Tranzistoare difuzate şi epitaxiale

Report
Tehnologie electronică - Curs 6

Tranzistoarele
sunt
dispozitive
semiconductoare care în funcţie de tipul
purtătorilor de sarcină se împart în: bipolare şi
cu efect de câmp sau unipolare. Tranzistoarele
discrete sunt dispozitivele electronice, având
caracteristicile şi parametrii specifici tipului de
tranzistor, la care structurile semiconductoare
sunt introduse în capsule prin care se pot
conecta în circuite electronice ca elemente de
sine stătătoare.
Tehnologie electronică - Curs 6

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive electronice cu două
joncţiuni care funcţionează pe baza injecţiei de purtători din
emitor prin bază spre colector. Una dintre joncţiuni este
puternic asimetrică, din punct de vedere al dopării cu
impurităţi, adică n+p la tranzistorul npn, respectiv p*n la
tranzistorul pnp. Această joncţiune corespunde zonei emitor
- bază, iar cealaltă este joncţiunea bază - colector. Deoarece,
la funcţionarea acestor tranzistoare îşi aduc contribuţia atât
a purtători majoritari, cât şi cei minoritari, aceste dispozitive
se întâlnesc sub denumirea de tranzistoare bipolare.
Tehnologia tranzistoarelor bipolare necesită un număr mai
mare de operaţii decât în cazul diodelor semiconductoare,
deoarece se cer realizate trei zone: de emitor, de bază şi de
colector, dar mai ales din necesitatea de a obţine parametrii
electrici ceruţi la nivelul microstructurii.
Tehnologie electronică - Curs 6

Tehnologiile actuale sunt variate şi complexe, având o serie de
particularităţi în funcţie de caracteristicile funcţionale ale
tranzistoarelor realizate. La producerea unui tranzistor bipolar
trebuie ca în primul rând să se obţină eficienţa emitorului.
Pentru aceasta este esenţial ca doparea emitorului să fie mai
mare decât cea a bazei. întru-cât fctorul de transport al
sarcinilor prin zona bazei trebuie să fie aproape unitar, rezultă
urmatoarea condiţie care trebuie să fie îndeplinită:
unde:
wb= grosimea bazei;
Ln,p= lungimea de difuzie a electronilor, respectiv a golurilor;
Dn,p = constanta de difuzie a electronilor, respectiv a golurilor;
n,p = durata de viaţă a electronilor, respectiv a golurilor.
Tehnologie electronică - Curs 6

1.
2.
3.
4.
5.
În funcţie de tehnologia de fabricaţie tranzistoare bipolare discrete se pot
clasifica în:
tranzistoare aliate, realizate prin procese de aliere - tehnologie specifică
tranzistoarelor cu germaniu;
tranzistoare simplu difuzate realizate prin difuzarea simultană a impurităţilor pe
ambele feţe ale unei plachete semiconductoare dopate iniţial;
tranzistoare dublu difuzate realizate prin două difuzii succesive într-un substrat
iniţial dopat (difuzia bazei şi apoi difiizia de emitor);
tranzistoare planar epitaxiale se realizează ca şi cele dubiu difuzate cu difuziile
realizate într-un strat epitaxial slab dopat depus pe un substrat puternic dopat;
acestea sunt foarte răspândite în construcţia tranzistoarelor de semnal mic
precum şi a celor de putere;
tranzistoare planare dublu şi triplu epitaxiale difuzate se caracterizează printr-o
rezistivitate mare a regiunii de colector (rezistivitatea zonelor epitaxiale), dar cu
rezistenţa de colector redusă (rezistivitatea substratului mică), fiind folosite ca
tranzistoare de putere cu tensiuni de colector mari.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.1 Structura unui tranzistor planar dublu difuzat a) tip npn, b) tip pnp
Tehnologie electronică - Curs 6

La realizarea tranzistorelor discrete se folosesc mai multe
tipuri de materiale semiconductoare: Ge, Si, GaAs şi în
funcţie de acestea diferite procedee de fabricaţie. Deoarece
în prezent cel mai utilizat material semiconductor este siliciu
în cele ce urmează se vor face referiri în special la acest
material şi la tehnologia planară. Această tehnologie este
specifică siliciului constând în efectuarea impurificărilor
controlate numai pe o singură faţă a plachetelor
semiconductoare folosind tehnica litografică şi ecranarea cu
ajutorul straturilor protectoare şi în special a Si02.
Tehnologia planară se caracterizează prin flexibilitate:
posibilitatea de a realiza diferite forme ale emitorului şi de a
modifica uşor concentraţia de impurităţi din joncţiuni,
permite realizarea tranzistoarelor de semnal şi a celor de
putere.
Tehnologie electronică - Curs 6


Tranzistoarele bipolare cu siliciu de mică şi medie
putere se fabrică în varianta pianară (dubiu
difuzate) şi planar-epiaxial. Rezistivitatea electrică
a materialului semiconductor este p=102 Q m
pentru tranzistoarele planare şi p=0,5 ÷5 Q m
pentru
tranzistoarele
planar-epitaxiale.
Tranzistoarele planar-epitaxiale au performanţe
mai bune decât cele planare cum ar fi tensiunea de
saturaţie cu valori mai mici, respectiv ~0,3 V faţă
de UCEsat «1 V la cele planare.
Grosimea plachetelor este de în jur de 0,3 mm
pentru tranzistoarele difuzate şi de 0.2 mm
(120+160 ^m) pentru tranzistoarele planarepitaxiale.
Tehnologie electronică - Curs 6

Principalele etape ale tehnologiei unui
tranzistor planar dublu difuzat sunt prezentate
în figura 6.2. în prima fază se realizează
joncţiunea bază - colector (difuzia bazei), iar
apoi
joncţiunea
emitor-bază
(difuzia
emitorului) în interiorul difuziei de bază.
Contactul de colector se realizează pe partea
inferioară a cipului (substrat).
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.2 Principalele etape ale
tehnologiei unui tranzistor dublu
difuzat planar
Tehnologie electronică - Curs 6

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Operaţiile tehnologiei tranzistorului dublu difuzat de tip npn, reprezentat
în figura 6.2, pot fi rezumate la următoarele:
curăţirea substratului - placheta de Si (wafer) monocristalin dopat n\
oxidarea termică a unui strat de oxid cu grosimea »2^m (fig. 6.2.a);
fotolitografie 1 (masca 1) - deschiderea ferestrei pentru difuzia bazei:
expunere, corodarea statului de Si02; predifuzia atomilor de bor; difuzia
atomilor de bor în atmosferă oxidantă (fig. 6.2.b);
reoxidare şi fotolitografie 2 (masca2) - deschiderea ferestrei pentru difuzia
emitorului; expunere, corodare, difuzia emitorului prin impurificare cu
fosfor schimbându-se tipul dopării (dinp în n+) (fig. 6.2.c);
reoxidare şi fotolitografie 3 (masca3) - deschiderea ferestrelor pentru
contactele ohmice (fig, 6.2.d);
metalizare neseiectivă (Al pur (Iţim) pe faţa superioară (fig. 6.2.e));
metalizarea zonei de colector, a părţii inferioare cu Au-Sb sau Au-Ni şi
corodarea (gravarea) stratului metalic (cu excepţia zonelor de contact); (fig.
6.2.f).
Tehnologie electronică - Curs 6

1.
2.
3.
4.
5.
Cerinţele impuse proceselor de fabricaţie pentru realizarea de
tranzistoare bipolare cu caracteristici electrice ridicate sunt
următoarele:
realizarea unor rezistenţe de colector de valoare cât mai mică;
este necesar a se realiza o zonă de colector puternic dopată şi o
cale de acces la colector de rezistenţă cât mai mică;
se cere realizarea unei zone de bază cu dopaj slab, de grosime
suficient de mare pentru obţinerea unei capabilităţi în tensiune a
joncţiunii colector-bază suficient de mare;
rezistenţa de bază să fie cât mai mică şi de grosime redusă pentru
a nu limita răspunsul în frecvenţă;
emitorul trebuie sa fie foarte puternic dopat (eficienţa injecţiei);
gradul de dopare a bazei intrinseci să fie perfect controlat; gradul
de dopare al bazei împreună cu dopajul emitorului, determină
câştigul tranzistorului.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.3 Profilul de dopare al
tranzistorului dublu difuzat
În procesele tehnologice
folosite
la
realizarea
tranzistoarelor
bipolare
grosimea w a bazei nu este
un parametru de proces. în
tehnologia planară grosimea
bazei rezultă ca diferenţă
dintre adâncimea difuziei de
bază şi cea a difuziei
emitorului, aşa cum se poate
observa din repartiţia în
adâncime a concentraţiei de
impurităţi la un tranzistor
dublu difuzat (fig. 6.3).
Tehnologie electronică - Curs 6
Tranzistoarele bipolare de putere se caracterizează prin joncţiuni cu
suprafeţe mari pentru a permite conducţia curenţilor de colector
pentru care au fost destinate (zeci de A) şi o încapsulare care să
permită evacuarea energiei disipate. Dezvoltarea actuală a acestui
domeniu se face în două direcţii: tranzistoare de putere de frecvenţe
mari şi tranzistoare de putere de tensiuni ridicate. Pentru
tranzistoarele de înaltă tensiune este necesar ca joncţiunea bază colector să aibă tensiunea inversă suficient de mare (o capabilitate
mare în tensiune). Acest lucru se asigură prin existenţa unei baze
groase şi printr-o dopare slabă a zonei de colector (colectorul activ). în
acest caz, datorită bazei groase frecvenţa de lucru este redusă, iar
rezistenţa serie de colector are valoare mare datorită impuriflcării
slabe a zonei de colector. In scopul reduceri rezistenţei dintre
colectorul activ şi contactul metalic (terminal) la tranzistoarele de
putere se folosesc unul sau mai multe straturi epitaxiale cu grad de
dopare crescător de la zona de colector activ înspre substrat (fig.
6.4.C).
Tehnologie electronică - Curs 6

1.
2.
3.
4.
5.
Principalele tipuri de tranzistoare de putere realizate în tehnologia planară
sunt:
Tranzistorul dublu difuzat planar (fig. 6.2) se obţine prin difuzia bazei urmată
de difuzia emitorului. Rezistivitatea colectorului depinde de doparea iniţială
a plachetei în care s-a efectuat difuzia (fig. 6.3).
Tranzistorul epitaxial planar (fig. 6.4.a) are regiunea de colector de rezistivitate
mare (stratul epitaxial), iar substratul este puternic dopat (cu rezistivitate
mică).
Tranzistorul dublu epitaxial planar (fig. 6.4.b) are regiunea de colector de
rezistivitate mare n (stratul epitaxial 1- slab impurificat) urmat de un strat de
rezistivitate medie n (stratul epitaxial 2- mediu impurificat), straturi crescute
pe un substrat puternic impurificat n cu rezistivitate mică.
Tranzistorul triplu epitaxial planar are regiunea de colector realizată din trei
straturi epitaxiale crescute unul peste celălalt.
e) Tranzistoare overlay sunt tranzistoare dublu difuzate epitaxiale cu o
structură unică de bază în care se găsesc un număr mare de emitoare
separate conectate între ele prin regiuni difuzate şi metalizate
Tehnologie electronică - Curs 6

1.
2.
3.
Caracteristicile straturilor epitaxiale sunt
următoarele:
primul strat este puternic dopat (grosime de 10
um şi o rezistivitate mică p2 cm) are rolul de a
reduce tensiunea Ucesat
al doilea strat epitaxial este mediu dopat
(grosimea de 22 \im şi rezistivitate p7 cm);
al treilea strat epitaxial slab dopat (grosimea
de 30 um şi rezistivitate p 50 cm) are rolul
obţinerii unei tensiuni de colector de valoare
mare.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 8.4. Secţiuni prin tranzistoare epitaxiale tip npn a) Tranzistor
epitaxial dublu difuzat, b) Tranzistor npn dublu epitaxial şi dublu
difuzat, c) Secţiune prin zona marcată a tranzistorului de la pct b
Tehnologie electronică - Curs 6

Construcţia verticală a structurii tranzistorului
bipolar, realizat în tehnologia planară, face ca
circulaţia curentului de colector să fie
perpendiculară pe curentul de bază. La
aplicarea unei tensiuni UBE > curentul de bază
IB străbate zona cu rezistenţa internă rB până la
contactul electric al bazei, aşa cum se indică în
figura 6.5. La curenţi mari, o parte â curentului
de emitor IE se repartizează la periferia
emitorului (fig. 6.5).
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.5 Procesul de conduciție la tranzistoarele de putere
Tehnologie electronică - Curs 6

Din această cauză se impune, în special la
tranzistoarele de curent mare, ca prin
construcţie să se asigure un bun raport dintre
perimetrul şi aria emitorului, aşa cum se indică
în figura 6.6.a. Fenomenul de concentrare a
liniilor de curent la periferia emitorului şi
necesitatea obţinerii de capacităţi parazite mici,
determină geometria emitorului (structură
multiemitor) pentru tranzistoarele de înaltă
frecvenţă - structura de pieptăn cu mai multe
emitoare conectate în paralel.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.6 Geometria emitorului
pentru tranzistoarele:
a) de putere,
b) de înaltă frecvenţă
Tehnologie electronică - Curs 6

La realizarea tranzistoarelor de frecvenţă şi de
putere este utilizată şi varianta de divizare a
suprafeţei emitorului într-un număr mare de
suprafeţe individuale. Prin această divizare se
reduc capacităţile parazite ale joncţiunilor şi
influenţa căderilor de tensiune în regiunea
laterală a bazei. În figura 6.7 se prezintă
principiul de divizare a suprafeţei emitorului la
un astfel de tranzistor.
Tehnologie electronică - Curs 6

Suprafaţa cipului corespunzător acestui
tranzistor cu excepţia ferestrelor (pătratele
albe) se supune unei difuzii de tip p+ (fig. 6.7.a).
Urmează o difuzie de tip p în zona ferestrelor
rămase neimpurificate şi apoi difuzia
emitoarelor n+ (fig. 6.7.b). Conectarea în paralel
a structurilor astfel realizate se obţine după
metalizare şi corodare (fig. 6.7.c). Varianta (fig.
6.6) aceasta este cunoscută şi sub numele de
structură "multiemitor".
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.7 Structura unui tranzistor de putere în tehnologia "Overlay"
Tehnologie electronică - Curs 6

Implantarea ionică, în combinaţie cu metoda
difuziei, prezintă avantaje substanţiale la
fabricarea tranzistoarelor bipolare cum ar fi:
îmbunătăţirea
unor
parametri
electrici,
reproductibilitatea
structurilor
realizate
şi
creşterea productivităţii operaţiilor tehnologice.
Prin implantare ionică se pot realiza straturi
impurificate cu grosimi foarte mici, ceea ce permite
realizarea de joncţiunilor subţiri (w0,1 um)
necesare pentru realizarea bazelor tranzistoarelor
de înaltă frecvenţă. în acest scop, se realizează mai
întâi emitorul, prin difuzie sau implantare de
arseniu şi apoi baza, prin implantarea ionilor de
bor.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.8 Structura unui tranzisor npn obţinut prin dublă implantare
Tehnologie electronică - Curs 6

Emitorul se obţine prin implantarea ionilor de arseniu
(ioni As - n+ cu energia WE=100 keV), după care se
aplică un tratament termic (la T=1000°C timp de 15+30
minute). Adâncimea de pătrundere a emitorului,
realizată în aceste condiţii este aproximativ egală cu 0,3
pm. Regiunea activă a bazei se obţine prin implantarea
de bor (ioni B cu energia WE=200 keV), după care se
aplică un tratament termic (la T=850°C timp de 20
minute). Parcursul nominal la această energie este Rn
0,55 um, astfel că aproape tot borul implantat se află
sub emitor şi contribuie ia doparea bazei. în stratul
epitaxial se efectuează o difuzie de tip p+ (difuzant B)
în scopul obţinerii stratului cu conductivitate ridicată
pentru contactul bazei (baza inactivă).
Tehnologie electronică - Curs 6

La implantarea bazei cu As se pot obţine
tranzistoare bipolare cu grosimi foarte mici ale
bazei (w«0,05 p.m), ceea ce le permite funcţionarea
la frecvenţe de ordinul GHz. în scopul obţinerii
unei grosimi foarte mici a bazei se formează întâi
emitorul prin difuzie sau prin implantarea As şi
apoi se realizează baza prin implantarea ionilor de
B. Ionii implantaţi, având energi bine stabilite,
penetrează zona emitorului şi se localizează pe o
grosime w necesară bazei active a tranzistorului. în
figura 6.9 se prezintă secţiunea transversală într-un
tranzistor npn cu emitorul difuzat şi baza subţire,
structură obţinută prin implantare ionică.
Tehnologie electronică - Curs 6

În scopul reducerii rezistenţei intrinseci a bazei
între contactul electric şi zona activă a bazei se
realizează în lateral dopări suplimentare de tip
p+ şi /p++ (fig. 8.9). Parametrii tranzistoarelor
obţinute prin implantare ionică sunt superiori
faţă de parametrii tranzistoarelor similare,
obţinute prin difuzie, dar costurile sunt mai
ridicate.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.9 Structura unui tranzisor npn cu emitor difuzat şi baza implantată
Tehnologie electronică - Curs 6

Tranzistoarele cu efect de câmp (cu abrevieri
FET sau TEC, MOS=Metal Oxid Semiconductor
sau MOSFET) sunt dispozitive electronice care
funcţionează
pe
principiul
modificări
conductivităţii electrice a unui canal situat între
doi electrozi (sursă şi drena) sub influenţa unui
câmp electric (creat de către cel de-al treilea
electrod=poartă sau grilă) ce acţionează asupra
acestui canal. Conducţia electrică în canal are
loc numai prin purtători majoritari. De aici,
derivă şi denumirea acestor dispozitive
electronice de tranzistoare unipolare.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.10 Structura unui tranzistor cu efect de câmp
Tehnologie electronică - Curs 6

Structura MOS cu două joncţiuni laterale (fig.
6.10) poate fi considerată ca fiind formată din
două diode cu poartă comună. Substratul fiind
de tip p, la suprafaţa siliciului sub grilă se
formează un strat de inversie (canal) în care
purtătorii de sarcină vor fi electronii. Lărgimea
canalului creşte şi odată cu aceasta creşte
conductivitatea sa atunci când are loc creşterea
potenţialului grilei faţă de substrat sau faţă de
sursă.
Tehnologie electronică - Curs 6
Tehnologia clasică
Procedeul clasic de realizare a tranzistorilor MOS
cu canal n sau p cu îmbogăţire presupune
realizarea într-un substrat de tip opus faţă de cel
al canalului: tip p pentru canal n şi n pentru canal
p, a celor două zone puternic dopate («+, sau p*)
reprezentând sursa şi drena. Grila se izolează faţă
de canal prin intermediul stratului de oxid de
siliciu, care trebuie sa aibă calităţi electrice bune.
în finalul procedeului de fabricaţie se realizează
zonele de contact pentru grila, sursă şi drena.

Tehnologie electronică - Curs 6

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Succesiunea principalelor etape tehnologice, [7] este următoarea :
curăţarea substratului;
oxidare groasă de mascare, pentru doparea sursei şi drenei;
fotolitogrfie 1 pentru realizarea deschiderilor sursei şi drenei;
dopare n+cu fosfor sau p+ cu bor (prin difuzie sau implantare
ionică);
fotolitografie 2 pentru realizarea deschiderii zonei de canal;
oxidare fină (realizarea oxidului de grilă);
ajustarea tensiunii de prag VTi prin implantare ionică de bor
(pentru canal p) sau cu fosfor sau cu arseniu (pentru canal n);
fotolitografie 3 pentru deschiderile contactelor de sursă şi drena;
depunere de aluminiu;
fotolitogravarea aluminiului şi obţinerea contactelor;
recoacere finală, în forming-gaz (amestec de azot şi hidrogen
10%), pentru îmbunătăţirea calităţii contactelor.
Tehnologie electronică - Curs 6

Acest procedeu simplu care permite realizarea de
tranzistoare MOS cu canal longitudinal corespunde
primelor procedee MOS aplicate în practica industrială.
în cadrul acestei tehnologii se remarcă existenţa
diferitelor etape de fotolitografie în care elementele
geometrice cum ar fi lungimea canalului rezultă corect
numai printr-o bună aliniere a măştilor. în cadrul
acestei tehnologi de fabricaţie este frecvent fenomenul
de acoperire de către contactul grilei a unei părţi din
sursă sau din drena. Această acoperire dă naştere unor
capacităţi parazite care afectează în sens negativ
caracteristicile acestor tranzistori. Tranzistoarele
realizate în cadrul tehnologiei prezentate sunt, în
general, tranzistoare de semnal (de curenţi şi de
tensiuni reduse).
Tehnologie electronică - Curs 6
Procedee de reducere a dimensiunilor
Pentru a reduce dimensiunile tranzistorilor a fost
necesar să se găsească metode de poziţionare a
grilei în raport cu sursa şi drena. Tehnicile prin
care se realizează dispunerea unor elemente
structurale în poziţiile dorite, în raport cu
configuraţiile existente pe plachetă, fără a apela la
alinierea convenţională a unei măşti litografice se
numesc de autoaliniere .

Tehnologie electronică - Curs 6


Procesul de fabricaţie a unui tranzistor MOS cu
autoaliniere constă în utilizarea unui strat de
polisiliciu cu rol de ecran (între drena şi sursă) în
procesele de impurificare controlată (difuzie sau
implantare), aşa cum se indică în figura 6.12.
Pentru a-şi îndeplini rolul de ecran stratul de
polisiliciu (POLY) folosit trebuie să fie suficient de
gros. Astfel, la implantarea borului cu o energie
WE=100 keV şi la temperatura ţintei T=475°C
stratul de polisiliciu este de aproximativ 4 j^m .
Stratul de polisiliciu puternic impurificat are în
acelaşi timp şi conductivitate electrică bună, acesta
putându-se utiliza pentru realizarea contactului
grilei.
Tehnologie electronică - Curs 6
Tehnologie electronică - Curs 6

Pentru realizarea tranzistoarelor cu dimensiuni
submicronice (lungime de canal de 0,1 µm) este
necesară execuţia unor joncţiuni de drena şi de
sursă de foarte mică grosime (maxim câteva zecimi
de micron). Realizarea contactelor pe aceste zone
foarte mici este extrem de delicată, întrucât se
formează uşor defecte de tip "pipa", care creează
scurtcircuite între electrozi şi zona de canal. Soluţia
tehnologică folosită constă în a înalţă sursa şi
drena printr-o epitaxie selectivă. Se realizează apoi
un strat de siliciură deasupra, pentru reducerea
rezistenţelor de contact. Secţiunea printr-un
tranzistor nMOS realizat în cadrul tehnologiei
submicronice este prezentată în figura 6.13
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.13 Tranzistor nMOS realizat în tehnologie submicronică
Tehnologie electronică - Curs 6
Tehnologii pentru tranzistoare MOS
neconvenţionale
Pentru a suporta tensiuni mari, trebuie ca distanţa
dintre zona de canal şi drena să fie suficient de
mare pentru a permite zonei de sarcină spaţială să
se întindă, pentru a evita fenomenul de avalanşă
(multiplicarea purtătorilor de sarcină prin
ionizare).. Zona de sarcină spaţială poate fi
extinsă fie lateral, ca în cazul tranzistorilor DMOS
având contactul de drena mult decalat, fie vertical
(fig. 6.14).

Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.14 Structura unui tranzistor MOS de putere cu canal vertical (DMOS)
Tehnologie electronică - Curs 6

Conceptul iniţial de tranzistor MOSFET cu
canal V este prezentat în figura 6.15. Canalul, la
acest dispozitiv, este realizat printr-o corodare
selectivă prin două regiuni dublu difuzate n+ şi
p în cazul tranzistorului VMOS în zona grilei se
realizează un şanţ în formă de V, folosind
tehnicile de gravare anizotropă a siliciului.
Dacă substratul are orientarea cristalină <100>,
feţele structurii de formă V vor avea orientarea
cristalină <111>.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.15 Structura unui tranzistor VMOS
Tehnologie electronică - Curs 6
Montajul cipului
Plachetele semiconductoare prezintă adesea grosimi
necorespunzătoare pentru prelucrarea ulterioară.
Reducerea grosimii plachetelor semiconductoare este
necesară din următoarele considerente:
1.
reducerea rezistenţei electrice;
2.
creşterea conducţiei termice;
3.
uşurarea separării cipurilor individuale;
Reducerea grosimii plachetelor se realizează prin
procedee de lepuire sau prin şlefuire în combinare cu
procedee de corodare chimică.

Tehnologie electronică - Curs 6
Separarea cipurilor
Plachetele conţin un număr de cipuri care pentru
montaj în capsule trebuiesc separate. Pentru a
permite aceasta cipurile individuale sunt separate
unele de altele prin "zonele de zgâriere" sau "intercip"
cu lăţimi cuprinse între 50 până la lOOum.
Pentru separarea cipurilor se folosesc următoarele
procedee:
1.
zgârierea şi ruperea;
2.
prelucrarea cu fascicol laser şi rupere;
3.
tăierea.
Tehnologie electronică - Curs 6

La procedeul de zgâriere se foloseşte un vârf de
diamant acţionat cu presiune redusă prin
partea de mijloc, care separă o structură de alta,
a zonei Mintercip" (fig. 6.17). Pe părţile laterale
ale zonei trasate cu vârful de diamant se
produce, pe o lăţime de câţiva microni, o zonă
de defect. După ce zonele de separare ale
cipurilor (zone intercip) de pe plachetele
semiconductoare au fost trasate prin zgâriere,
plachetele se trec prin valţuri de cauciuc
obţinându-se separarea prin rupere a cipurilor
individuale.
Tehnologie electronică - Curs 6


La procedul de prelucrare cu laser se foloseşte un
fascicol de laser focalizat, care topeşte materialul
semiconductor în zonele de separare a structurilor.
Pe părţile laterale ale traseului în care a acţionat
fascicolul radiaţiei laser se produce o zonă de
defect pe lăţime de câţiva microni. Zona de defect
este hotărâtoare pentru stabilirea traseelor de
ruptură a plachetei semiconductoare.
La plachetele semiconductoare la care cipurile au
zone "intercip" suficient de mari separarea se
obţine prin debitarea acestora cu pânze
diamantate.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.17 Zonele "Intercip"după care are loc debitarea cipurilor
Tehnologie electronică - Curs 6
Fixarea cipurilor
După separarea cipurilor acestea urmează se fie fixate
pe grilele metalice ale capsulelor. Operaţia de
deplasare şi de aşezare a cipului pe ambază se
realizează cu ajutorul unui manipulator (fig. 6. 18.a)
care asigură reţinerea cipului prin crearea unei
depresiuni (aspiraţie) la contactul manipulatorului cu
suprafaţă sa. Pentru a evita oxidarea siliciului în
procesul fixării cipului se suflă un gaz inert (azot) în
jurul zonei de sudare. Fixarea cipurilor pe grilele de
fixare (fig. 6.18.b) se realizează prin aliere (sudură
eutectică) sau prin sudare.

Tehnologie electronică - Curs 6

Procesul de aliere constă în formarea unei legături
eutectice între două materiale cu temperaturi de
topire suficient de scăzute. Astfel, amestecul
eutectic Au-Si se obţine la temperatura T=370°C
pentru o compoziţie de 6% Si şi 94% Au. Fixarea
cipului prin procesul de aliere are loc prin
formarea amestecului eutectic dintre suprafaţa
inferioară a cipului şi suprafaţa de fixare (ambaza
sau grila capsulei). La atingerea temperaturii
eutectice se produce o fază fluidă între aur şi
siliciu, iar după răcire se obţine o legătură stabilă
între cip şi ambaza capsulei (sudura eutectică).
Tehnologie electronică - Curs 6

În procedeul de montare a cipurilor prin sudare se
folosesc aliaje moi cu punctul de topire în domeniul
180...300°C. Masa de lipire se aşează între cip şi
ambază, iar apoi se presează uşor şi se încălzeşte la o
temperatură cu până la 20% mai mare decât
temperatura de topire. în scopul protecţiei materialului
semiconductor este necesară o metalizare a cipului (de
exemplu cu titan, crom, nichel sau aur). în cazul unei
lipituri cu grosimi în jur de 50 jim pot să apară
diferenţe între dilatarea cipului şi cea a ambazei.
Dezechilibrul dimensional se compensează prin
ductilitatea lipiturii. La procedeele de montare prin
aliere şi sudare se realizează îmbinări bune
conducătoare electric şi termic.
Tehnologie electronică - Curs 6
Fig. 6.18 Faze în încapsularea unui tranzistor de putere a) ambaza înainte
de montarea cipului b) ambaza după sudarea cipului c) capsula asamblată
Tehnologie electronică - Curs 6
Realizarea contactelor
La realizarea contactelor se foloseşte aluminiul care se aliază în mici
procente cu cupru şi titan pentru a reduce transportul de material care
apare la trecerea curentului.
În cazul unor pretenţii ridicate, la metalizări, se folosesc sisteme de
metalizare cu mai multe componente. La conectacrea straturilor de tip
p se foloseşte aluminiu sau aur-bor. Zonele de tip n se contactează cu
ajutorul combinaţiei aur - antimoniu.
Între contactele cipului şi terminalele capsulei se realizează
conexiunile electrice, iar apoi fixarea şi sudarea capacului (fig. 6.18.c).
Capsulele metalice (S.iS.c) conţin partea de fixare a cipului (ambaza)
realizată din cupru (aluminiu) acoperit cu un strat de nichel şi partea
de etanşare (capacul). La terminale capsulei metalice se conectează, de
obicei, baza şi emitorul în cazul tranzistoarelor bipolare şi sursa şi
grila la tranzistoarele unipolare. Colectorul şi respectiv drena sunt
conectate la partea metalică a capsulei în urma sudării cipului pe
ambază.

Tehnologie electronică - Curs 6
Transferul energiei disipate
La funcţionarea tranzistorului, trecerea curentului prin
joncţiuni produce disiparea în interiorul structurii
semiconductoare a unei puteri, care se transformă în
căldură. Căldura disipată în joncţiuni se transmite prin
siliciu determinând gradienţi de temperatură la suprafaţa
cipului. Transferul căldurii degajate de cipul tranzistorului
are loc spre capsulă (ambaza capsulei) şi apoi de la capsulă
la mediul ambiant. Pentru tranzistoarele de germaniu din
considerente de fiabilitate se impune ca temperatura
joncţiunii (cipului) Tj = 75° - 85°C, iar la tranzistoarele de
siliciu 7}= 150° - 180°C. Temperatura joncţiunii unui
tranzistor nu se poate măsura direct. Se măsoară
temperatura capsulei Tcase pe care este montat cipul.

Tehnologie electronică - Curs 6

Capsulele tranzistoarelor de putere se fixează
pe corpuri de răcire (radiatoare din cupru sau
aluminiu) pentru transferul energiei disipate
spre exterior (mediul ambiant). Degajarea
căldurii spre mediul ambiant se realizează în
mare parte prin convecţie naturală sau forţată
(cu ventilator) şi mai rar cu un agent termic de
răcire. Pentru îmbunătăţirea transferului
căldurii prin radiaţie corpurile de răcire se
acoperă cu un strat de negru mat (printr-un
proces de acoperire galvanică numită eloxare,
în cazul radiatoarelor din aluminiu).
Tehnologie electronică - Curs 6

similar documents