Tehnologia tranzistoarelor discrete

Tehnologie electronică - Curs 6

TEHNOLOGIA TRANZISTOARELOR

DISCRETE


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.


Tehnologia tranzistoarelor bipolare

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.



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; 𝛕n,p = durata de viaţă a electronilor, respectiv a golurilor.



În funcţie de tehnologia de fabricaţie tranzistoare bipolare discrete se pot clasifica în:

1. tranzistoare aliate, realizate prin procese de aliere - tehnologie specifică tranzistoarelor cu germaniu;

2. tranzistoare simplu difuzate realizate prin difuzarea simultană a impurităţilor pe ambele feţe ale unei plachete semiconductoare dopate iniţial;

3. tranzistoare dublu difuzate realizate prin două difuzii succesive într-un substrat iniţial dopat (difuzia bazei şi apoi difiizia de emitor);

4. 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;

5. 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.


Fig. 6.1 Structura unui tranzistor planar dublu difuzat a) tip npn, b) tip pnp


Procedee de fabricaţie 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.


Tranzistoare difuzate şi epitaxiale

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 planar-epitaxiale.



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).



Fig. 6.2 Principalele etape ale tehnologiei unui tranzistor dublu

difuzat planar



Operaţiile tehnologiei tranzistorului dublu difuzat de tip npn, reprezentat în figura 6.2, pot fi rezumate la următoarele:

1. curăţirea substratului - placheta de Si (wafer) monocristalin dopat n\

2. oxidarea termică a unui strat de oxid cu grosimea »2^m (fig. 6.2.a);

3. 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);

4. 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);

5. reoxidare şi fotolitografie 3 (masca3) - deschiderea ferestrelor pentru contactele ohmice (fig, 6.2.d);

6. 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).


Cerinţele impuse proceselor de fabricaţie pentru realizarea de tranzistoare bipolare cu caracteristici electrice ridicate sunt următoarele:

1. 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;

2. 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;

3. rezistenţa de bază să fie cât mai mică şi de grosime redusă pentru a nu limita răspunsul în frecvenţă;

4. emitorul trebuie sa fie foarte puternic dopat (eficienţa injecţiei);5. gradul de dopare a bazei intrinseci să fie perfect controlat;

gradul de dopare al bazei împreună cu dopajul emitorului, determină câştigul tranzistorului.




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). Fig. 6.3 Profilul de dopare al

tranzistorului dublu difuzat



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).



Principalele tipuri de tranzistoare de putere realizate în tehnologia planară sunt:

1. 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).

2. Tranzistorul epitaxial planar (fig. 6.4.a) are regiunea de colector de rezistivitate mare (stratul epitaxial), iar substratul este puternic dopat (cu rezistivitate mică).

3. 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.

4. Tranzistorul triplu epitaxial planar are regiunea de colector realizată din trei straturi epitaxiale crescute unul peste celălalt.

5. 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



Caracteristicile straturilor epitaxiale sunt următoarele:

1. primul strat este puternic dopat (grosime de 10 um şi o rezistivitate mică p2 cm) are rolul de a reduce tensiunea Ucesat

2. al doilea strat epitaxial este mediu dopat (grosimea de 22 \im şi rezistivitate p7 cm);

3. 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.



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



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).



Fig. 6.5 Procesul de conduciție la tranzistoarele de putere



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.



Fig. 6.6 Geometria emitorului pentru tranzistoarele: a) de putere, b) de înaltă frecvenţă



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.



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".



Fig. 6.7 Structura unui tranzistor de putere în tehnologia "Overlay"


Tranzistoare bipolare implantate ionic

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.



Fig. 6.8 Structura unui tranzisor npn obţinut prin dublă implantare



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).



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.



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.



Fig. 6.9 Structura unui tranzisor npn cu emitor difuzat şi baza implantată


Tehnologia tranzistoarelor cu efect de câmp

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.



Fig. 6.10 Structura unui tranzistor cu efect de câmp



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.


Procedee de fabricaţie ale tranzistoarelor MOS

Tehnologia clasicăProcedeul 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.



Succesiunea principalelor etape tehnologice, [7] este următoarea :1. curăţarea substratului;2. oxidare groasă de mascare, pentru doparea sursei şi drenei;3. fotolitogrfie 1 pentru realizarea deschiderilor sursei şi drenei;4. dopare n+cu fosfor sau p+ cu bor (prin difuzie sau implantare

ionică);5. fotolitografie 2 pentru realizarea deschiderii zonei de canal;6. oxidare fină (realizarea oxidului de grilă);7. ajustarea tensiunii de prag VTi prin implantare ionică de bor (pentru

canal p) sau cu fosfor sau cu arseniu (pentru canal n);8. fotolitografie 3 pentru deschiderile contactelor de sursă şi drena;9. depunere de aluminiu;10. fotolitogravarea aluminiului şi obţinerea contactelor;11. recoacere finală, în forming-gaz (amestec de azot şi hidrogen 10%),

pentru îmbunătăţirea calităţii contactelor.



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).



Procedee de reducere a dimensiunilorPentru 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 .



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.



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



Fig. 6.13 Tranzistor nMOS realizat în tehnologie submicronică


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).




Fig. 6.14 Structura unui tranzistor MOS de putere cu canal vertical (DMOS)



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>.



Fig. 6.15 Structura unui tranzistor VMOS

Încapsularea tranzistoarelor

Montajul cipuluiPlachetele 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.




Separarea cipurilorPlachetele 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.



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.



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.



Fig. 6.17 Zonele "Intercip"după care are loc debitarea cipurilor



Fixarea cipurilorDupă 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.



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).



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.



Fig. 6.18 Faze în încapsularea unui tranzistor de putere a) ambaza înainte de montarea cipului b) ambaza după sudarea cipului c) capsula asamblată



Realizarea contactelorLa 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.



Transferul energiei disipateLa 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.



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).

Tehnologia tranzistoarelor discrete

Documents

Transcript of Tehnologia tranzistoarelor discrete