Термостабильная тонкопленочная микросхема

 

Использование: в электронной технике, в частности в тонкопленочной микроэлектронике в изделиях электронной техники для различных отраслей промышленности. Сущность изобретения: устройство микросхемы содержит корпус, выводы корпуса, интегральный резистор, расположенный на диэлектрической подложке, соединенной с корпусом посредством клеевого шва. Интегральный резистор представляет узловую сеть из N отдельных тонкопленочных резисторов, сопротивление которого зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры, причем требуемое значение сопротивления интегрального резистора достигается в процессе подгонки дискретно путем структирования узловой сети на основании запомненных в процессе измерения данных и расчетных математических соотношений. Узловая сеть интегрального резистора, состоящая из отдельных резистивных чипов, выполнена на кристаллах, полученных путем деления диэлектрической подложки микросхемы на К частей резанием в продольном и поперечном направлениях, а отдельные резистивные чипы электрически соединены проволочными перемычками путем сварки или пайки таким образом, что в узловой резистивной сети связаны между собой механически посредством "мягкого" клеевого шва. Максимальное количество чипов зависит от параметра К и конструкции типового корпуса, окончательную же корректировку точности интегрального резистора выполняют путем подгонки сопротивления того или иного резистивного чипа узловой сети. Топологию тонкопленочной резистивной структуры каждого прямоугольного чипа выполняют в виде "змейки" с максимально возможным сопротивлением в меандрах резистивных полос, направление которых параллельно меньшей стороне чипа. Технический результат от изобретения - повышение стабильности сопротивления и ТКС. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к электронной технике, в частности к тонкопленочной микроэлектронике.

Тонкопленочные прецизионные наборы резисторов (HP) представляют собой класс микросхем (Резисторы: справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Протусевич и др. Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова - 2-е изд., перераб. и доп.- М: Радио и связь, 1991. - 528с.) с высокими точностными параметрами: высокой точностью заданных сопротивлений, коэффициентов деления, низкими значениями температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и температурных коэффициентов - коэффициентов деления (ТККД) и т.д.

Качество данных микросхем зависит от уровня прецизионности и стабильности.

Известна тонкопленочная микросхема: пат. США 4782320, М.кл. Н01С 7/22, 1989 г. Резистивная структура данной микросхемы расположена на общей подложке и представляет собой узловую сеть интегральных резисторов, выполненную в виде n-сторонней сетки из N отдельных резисторов, где N≥3. Узловая сеть подсоединена к двум выводам микросхем, а ее полное интегральное сопротивление определяется структурой сети и значениями отдельных сопротивлений в ячейках этой структуры. Требуемое сопротивление интегрального резистора обеспечивается в процессе подгонки дискретно путем отключения от цепи i-го резистора на основании запомненных данных и известных математических соотношений.

Анализ конструкции такой тонкопленочной микросхемы показывает, что из однотипной сетевой структуры можно получить любое сопротивление интегрального резистора требуемого ряда, а подгонка такого резистора к своему номинальному значению может сводиться к подключению (отключению) ячейки (соответствующего резистора) к тому или иному участку интегральной сети и, при этом сведение к минимуму нежелательных результатов и самого процесса наиболее распространенной в тонкопленочной технологии лазерной подгонки. Высокая технологичность заключается в возможности полной автоматизации подгонки с использованием в составе подгоночного оборудования ПЭВМ и в минимальном необходимом воздействии подгоночного инструмента на тонкопленочную структуру, что позволяет стабилизировать сопротивление и ТКС.

Недостатком известной тонкопленочной микросхемы является высокая зависимость ее точностных электрических параметров от механических воздействий и термоупругих напряжений, распределение которых по поверхности общей подложки является нелинейным и зависит от ее геометрических размеров, которые, в свою очередь, определяются размерами самой микросхемы и количеством резисторов в узловой сети.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является термостабильная тонкопленочная микросхема по патенту РФ 2129741, М. кл. Н 01 С 7/06, H01L 27/01, содержащая корпус, выводы корпуса, интегральный резистор, расположенный на диэлектрической подложке, соединенной с корпусом посредством клеевого шва. Интегральный резистор представляет узловую сеть из N отдельных тонкопленочных резисторов, сопротивление которого зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры, причем требуемое значение сопротивления интегрального резистора достигается в процессе подгонки дискретно путем структурирования узловой сети на основании запомненных в процессе измерения данных и расчетных математических соотношений. Узловая сеть интегрального резистора выполнена из отдельных резисторных чипов на кристаллах, полученных путем деления диэлектрической подложки микросхемы на К частей разрезанием в продольном и поперечном направлениях, а отдельные резистивные чипы электрически соединены проволочными перемычками путем сварки или пайки таким образом, что в узловой резистивной сети связаны между собой механически посредством "мягкого" клеевого шва, причем максимальное количество чипов зависит от параметра К и конструкции типового корпуса, окончательную же корректировку точности интегрального резистора выполняют путем подгонки сопротивления резистора отдельного чипа каждой ячейки узловой сети.

Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что топология резистивной пленки каждого отдельного чипа может быть далека от оптимальной, позволяющей свести к минимуму влияние термомеханических напряжений на основные точностные параметры: стабильность сопротивления и ТКС.

В результате указанные параметры: стабильность сопротивления, ТКС - не являются в прототипе предельно достижимыми на данном этапе развития тонкопленочной технологии. Этот вывод подтверждают проведенные теоретические и экспериментальные исследования.

Предлагаемым изобретением решается задача дальнейшего повышения точности сопротивления и снижения ТКС резистивной тонкопленочной интегральной микросхемы.

Технический результат достигается тем, что термостабильная тонкопленочная микросхема, содержащая корпус, выводы корпуса, интегральный резистор, расположенный на диэлектрической подложке, соединенной с корпусом посредством клеевого шва, а интегральный резистор представляет узловую сеть из N отдельных тонкопленочных резисторов, сопротивление которого зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры, причем требуемое значение сопротивления интегрального резистора достигается в процессе подгонки дискретно путем структурирования узловой сети на основании запомненных в процессе измерения данных и расчетных математических соотношений, узловая же сеть интегрального резистора, состоящая из отдельных резистивных чипов, выполнена на кристаллах, полученных путем деления диэлектрической подложки микросхемы на К частей резанием в продольном и поперечном направлениях, а отдельные резистивные чипы электрически соединены проволочными перемычками путем сварки или пайки таким образом, что в узловой резистивной сети связаны между собой механически посредством "мягкого" клеевого шва, причем максимальное количество чипов зависит от параметра К и конструкции типового корпуса, окончательную же корректировку точности интегрального резистора выполняют путем подгонки сопротивления того или иного резистивного чипа узловой сети, топология тонкопленочной резистивной структуры каждого прямоугольного чипа выполнена в виде "змейки" с максимально возможным сопротивлением в меандрах резистивных полос, направление которых параллельно меньшей стороне чипа.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемая термостабильная тонкопленочная микросхема отличается от известной тем, что топология тонкопленочной резистивной структуры выполнена в виде "змейки" с максимально возможным сопротивлением в меандрах резистивных полос, направление которых параллельно меньшей стороне чипа.

Наличие существенных признаков, отличных от прототипа, а также причинно-следственная связь их в общей совокупности существенных признаков подтверждает соответствие заявляемого решения критерию патентоспособности - "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области, не позволило выявить в них отличительных признаков, совпадающих с заявляемым решением, что позволяет сделать вывод о том, что изобретение соответствует критерию патентоспособности - "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена топология в виде "змейки": 1 - прямоугольный чип; 2 - контактная площадка; 3 - резистивная полоса в виде змейки.

На фиг.2 представлена эквивалентная схема участка тонкопленочного резистора при воздействии на него механической деформации.

3₁ - элемент резистивной полосы по оси ординат (резистор R₁); 3₂ - элемент резистивной полосы по оси абсцисс (резистор R₂).

На фиг.3 представлена фотография опытного образца интегральной микросхемы.

Предложенное устройство реализовано в ходе НИР "Иртыш", прошло опытные испытания, а бескорпусная тонкопленочная микросхема, включающая в себя все существующие признаки предлагаемого изобретения и представленная на увеличенной фотографии фиг.3, подтверждает возможность осуществления изобретения.

Топологию резистивной пленки каждого отдельного чипа выполняют согласно фиг. 1, а достигаемый технический результат обеспечивается выбором геометрических параметров тонкопленочной топологии.

Основным условием минимизации влияния термомеханических напряжений или деформаций на сопротивление тонкопленочной структуры является обеспечение требования ΣR_П>ΣR_O при а>b, где а и b - геометрические размеры чипа; R_n - сопротивление резистивных полос, составляющих сопротивление резистора, в направлении, параллельном меньшей стороне кристалла; R_о - сопротивление резистивных полос, составляющих сопротивление резистора, в направлении, параллельном большей стороне кристалла.

Величины сопротивления составных частей резистора R_n и R_о определяются известным способом исходя из параметров l_n и l_о , d_п и d_o В пространственной системе координат X, Y, Z влияние тензометрической нагрузки на пленочный резистор с прямоугольной формой его топологии согласно работе (см. , например, Лугин А.Н. и Литвинов А.Н. Анизотропность тензочувствительности тонкопленочных резисторов. - Доклады международного симпозиума "Надежность и качество 99". Пенза, 1999. с. 342-343) можно описать следующей системой уравнений: где K_o;K_п;K_⊥ - продольный, поперечный и перпендикулярный коэффициент тензочувствительности;
μ_П,μ_P - коэффициент Пуассона материала подложки и материала резистора;
G₁, G₂, G₃ - коэффициенты изменения удельного сопротивления peзистора прямоугольной формы по осям X, Y, Z (ось Х совпадает с линией тока).

Эквивалентную схему резистора с топологией, выполненной согласно фиг.1, можно представить схемой фиг.2.

Считая, что относительное изменение сопротивления резистора δR от механической деформации ε определяется как δR = εK, где К - коэффициент тензочувствительности по направлению ε, можно вывести для плосконапряженного состояния для структуры фиг.2 соотношение (2) с учетом того, что, как следует из указанной выше работы, экспериментально установленный коэффициент K_п≈0 для металлосилицидных пленок, в частности К20С (20% - GrSi₂, остальное стекло)

где ε_o и ε_п - разложение относительной деформации ε в плоской системе координат X, Y.

Для того чтобы выполнить условие полной нечувствительности к тензоэффекту (δR = 0), необходимо выражение в квадратных скобках соотношения (2) приравнять к нулю.

При этом получается, R2ε_о = -R1ε_п. Это равенство возможно выполнить, если, по крайней мере, ε_о и ε_п имеют разные знаки. Последнее возможно, если тонкопленочная структура резистора фиг.1 расположена по обе стороны плоскости подложки. Однако последнее усложняет технологию изготовления тонкопленочной микросхемы.

Для прямоугольного чипа деформация от термомеханических воздействий в направлении большей стороны превышает деформацию в направлении меньшей стороны, т. е. ε_о > ε_п, причем ε_о и ε_п имеют одинаковые знаки (см., например, Литвинов А.Н., Лугин А.Н. Прогнозирование термоупругих напряжений в плоских соединениях из разнородных материалов. - Технический прогресс в атомной промышленности. Сер. "Организация производства и прогрессивная технология в приборостроении". 1991 г. Вып.7 - С. 15-18).

Следовательно, для минимизации выражения (2) при заданном значении R= R₁+R₂ и размерах чипа а>b, необходимо, чтобы сопротивление R₁ резистивных полос, параллельных оси Х (фиг.1), было как можно меньше сопротивления R₂ резистивных полос, параллельных оси Y топологической структуры.

Таким образом, тонкопленочная микросхема, содержащая прямоугольные чипы, сопротивление интегрального резистора которой определяется структурой электрической цепи, связывающей эти чипы, будут обладать меньшим ТКС и большей стабильностью своего сопротивления, если сопротивление резистивных полос в направлении, параллельном меньшей стороне чипов, является максимальным для заданного значения сопротивления чипа, выбранного резистивного материала и топологии.

В отличие от прототипа, каждый элемент интегральной сети (чип или кристалл) имеет топологическую структуру с определенным видом меандра, которая позволяет повысить точностные параметры за счет минимизации влияния на них внутренних механических напряжений.

Предложенное устройство - термостабильная тонкопленочная микросхема, реализовано в наборах резисторов HP 1-53 (фиг.3), а поверка его метрологических (точностных) характеристик проводилась на автоматизированной установке измерения относительной разности сопротивления и ТКС - УИЭ.НРЭ-110-044, в составе которой использован компаратор сопротивления Р3015, класса точности 10^-6, а в качестве образцовой опорной меры - магазин сопротивлений Е1-4 того же класса точности (10^-6).

В качестве корпусов изделий использовались металлостеклянный корпус типа 151.15-1 ("Терек") и металлокерамический корпус типа 405.24-1 ("ТУФ").

В качестве материалов резистивных пленок использовался кермет типа К20С.

Испытания показали, что допустимое отклонение сопротивления от номинального значения составляет не более •10^-5 при стабильности сопротивления: до±1•10^-5 за 2000 ч при температуре 70^oС и ТКС: до ±10•^-61/^oС.

Таким образом, сравнительный и теоретический анализ, а также эксплуатационные результаты подтверждают достижение технического результата, а предложенная термостабильная микросхема с оптимальной геометрией тонкопленочной структуры по сравнениюс прототипом и исследованными аналогами имеет ряд преимуществ, основным из которых является меньшая чувствительность к термоупругим напряжениям и деформациям.

Формула изобретения

Термостабильная тонкопленочная микросхема, содержащая корпус, выводы корпуса, интегральный резистор, расположенный на диэлектрической подложке, соединенной с корпусом посредством клеевого шва, а интегральный резистор представляет узловую сеть из N отдельных тонкопленочных резисторов, сопротивление которого зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры, причем требуемое значение сопротивления интегрального резистора достигается в процессе подгонки дискретно путем структурирования узловой сети на основании запомненных в процессе измерения данных и расчетных математических соотношений, узловая же сеть интегрального резистора, состоящая из отдельных резистивных чипов, выполнена на кристаллах, полученных путем деления диэлектрической подложки микросхемы на К частей резанием в продольном и поперечном направлениях, а отдельные резистивные чипы электрически соединены проволочными перемычками путем сварки или пайки таким образом, что в узловой резистивной сети связаны между собой механически посредством "мягкого" клеевого шва, причем максимальное количество чипов зависит от параметра К и конструкции типового корпуса, окончательная же корректировка точности интегрального резистора выполнена путем подгонки сопротивления того или иного резистивного чипа узловой сети, отличающаяся тем, что топология тонкопленочной резистивной структуры каждого прямоугольного чипа выполнена в виде "змейки" с максимально возможным сопротивлением в меандрах резистивных полос, направление которых параллельно меньшей стороне чипа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3