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