Патент на изобретение №2185007
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ТЕРМОСТАБИЛЬНАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ МИКРОСХЕМА
(57) Реферат: 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  RП>RO при а>b, где а и b – геометрические размеры чипа;Rn – сопротивление резистивных полос, составляющих сопротивление резистора, в направлении, параллельном меньшей стороне кристалла; Rо – сопротивление резистивных полос, составляющих сопротивление резистора, в направлении, параллельном большей стороне кристалла. Величины сопротивления составных частей резистора Rn и Rо определяются известным способом исходя из параметров ln и lо , dп и do 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 Ko;Kп;K  – продольный, поперечный и перпендикулярный коэффициент тензочувствительности; П,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  R от механической деформации  определяется как R = K, где К – коэффициент тензочувствительности по направлению , можно вывести для плосконапряженного состояния для структуры фиг.2 соотношение (2) с учетом того, что, как следует из указанной выше работы, экспериментально установленный коэффициент Kп 0 для металлосилицидных пленок, в частности К20С (20% – GrSi2, остальное стекло) где o и п – разложение относительной деформации в плоской системе координат X, Y.
Для того чтобы выполнить условие полной нечувствительности к тензоэффекту (R = 0), необходимо выражение в квадратных скобках соотношения (2) приравнять к нулю.
При этом получается, R2о = -R1п. Это равенство возможно выполнить, если, по крайней мере, о и 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. о > п, причем о и 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 110-5 за 2000 ч при температуре 70oС 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
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
