Гибридные интегральные схемы: конструкция и технологии

Введение

Тип миниатюрной электронной схемы

Гибридная интегральная схема (HIC), гибридная микросхема, гибридная схема или просто гибрид – это миниатюризированная электронная схема, изготовленная из отдельных компонентов, таких как полупроводниковые приборы (например, транзисторы, диоды или монолитные интегральные схемы) и пассивные компоненты (например, резисторы, индуктивности, трансформаторы и конденсаторы), соединенные с подложкой или печатной платой (PCB). Печатная плата (PCB) с компонентами, размещенными на печатном проводнике (PWB), не считается настоящей гибридной схемой согласно определению MIL PRF 38534.

Обзор

"Интегрированная схема", как этот термин используется в настоящее время, относится к монолитной интегральной схеме, которая существенно отличается от HIC тем, что HIC изготавливается путем соединения ряда компонентов на подложке, в то время как компоненты IC (монолитной) изготавливаются последовательно на одной пластине, которая затем разрезается на кристаллы. Некоторые гибридные схемы могут содержать монолитные интегральные схемы, особенно гибридные схемы с многочиповой интеграцией (MCM). Гибридные схемы могут быть заключены в эпоксидную смолу, как показано на фотографии, или, в военных и космических применениях, на корпус припаивалась крышка. Гибридная схема функционирует как компонент на печатной плате так же, как и монолитная интегральная схема; различие между этими двумя типами устройств заключается в способе их конструирования и производства. Преимущество гибридных схем состоит в возможности использования компонентов, которые нельзя включить в монолитную интегральную схему, например, конденсаторов большой емкости, обмоточных компонентов, кристаллов, индуктивностей. В военных и космических применениях многочисленные интегральные схемы, транзисторы и диоды в виде кристаллов размещались на керамической или бериллиевой подложке. Золотая или алюминиевая проволока припаивалась от контактов интегральной схемы, транзистора или диода к подложке. Технология толстых пленок часто используется в качестве промежуточного соединения для гибридных интегральных схем. Использование трафаретной печати толстых пленок обеспечивает универсальность по сравнению с тонкими пленками, хотя размеры элементов могут быть больше, а допуски на отпечатанные резисторы – шире. Многослойная толстая пленка – это метод дальнейшего повышения степени интеграции с использованием трафаретно-печатного изоляционного диэлектрика для обеспечения соединения между слоями только в необходимых местах. Ключевым преимуществом для разработчика схемы является полная свобода выбора номинала резистора в технологии толстых пленок. Планарные резисторы также наносятся методом трафаретной печати и включаются в конструкцию межсоединений толстой пленки. Состав и размеры резисторов могут быть выбраны для получения требуемых значений. Окончательное значение резистора определяется конструкцией и может быть скорректировано с помощью лазерной подрезки. После полной сборки гибридной схемы тонкая настройка перед окончательным тестированием может быть выполнена с помощью активной лазерной подрезки. Технология тонких пленок также применялась в 1960-х годах. Компания Ultra Electronics производила схемы на подложках из силикатного стекла. Пленка тантала наносилась методом распыления, за которой следовал слой золота методом испарения. Золотой слой сначала подвергался травлению после нанесения фоторезиста для формирования контактных площадок, пригодных для пайки. Резистивные сети формировались также с использованием фоторезиста и процесса травления. Они обрезались до высокой точности путем селективной анодизации пленки. Конденсаторы и полупроводники имели форму LID (устройств без выводов с перевернутым монтажом) и припаивались к поверхности путем селективного нагрева подложки с обратной стороны. Готовые схемы заливались диаллилфталатной смолой. С помощью этих методов были изготовлены несколько специализированных пассивных сетей, а также некоторые усилители и другие специализированные схемы. Предполагается, что некоторые пассивные сети использовались в блоках управления двигателем, производимых компанией Ultra Electronics для Concorde. Некоторые современные технологии гибридных схем, такие как гибридные схемы на подложках LTCC, позволяют встраивать компоненты в слои многослойной подложки, помимо компонентов, размещенных на поверхности подложки. Эта технология создает схему, которая в определенной степени является трехмерной.

"Integrated circuit" as the term is currently used refers to a monolithic IC which differs notably from a HIC in that a HIC is fabricated by inter connecting a number of components on a substrate whereas an IC's (monolithic) components are fabricated in a series of steps entirely on a single wafer which is then diced into chips. Some hybrid circuits may contain monolithic ICs, particularly Multi chip module (MCM) hybrid circuits. Hybrid circuits could be encapsulated in epoxy, as shown in the photo, or in military and space applications, a lid was soldered onto the package. A hybrid circuit serves as a component on a PCB in the same way as a monolithic integrated circuit; the difference between the two types of devices is in how they are constructed and manufactured. The advantage of hybrid circuits is that components which cannot be included in a monolithic IC can be used, e. g., capacitors of large value, wound components, crystals, inductors. In military and space applications, numerous integrated circuits, transistors and diodes, in their die form, would be placed on either a ceramic or beryllium substrate. Either gold or aluminum wire would be bonded from the pads of the IC, transistor, or diode to the substrate. Thick film technology is often used as the interconnecting medium for hybrid integrated circuits. The use of screen printed thick film interconnect provides advantages of versatility over thin film although feature sizes may be larger and deposited resistors wider in tolerance. Multi layer thick film is a technique for further improvements in integration using a screen printed insulating dielectric to ensure connections between layers are made only where required. One key advantage for the circuit designer is complete freedom in the choice of resistor value in thick film technology. Planar resistors are also screen printed and included in the thick film interconnect design. The composition and dimensions of resistors can be selected to provide the desired values. The final resistor value is determined by design and can be adjusted by laser trimming. Once the hybrid circuit is fully populated with components, fine tuning prior to final test may be achieved by active laser trimming. Thin film technology was also employed in the 1960s. Ultra Electronics manufactured circuits using a silica glass substrate. A film of tantalum was deposited by sputtering followed by a layer of gold by evaporation. The gold layer was first etched following the application of a photoresist to form solder compatible connection pads. Resistive networks were formed, also by a photoresist and etching process. These were trimmed to a high precision by selective adonization of the film. Capacitors and semiconductors were in the form of LID (Leadless Inverted Devices) soldered to the surface by selectively heating the substrate from the underside. Completed circuits were potted in a diallyl phthalate resin. Several customized passive networks were made using these techniques as were some amplifiers and other specialized circuits. It is believed that some passive networks were used in the engine control units manufactured by Ultra Electronics for Concorde. Some modern hybrid circuit technologies, such as LTCC substrate hybrids, allow for embedding of components within the layers of a multi layer substrate in addition to components placed on the surface of the substrate. This technology produces a circuit that is, to some degree, three dimensional.

Другие электронные гибриды

В первые дни телефонии отдельные модули, содержащие трансформаторы и резисторы, назывались гибридами или гибридными катушками; они были заменены полупроводниковыми интегральными схемами. В первые дни транзисторов термин "гибридная схема" использовался для описания схем, содержащих как транзисторы, так и вакуумные лампы; например, звуковой усилитель с транзисторами для усиления напряжения и последующей выходной каскадом на вакуумной лампе, поскольку подходящих мощных транзисторов не было доступно. Это применение и устройства устарели, однако усилители, использующие ламповый предусилитель в сочетании с твердотельным выходным каскадом, до сих пор производятся и называются гибридными усилителями, отсылая к этой истории.