
CZD |
|
|
CD |
CD |
CD CD |
CD CD CD CD CZD> |
CD CD |
|
|||||
Z D |
CD CD |
C Z |
|
CD |
О |
O O |
О |
О |
CD CD CZD |
O |
O |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CD CD CD |
CD |
CD CD |
CD |
CD |
CD |
C D CD О |
C O CD |
О |
О |
Cl |
||||
CD CD CD CD |
||||||||||||||
— |
CD О С П |
CZD CD |
О |
CD |
C Z D |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
CD CD |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Гибридные интегральные микросхемы, микросборкн, гибридные интегральные функциональные устройства и узлы — все эти микроэлектронные изделия в виде сбороч ных единиц входят в состав микроэлектронной аппаратуры (МЭА). Их изготавливают с использованием гибридной тон коили толстопленочной технологии (см. книгу 4). При их проектировании стремятся достичь высоких показателей микроминиатюризации МЭА (см. книгу 8). В чем же раз личие между ними? ГИС проектируют и выпускают серийно либо как микросхемы общего применения, а также как схе мы частного применения, необходимые для производства конкретного вида МЭА. Микросборки создаются только как изделия частного применения. Существует такое определе ние: микросборка — это микроэлектронное изделие, кото рое выполняет определенную функцию преобразования сиг нала, состоит из интегральных микросхем (в корпусах или бескорпусных) и других электрорадиоэлементов, находя щихся в различных сочетаниях, разрабатывается и изготав ливается производителями радиоэлектронной аппаратуры для улучшения показателей ее миниатюризации.
Термин «гибридные интегральные функциональные уст ройства» (ГИФУ) появился в конце 70-х годов для обозна чения функционально и конструктивно сложных микро электронных изделий, с особо высокими показателями мик роминиатюризации. ГИФУ могут содержать не только бескорпусные и корпусированные ИМС и различные электро радиоэлементы, собранные на одной коммутационной плате, но и несколько коммутационных плат, конструктивно и электрически связанных между собой. Они, так же как и микросборки, не могут быть использованы для самостоя тельного применения вне той аппаратуры, для которой соз даны. Этим они функционально и конструктивно отличают ся от радиоэлектронных ячеек.
Для обозначения микросборок и ГИФУ в настоящее время предложен единый термин (см. ГОСТ 26632—85)
«радиоэлектронный функциональный узел» (РЭФУ). РЭФУ — это радиоэлектронное устройство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующее функ цию преобразования сигнала и не имеющее самостоятельно го эксплуатационного применения.
В данном учебном пособии рассмотрены различные типы ГИФУ, особое внимание уделено операциям сборки этих ^сложных изделий.
Л. А. Коледов
ВВЕДЕНИЕ
В устройствах МЭА плотность упаковки элементов, до стигнутая в кристаллах ИМС, из-за низкой плотности про водников печатных плат, необходимости применения уст ройств теплоотвода и других габаритных конструкционных элементов снижается. Одним из принципиально новых кон структивно-технологических направлений совершенствова ния техники монтажа МЭА в части увеличения плотности упаковки элементов и компонентов, снижения материало емкости (а следовательно, снижения габаритов и массы), роста надежности ячеек и блоков, систем и комплексов МЭА является создание гибридных интегральных функциональ ных устройств (ГИФУ). Это направление характеризуется применением базовых процессов тонко- и толстопленочной технологии для создания многоуровневых коммутационных плат ГИФУ с высокой плотностью проводников (вместо пе чатных плат), причем такие платы одновременно могут слу жить высокоэффективным средством теплоотвода. Кроме того, для ГИФУ характерна высокая плотность размещения на коммутационной плате ИМС и радиокомпонентов (чаще всего бескорпусных).
ГИФУ представляют собой изделия микроэлектроники, состоящие из элементов, компонентов и (или) ИМС, а также микросборок. Несмотря на то что ГИФУ выполняет частную целевую функцию и автономно не эксплуатируется, они чаще всего являются функционально и конструктивно закончен ным изделием МЭА. К отличительным особенностям ГИФУ необходимо отнести также высокую интеграцию (обычно они содержат свыше 100 000 элементов и компонентов); многоуровневую коммутацию с высокой разрешающей спо собностью рисунка для электрической связи отдельных элементов, компонентов, ИМС и микросборок, установлен ных на коммутационную плату; достаточно большие размеры коммутационных плат, изготавливаемых преимущественно методами тонкопленочной или толстопленочной технологии (порядка 100 X 100 мм); при этом конфигурация платы мо
жет быть достаточно сложной; плата имеет крепежные от верстия, необходимые формы для компоновки ГИФУ друг
сдругом и т. п.
Всвязи с высокой плотностью монтажа навесных эле ментов, компонентов, ИМС и микросборок на коммута ционной плате нецелесообразно использование специальных устройств для обеспечения жесткости конструкции и тепло
отвода; для этого чаще всего применяют саму плату и не обходимые устройства для герметизации.
ИМС, устанавливаемые в ГИФУ, относятся к классу бескорпусных (напомним, что бескорпусные ИМС гермети зируются в составе микросборки, ячейки или блока МЭА после завершения регулировочно-монтажных операций). Применение бескорпусных ИМС обеспечивает максимальные плотность монтажа и надежность ГИФУ.
Несмотря на то что в состав ГИФУ могут входить отдель ные микросборки и гибридные ИМС, развитие данного на правления позволяет исключить при изготовлении сложных изделий микроэлектроники данный структурный (иерархи ческий) конструктивно-технологический уровень. Необхо димость использования микросборок остается в случае про ектирования МЭА СВЧ-диапазона. При этом ГИФУ вы полняют функции первого или даже второго структурного уровня конструктивной иерархии МЭА (ячейка, субблок или блок); при дальнейшем монтаже ГИФУ компонуются в мо ноблоки, подсистемы и системы, являющиеся составной ча стью любого радиоэлектронного комплекса и представляю щие собой автономно эксплуатируемые изделия МЭА.
Таким образом, при использовании ГИФУ значительно сокращается материалоемкость МЭА (особенно важна эко номия таких драгоценных и дефицитных материалов, как золото, серебро, вольфрам, ковар и др.). Учитывая то, что конструкции ГИФУ более приспособлены для поточного производства изделий широкой номенклатуры, понятна пер спективность их дальнейшего развития. Именно проектиро вание и изготовление ГИФУ являются определяющими на данный момент в создании МЭА различного назначения.
Основными требованиями к конструкциям современных ГИФУ является обеспечение: 1) нормальной работы уст ройств при действии дестабилизирующих факторов окру жающей среды (температура, механические воздействия, электрические и магнитные поля, влажность, перепад дав ления и т. п.); 2) минимальной материалоемкости; 3) мини мизации массогабаритных показателей; 4) нормальной ра боты устройств с необходимой надежностью; 5) условий для
довательном виде, то это также позволяет уменьшить число выводов (ценой снижения быстродействия). Кроме того, каждая группа логических схем может представлять собой законченный функциональный блок машины — в этом слу чае также достаточно меньшее число выводов.
В тех случаях, когда время задержки сигнала важно, соединительный провод, по которому он распространяется, следует рассматривать не как простой проводник, а как линию передачи; при этом сигнал представляют в виде
|
волны, |
|
распространяю |
|||
|
щейся по линии переда |
|||||
|
чи; он |
может частично |
||||
|
отражаться |
в |
местах |
|||
|
нарушения |
однородно |
||||
|
сти линии передачи или |
|||||
|
от конца |
линии. |
Коэф |
|||
|
фициент |
отражения оп |
||||
|
ределяется нагрузочным |
|||||
|
сопротивлением |
R Q. |
||||
|
Для |
низкоомной линии |
||||
Рис. В.1. Зависимость числа сигналь |
|
RQ = V Q c ~ g, (в.2) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
ных выводов N устройства от числа |
где |
Lgy |
|
Cg — погонные |
||
логических схем С в нем |
индуктивность и емкость |
|||||
|
||||||
|
линии |
передачи. |
|
Необходимо учитывать и исключать по мере возможно сти (особенно для ГИФУ СВЧ-диапазона) перекрестные па разитные связи между линиями, характеризуемыми их взаимными индуктивностью и емкостью. Кроме того, для такого класса аппаратуры следует учитывать потери на излучение.
При проектировании линий электрических соединений ГИФУ СВЧ-диапазона нужно учитывать еще два обстоятель ства: 1) линии связи следует рассматривать не как простые проводники, а как линии передачи; при этом сигнал рас сматривается как волна, распространяющаяся по линии передачи; напряжение в каждой ее точке зависит как от расстояния до источника сигнала, так и от времени с мо мента подачи сигнала. В этом случае при проектировании соответствующих конструкций коммутационных плат не обходимо предусмотреть распределительные экранирующие проводящие плоскости или слои с опорными напряжениями. Сигнальные линии коммутационных плат МЭА СВЧ-диа пазона преобразуются в симметричные или несимметричные
пу «непрерывной» схемы приводит к планарности конструк ции блока: из-за особенностей стыковки микрополосковых линий микросборки (рис. В. 2) могут располагаться в два слоя.
Межсоединения между СВЧ-микросборками выполняют с помощью микрополосковых перемычек (в виде балок или проволок). Необходимы последовательная стыковка с вы сокой точностью большого числа микросборок друг с другом на общем поддоне, а также хорошее электрическое соедине ние экранирующих слоев микросборок и поддона.
В последнее время при конструировании микроэлект ронных устройств СВЧ все большее применение находят гибкие платы из полимерных диэлектрических материалов (полиофелины, сополимеры структурированного стирола, полисульфон и др.). Основные преимущества таких плат — способность легко принимать любую форму, хорошие диэ лектрические свойства на высоких и сверхвысоких часто тах, небольшие масса и габариты — позволяют эффективно использовать их вместо жестких плат. Развитие такой тех нологии монтажа может способствовать переходу от планар ных конструкций СВЧ ГИФУ к объемно-интегральным, от отдельных микросборок к единым системам соединитель ных линий передачи электромагнитной энергии, что харак терно для ГИФУ цифроаналоговой аппаратуры.