5530

Проектирование гибридной интегральной микросхемы

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Реализация принципов, идей, методов полупроводниковой микроэлектроники привела к созданию БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Однако не все устройства можно изго...

Русский

2012-12-13

337 KB

78 чел.

Введение

Реализация принципов, идей, методов полупроводниковой микроэлектроники привела к созданию БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Однако не все устройства можно изготовить с помощью полупроводниковой технологии.

Параллельно с полупроводниковым развился и совершенствовался другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основанный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно толстых (10 – 50 мкм) пленок. Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигналов, а реализация пленочных активных элементов оказалась невозможной из-за низкой воспроизводимости их характеристик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными элементами и пленочной коммутацией позволила создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей. Интегральные микросхемы, в которых на ряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонко- или толстопленочной технологии, содержатся имеющие самостоятельное конструктивное исполнение полупроводниковые активные компоненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовлены по полупроводниковой технологии, называют гибридными интегральными микросхемами (ГИС).

ГИС по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов); позволяют использовать любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

Если для создания микроэлектронного изделия необходимы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия – рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными входными цепями.

  1.  Анализ задания.

Эта схема представляет собой усилитель на биполярных транзисторах, включенных по схеме с ОЭ. Переходной конденсатор С1 = 1000 пФ пропускает во входную цепь переменную составляющую напряжения источника сигнала и не пропускает постоянную составляющую. Электрическая схема также включает в себя 6 резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 со следующими характеристиками           R = 1000 : 7000 Ом,  γR = 12 %, погрешность воспроизведения резистивной пленки γрs = 5 %. Тип транзисторов VT1 и VT2 – КТ369А. Напряжение питания схемы – 9,3 В. Метод сборки – аргонодуговая сварка. Тонкие пленки формируют методом термовакуумного напыления с помощью метода фотолиграфии.

Данная гибридная ИМС является маломощной и имеет небольшое быстродействие. Исходя из этого, выбирают материалы элементов схемы.

При выборе резистивного материала следует учитывать, что  αR <= 2*10-4 1/ºС,  γRст<= 3 %, а элементы должны иметь оптимальные размеры.

  1.  Анализ режимов работы по постоянному току.

Проводится с целью определения предпочтительных режимов работы элементов и компонентов. Используется информация, приведенная в табл. 1.1 и 1.2.

Рис. 1.1 Схема электрическая принципиальная усилителя.

  1.  Перечень элементов схемы усилителя.

Обозначение

на схеме

R1

R2

R3

R4

R5

R6

С1

VT1-VT2

Номинал

6,0

кОм

4,0

кОм

4,5

кОм

7

кОм

1,5

кОм

1

кОм

1000

пФ

КТ369А

  1.  Данные по электрической схеме.

Напряжение

питания,  В

Полная относи-тельная погреш-ность   Ri ,   %

Максимальная

рабочая темпе-

ратура,   Тmax

Полная относи-тельная погреш-

ность  С0 ,   %

Максимальная

рабочая часто-та   f ,   МГц

9,3

12

85

27

1,0

Минимально необходимая информация для последующих расчетов приведена в табл 1.2 и включает:

- для резисторов: номинальное значение сопротивления Ri, Ом; допуск на номинал  γRi , %; мощность рассеивания Рi , мВт; максимальное значение рабочей температуры (обычно Тmax = 85 0С);

- для конденсаторов: величина емкости конденсаторов С, пФ; допустимое отклонение емкости от номинала γС, %; рабочее напряжение Uраб, В; максимальное значение рабочей температуры  Тmax = 85 0С; тангенс угла диэлектрических потерь tgδ; максимальная рабочая частота  f,  кГц; погрешность воспроизведения удельной емкости  γСо , %;  погрешность старения   γСст , %.

В этом случае для резисторов рассчитываются максимальные значения рассеиваемой мощности  (Рmax) для наихудшего случая выхода из строя какого-либо элемента или компонента: короткое замыкание или обрыв транзистора, диода, конденсатора, отдельного pn-перехода. Для конденсаторов определяют максимальное рабочее напряжение (Uраб), рассчитывая на наиболее не благоприятный режим работы. При оценке предельных режимов работы активных компонентов (транзисторов, диодов) определяют максимально возможные токи и напряжения, максимальную мощность на основе анализа работы устройства в критических случаях.

Руководясь вышеперечисленными соображениями режима работы, когда все транзисторы в схеме заменены проводниками и в цепи течет постоянный ток:

Эквивалентная схема 1.2.

1. Транзистор на эквивалентной схеме заменяют узлом, объединяющим проводники, подключенные к коллектору и эммитеру (Экв. схема 1.2).

2. На следующем этапе минимизации просто избавимся от участков цепи, содержащих параллельное и последовательное соединение резистора и проводника, заменяя их проводником, а также удаляем базовые цепи.

3.  Влияние входов   «коррект»,  «Вход 1»,  «Вход 2»  и  выхода  «Выход 1» можно не учитывать, так как они считаются в данном случае цепями переменного тока (Экв. схема 1.3).           

Эквивалетная схема 1.3.

4.  Заменим последовательное соединение резисторов R2 и R3 на один резистор сопротивлением  Rэкв1 = R2 + R3 = 4 + 4,5 = 8,5 кОм.  Далее  заменим  последовательное соединение резисторов R5 и R6 на один резистор сопротивлением Rэкв2 = R5 +  R6 = 1,5 + 1 = 2,5 кОм. Параллельное соединение полученных резисторов Rэкв и  Rэкв2  заменим одним резистором сопротивлением  Rобщ (Экв. схема 1.4).

.

Эквивалентная схема 1.4.

Производим расчет общего тока, проходящего по общему резистору   Rобщ :

.

5.  Вернемся к схеме на рис. 1.3 и рассчитаем мощность на каждом из резисторов:

Рi = I 2 · Ri

Р2 = I 2 · R2  = 24 · 10-6 · 4 · 103 = 96 ·10-3  Вт;

Р3 = I 2 · R3  = 24 · 10-6 · 4,5 · 103 = 108 ·10-3  Вт;

Р5 = I 2  ·R5  = 24 · 10-6 · 1,5 · 103 = 36 ·10-3  Вт;

Р6 = I 2  ·R6 =24 ·10-6 · 1 · 103 =  24 ·10-3  Вт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R3, больше, поэтому принимаем её за максимальную мощность для всех остальных резисторов.

Таким образом, известны минимально необходимые параметры для расчета геометрических размеров резисторов и конденсатора (табл. 1.3 и 1.4).

Таблица 1.3  Расчетные данные для резисторов.

Обозначение на схеме

Номинальное значение

Ri , кОМ

Допуск на

номинал

γRi ,  %

Мощность

рассеивания

Р1 , мВт

Максимальное

значение рабочей

температуры

Тmax, 0С

R1

6

12

108

85

R2

4

12

108

85

R3

4,5

12

108

85

R4

7

12

108

85

R5

1,5

12

108

85

R6

1

12

108

85

Таблица 1.4  Расчетные данные для конденсаторов.

С,  пФ

U,  В

f,  кГц

tgδ

С0,  %

Tmax,  0С

1000

9,3

1000

0,02

27

85

  

  1.  ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА.

Гибридные ИС – интегральные схемы, в которых применяются плёночные пассивные элементы и навесные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды, оптроны, транзисторы), называемые компонентами ГИС, получили широкое распространение. Электрические связи между элементами и компонентами осуществляются с помощью плёночного или проволочного монтажа. Реализация функциональных элементов в виде ГИС экономически целесообразна при выпуске малыми сериями специализированных вычислительных устройств и другой аппаратуры. Высоких требований к точности элементов в ТЗ нет. Условия эксплуатации изделия нормальные. Навесными элементами в микроэлектронике называют миниатюрные, обычно бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой самостоятельные элементы. Иногда в гибридных ИС навесными могут быть и некоторые пассивные элементы, например, миниатюрные конденсаторы с такой большой емкостью, что их невозможно осуществить в виде пленок. Это могут быть и миниатюрные трансформаторы. В некоторых случаях в гибридных ИС навесными являются целые полупроводниковые ИС. Проводники от транзистора или от других навесных элементов присоединяются к соответствующим точкам схемы чаше всего методом термокомпрессии (провод при высокой температуре прижимается под большим давлением).

Из материалов подложек выбираем ситалл, так как он более других соответствует требованиям, предъявляемым к подложкам.

Ситаллы — это стеклокерамические материалы, получаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов получено в системах Li2О-Аl2О3-SiO2-ТiO2 и RО-Al2О3-SiO2-ТiO2 (КО типа СаО, МgО, ВаО).

В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей гибкостью при формировании. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом, причем он выдерживает резкие перепады температуры. Он имеет низкие диэлектрические потери, по электрической прочности не уступает лучшим сортам вакуумной керамики, и по механической прочности в 2—3 раза прочнее стекла. Ситалл не порист, газонепроницаем и имеет незначительное газовыделение при высоких температурах.

Поскольку по своей структуре ситаллы многофазны, то при воздействии на них различных химических реактивов, применяемых, например, для очистки поверхности подложки от загрязнений, возможно глубокое селективное травление отдельных фаз, приводящее к образованию резкого и глубокого рельефа на поверхности подложки. Наличие шероховатостей  на поверхности подложки снижает воспроизводимость параметров и надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Поэтому для уменьшения высоты и сглаживания краев микронеровностей иногда на подложку наносят грунтующий слой из материала, обладающего хорошими диэлектрическими и адгезионными свойствами, а также однородной структурой (например, слой моноокиси кремния толщиной в несколько микрон).

Пленочные резисторы конструктивно состоят из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок. Параметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением ρS от десятков до десятков тысяч Ом на квадрат. Чем меньше толщина пленок, тем выше ρS, но одновременно повышается ТКР, а также ухудшается временная и температурная стабильность пленок.

В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы – керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика. Широко распространены пленки хрома и тантала. Из сплавов часто используют нихром, имеющий малое значение ρS по сравнению с пленками чистых металлов. При сравнительно малом ТКР и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов сплавов ρS достаточно
широк: 50
Ом/□ – 50 кОм/□.

Элементы пленочной ГИС объединяются в единую систему с помощью системы пленочных коммутационных проводников, которые в местах соединения с другими пленочными элементами образуют контактные пары. Контактные площадки в ГИС необходимы для присоединения внешних выводов ГИС и выводов навесных элементов. При изготовлении коммутационных соединений и контактных площадок тонкопленочной ГИС часто применяют многослойную структуру, состоящую из подслоя, токопроводящего и защитного слоев. Подслой, выполняемый из нихрома, хрома, ванадия и других материалов, улучшает адгезию токопроводящих слоев с подложкой. Для проводящих слоёв хорошо подходят золото, медь, тантал, Al. Верхний слой многослойной структуры выполняется из никеля, серебра и служит для защиты от внешних воздействий. Для защиты проводников и контактных площадок иногда производят их облуживание припоем. Из проводящих материалов часто применяются золото, медь, алюминий. Золото – очень дорогой материл, так же он требует нанесения подслоя из нихрома, его используют в микросхемах повышенной надёжности, в моём же случае это не обязательно. Медь для защиты от коррозии нужно обязательно покрывать слоем золота, никеля или серебра, что повысит стоимость. Для пайки медные контактные площадки облуживают погружением схемы в припой, но тогда надо защищать остальные плёночные элементы. В качестве материала проводников выбираем алюминий. Он обладает высокой коррозийной стойкостью, никелируют его только для пайки. Так же он дёшев, широко распространён.

В качестве материала для резисторов (контактная площадка) выбираем медь с подслойкой нихрома.

3.  РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1 Расчет пленочных резисторов.

Особенностью расчета пленочных резисторов является групповое проектирование, что связано с необходимостью выбора материала резисторов. По возможности он должен быть единым для всех резисторов ИМС. Поэтому для пленочных ИМС при проектировании резисторов необходимо провести анализ номиналов резисторов, свести их в несколько групп с близкими значениями сопротивления, а затем уже выбрать для каждой группы материал.

1) Определяется оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки с точки зрения обеспечения минимума площади под резисторами гибридной ИМС по формуле

,

где  n – число резисторов;   Ri  –  номинал  i-го  резистора.

2) Выбирается материал резистивной пленки с удельным сопротивлением, ближайший  по  значению  к  вычисленному  ρs опт.  Используемые  материалы  регламентируются соответствующими ГОСТами и ОСТами.  Следует обратить внимание на то, чтобы температурный коэффициент сопротивления (ТКС) был минимальным, а допустимая удельная мощность рассеивания Р0 была максимальной.

Материал для напыления резистивной пленки:  РЭТУ 1244-67;

материал контактных площадок:  Cu с подслойкой нихрома;

удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки  ρs, Ом/:  100;

диапазон номинальных значений сопротивлений,  Ом:  50 – 100 000;

допустимая удельная мощность рассеяния  Р0,  Вт/см2: 3,0;

температурный коэффициент сопротивления  ТКR  при Т = -60÷1250С:  -2,0 · 10-4;

стабилизация за 1000 ч, %:  5,0.

3)  Проводится проверка правильности выбранного материала резистивной пленки с точки зрения точности изготовления резисторов.

Полная  относительная  погрешность  изготовления  пленочного  резистора  

γR = R/R = Ri = 12 %  состоит из суммы погрешностей:

γR = γКф + γρs + γRt + γRcт + γRк ,

где  γКф – погрешность коэффициента формы; γρs – погрешность воспроизведения величины ρs резистивной пленки; γRt – температурная погрешность; γRcт – погрешность, обусловленная старением пленки;  γRк – погрешность переходных сопротивлений контактов.

Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления  γρs  зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства её значение не превышает 5 %,  γρs = 5 % .

Температурная погрешность зависит от ТКR материала пленки:

γRt = αR  · (Tmax –  200С),

где  αR – температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1/0С,     Tmax  принимаем равной  85 0С.

γRt = - 2,0 · 10-4 (85 – 20) = -2,0 · 65 · 10-4 = - 130 · 10-4 = - 0,013 = - 1,3 %.

Погрешность γRcт, обусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и её окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно  для  ГИС   γRcт  не  превышает  3 %.

Погрешность переходных сопротивлений контактов γRк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода: длины перекрытия контактирующих пленок, ширины резистора.  Обычно  γRк = 1 ÷ 2 %.

Допустимая погрешность коэффициента формы

 γКф доп = γR γρsγRt γRcтγRк ,

γКф доп = 12 – 5 – (- 1,3) – 3 – 1 = 4,3 %  > 0,

следовательно, сплав Cu с подслойкой нихрома подходит для изготовления всех резисторов с заданной точностью без подгонки.

  1.  Определение конструкции резисторов по значению коэффициента формы

 kф:

kфi = Ri / ρs,

kф1 = R1/ ρs = 6 · 103 / 3 · 103 = 2;

kф2 = R2 / ρs = 4 · 103 / 3 · 103 = 1,33;

kф3 = R3 / ρs = 4,5 · 103 / 3 · 103 = 1,5;

kф4 = R4 / ρs = 7 · 103 / 3 · 103 = 2,33;

kф5 = R5 / ρs = 1,5 · 103 / 3 · 103 = 0,5;

kф6 = R6 / ρs = 1 · 103 / 3 · 103 = 0,33.

Если  1 < kфi < 10, то рекомендуется конструировать резистор прямоугольной формы;  при  0,1 < kфi < 1 – использовать резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины.

5)  Расчет прямоугольных полосковых тонкопленочных резисторов.

Определяем технологические ограничения для метода фотолитографии

b = ∆l = 0,01 мм;   bтехн = lтехн = 0,1 мм;   amin = 0,1мм;   bmin = 0,1 мм.

Далее проводим расчет последовательно для каждого резистора.

Для резисторов, имеющих  1 < kфi < 10, расчетное значение ширины резистора определяется из условия

bрасч > max { bтехн ;  bточн ;  bр },

где bрасч – минимальная ширина резистора, определяемая возможностями выбранного технологического процесса;

bточн – ширина резистора, определяемая точностью изготовления:

bточн > (∆b + ∆l / kф) / γКф доп ,

где   ∆b,  ∆l – погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от выбранного метода изготовления;

bточн 1> (0,01 + 0,01 / 2) / 0,043 = 0,35 мм;

bточн 2 > (0,01 + 0,01 / 1,33) / 0,043 = 0,41 мм;

bточн 3 > (0,01 + 0,01 / 1,5) / 0,043 = 0,39 мм;

bточн 4 > (0,01 + 0,01 / 2,33) / 0,043 = 0,33 мм,

bр – минимальная ширина резистора, при которой рассеивается заданная мощность,

,

;            ;

;             .

За ширину b резистора принимается ближайшее к bрасч наибольшее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба. Для тонкопленочной технологии шаг координатной сетки обычно составляет 1 или 0,5 мм.

Тогда с учетом округления для  резисторов R1  R4  принимаем  b  = 1,55 мм,   Расчетная длина резистора определяется по формуле

lрасч = b · kф,

lрасч1 = b · kф1 = 1,55 · 2 = 3,10 мм;           lрасч2 = b · kф2 = 1,55 · 1,33 = 2,062 мм;

lрасч3 = b · kф3 = 1,55 · 1,5 = 2,325 мм;               lрасч4 = b · kф4 = 1,55 · 2,33 = 3,611 мм.

За длину l резистора принимается ближайшее к lрасч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба.

Для резистора   R1    l = 3,10 мм,   для  резистора R2  l = 2,06 мм,  для  резистора R3   l = 2,33 мм,  для  резистора R4   l = 3,61 мм.

Полная длина резистора с учетом перекрытия контактных площадок определяется выражением

lполн = l + 2e,

где  е – размер перекрытия резистора и контактной площадки  (е = 0,1 мм).

lполн1 = 3,10 + 2 · 0,1 = 3,30 мм;             lполн2 = 2,06 + 2 · 0,1 = 2,26 мм;

lполн3 = 2,33 + 2 · 0,1 = 2,53 мм;               lполн4 = 3,61 + 2 · 0,1 = 3,81 мм.

Площадь, занимаемая резистором на площадке, определяется по формуле

S = lполн · b,

S1 = 3,30 · 1,55  =  5,12 мм2;                          S2 = 2,26 · 1,55 = 3,50 мм2;

S3 = 2,53 · 1,55  =  3,92 мм2;                           S4 = 3,81 · 1,55 = 5,91 мм2.

Для проверки правильности расчета находятся действительная удельная мощность рассеивания и погрешность резистора. Резистор спроектирован удовлетворительно, если:

1) Удельная мощность рассеивания   Р*0 = P/S  < Р0,

Р*01 = P / S1 = 144 / 5,12 = 28,125 мВт/мм2  < 30 мВт/мм2;

Р*02 = P / S2 = 96 / 3,50 = 27,429 мВт/мм2  < 30 мВт/мм2;

Р*03 = P / S3 = 108 / 3,92 = 27,551 мВт/мм2  < 30 мВт/мм2;

Р*04 = P / S4 = 168 / 5,91 = 28,426 мВт/мм2 < 30 мВт/мм2.

2)  Погрешность коэффициента формы  γ*Кф  не превышает допустимого значения γКф :

γ*Кф = ∆l / lполн + ∆b / b ≤  γКф доп ,

γ*Кф1= ∆l / lполн1 + ∆b / b1  = 0,01 / 3,30 + 0,01 / 1,55 = 0,0095 ≤ 0,043;

*Кф2 = ∆l / lполн2 + ∆b / b2  = 0,01 / 2,26 + 0,01 / 1,55 = 0,0108 ≤ 0,043;

γ*Кф3 = ∆l / lполн3 + ∆b / b3  = 0,01 / 2,53 + 0,01 / 1,55 = 0,0104 ≤ 0,043;

γ*Кф4= ∆l / lполн4 + ∆b / b4  =  0,01 / 3,81 + 0,01 / 1,55 = 0,0090 ≤ 0,043.

3)  Суммарная погрешность  γ*R  не превышает допуска  γR :

γ*R = γКф + γρs + γRt + γRcт + γRк   γR ,

где     γКф =  l / l + ∆b / b,

γКф1 = ∆l / l1 + ∆b / b1  = 0,01 / 3,10 + 0,01 / 1,55 = 0,0096;

γКф2 = ∆l / l2 + ∆b / b2  = 0,01 / 2,06 + 0,01 / 1,55 = 0,0113;

γКф3 = ∆l / l3 + ∆b / b3  = 0,01 / 2,33  + 0,01 / 1,55 = 0,0107;

γКф4= ∆l / l4 + ∆b / b4  =  0,01 / 3,61 + 0,01 / 1,55 = 0,0092.

γ*R1= γКф1+ γρs+ γRt + γRcт + γRк = 0,0096 + 0,05 - 0,013 + 0,03 + 0,01 = 0,0866 ≤ 0,12;

γ*R2 = γКф2 + γρs+ γRt + γRcт + γRк = 0,0113 + 0,05 - 0,013 + 0,03 + 0,01 = 0,0883 ≤ 0,12;

γ*R3 = γКф3 + γρs+ γRt + γRcт + γRк = 0,0107 + 0,05 - 0,013 + 0,03 + 0,01 = 0,0877 ≤ 0,12;

γ*R4 = γКф4 + γρs+ γRt + γRcт + γRк = 0,0092 + 0,05 - 0,013 + 0,03 + 0,01 = 0,0862 ≤ 0,12.

Поскольку коэффициент формы резисторов R5 и R6 меньше единицы, расчет начинаем с определения длины, а затем определяем ширину.

Расчетное значение длины резисторов  lрасч   выбирается из условия

 lрасч  > max { lтехн ;  lточн ;  lр },

где lрасч – минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного технологического метода формирования конфигурации; lточн – минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:

lточн > (∆l + ∆b · kф) / γКф доп ,

lточн 5 > (0,01 + 0,01 · 0,5) / 0,043 = 0,35 мм;

lточн 6 > (0,01 + 0,01 · 0,33) / 0,043 = 0,31 мм;

lр – минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность,

;

Для метода фотолитографии  lтехн  = 0,1 мм.

Расчетная ширина резисторов определяется по формуле

 bрасч5 = l5 / kф5  = 0,77 / 0,5 = 1,55 мм;

bрасч6 = l6 / kф6  = 0,51 / 0,33 = 1,55 мм.

Полная длина резистора с учетом перекрытия контактных площадок и площадь резистора определяются соответственно по формулам

lполн5 = l5 + 2e =0,77 + 2 · 0,1 = 0,97,      

lполн6 = l6 + 2e = 0,51 + 2 · 0,1 =0,71.       

S5 = lполн5 · b5 = 0,97 · 1,55 = 1,50 мм2.

S6 = lполн6 · b6 = 0,71 · 1,55 = 1,10 мм2.

Для проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность изготовления резисторов  R5  и  R6  по формулам:

Р*05 = P / S5 = 36 мВт / 1,50 мм2 = 24,0 мВт/мм2  < 30 мВт/мм2;    

Р*06 = P/ S6  = 24 мВт / 1,10 мм2 = 21,82 мВт/мм2  < 30 мВт/мм2.                                           

γ*Кф5 = ∆l / lполн5 + ∆b / b5  = 0,01 / 0,97 + 0,01 / 1,55 = 0,0167 ≤ 0,043;

γ*Кф6 = ∆l / lполн6 + ∆b / b6  = 0,01 / 0,71 + 0,01 / 1,55 = 0,0205 ≤ 0,043.

γКф5 = ∆l / l5 + ∆b / b5  = 0,01 /0,77  + 0,01 / 1,55 = 0,0194,

γКф6 = ∆l / l6 + ∆b / b6   = 0,01 /0,51 + 0,01 /1,55 = 0,0260.

γ*R5 = γКф5 + γρs+ γRt + γRcт + γRк = 0,0194 + 0,05 - 0,013 + 0,03 + 0,01 = 0,0964 ≤ 0,12,

γ*R6 = γКф6 + γρs+ γRt + γRcт + γRк = 0,0260 + 0,05 - 0,013 + 0,03 + 0,01 = 0,103 ≤ 0,12.

Проверки показывают, что все резисторы спроектированы удовлетворительно.

3.2 Расчет тонкопленочных конденсаторов.

Конденсатор приведен на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Тонкопленочные конденсаторы с емкостью до 5 · 105 пФ.

Общий порядок расчета по схеме (рис. 3.1) включает несколько приведенных ниже этапов.

1. Выбор материала диэлектрика по рабочему напряжению производится в соответствии с данными приведенными в табл. 4.2.1 [1]. Следует ориентироваться на материал диэлектрика с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью ε, электрической прочностью Епр,  малыми значениями ТКС и  tgδ для обеспечения минимальных геометрических размеров конденсатора, тип которого приведен на рис. 3.1.

По табл. 4.2.1 [1] с учетом изложенных рекомендаций выбираем материал диэлектрика –  моноокись кремния SiO (ГОСТ 5.634 – 70).  

Его параметры:  С0max = 100 пФ/мм2;   ε = 5;   tg δ = 0,02;  Епр = 2 · 106 В/см;

                            ТКС = 2,0 · 10-4 1/0С;   Стабильность за 1000 ч. = ± (1,5...6).

2. Определение минимальной толщины диэлектрика производится из условий обеспечения необходимой электрической прочности по формуле

dmin > kзUp / Епр ,

где kз – коэффициент запаса электрической прочности (обычно для тонкопленочных конденсаторов составляет kз = 2...3); Епр – электрическая прочность материала диэлектрика, В/мм. Толщину диэлектрика чаще выбирают в пределах 0,1...1 мкм. Оптимальной толщиной принято считать величину в 0,3...0,5 мкм.  

Dmin > 3 · 9,3 / (2 · 106) = 0,14 · 10-4 см = 0,14 мкм.

Принимает  dmin = 0,3 мкм.

  1.  Определение удельной емкости конденсатора (пФ/см2) ведется по формуле

С0v = 0,0885ε / d,

где d – толщина диэлектрика (см).

.

4. Определение относительной температурной погрешности производится из выражения

γСст = αС · (Тmax –  20 0С),

где αС – температурный коэффициент емкости материала диэлектрика, значения которого для интервала температур (-60..125 0С) приведены в табл. 4.2.1 [1].

γСст = 2 · 10-4 · (85 –  20) = 1,3 %.

5.    Определение     допустимой     относительной     погрешности    активной

площади конденсатора осуществляется из формулы:

γS доп = γC γCoγст γCcт.

где γCo – относительная погрешность удельной емкости, характеризующая воспроизводимость удельной емкости в условиях данного производства (зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 3 – 5 %); γСт – относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 2 – 3 %).

γS доп = 27– 5– 1– 1,3 = 19,7 %.

6. Определение удельной емкости конденсатора с учетом точности изготовления для обкладок квадратной формы (при  Кф = 1):

.

Точность изготовления линейных размеров пленочных элементов и расстояний между ними Δl, Δb, ΔL, ΔB при фотолиграфическом методе равна       ± 0,01 мм.

Определяем, каково должна быть удельная емкость конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаемся Smin = 1 мм2. Тогда по формуле

С0min = Cmin / Smin = 1000/1= 1000 пФ/мм2.

7. Выбор минимального значения удельной емкости конденсатора с учетом электрической прочности и точности изготовления:

С0   < min {С0v ; С0точн }.

Окончательный выбор С0  производится по формуле

С0   min {С0min ; С0v ; С0точн },

С0   min {1000 пФ/мм2 ; 134 пФ/мм2 ; 97022 пФ/мм2}.

Окончательно выбираем  С0  = 134 пФ/мм2.

Определяем какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной емкости С0 :  d  = 0,0885ε / С0 = 0,0885 · 5 / (134 · 102) = 0,33 · 10-4 см = 0,33 мкм, что вполне приемлемо для тонкопленочной технологии.

Далее проводим расчет геометрических размеров конденсатора.

8.  Определение коэффициента, учитывающего краевой эффект:

                                             1;    С / С0  ≥ 5 мм2,

                              К =  

                                             (1,3...0,06) · С / С0 ;    1 ≤ С / С0 ≤ 5 мм2.

Отношение  С/С0  = 1000/134 = 7,46 мм2. Коэффициент, учитывающий краевой эффект,  К = 1.

9.   Определение площади верхней обкладки конденсатора

SВ = С/С0  · К = 7,46 · 1 = 7,46 мм2.

  1.    Определение размеров верхней обкладки конденсатора при  Кф = 1:

.

Величины  L  и  B  следует округлять до значений, кратных шагу координатной сетки с учетом масштаба топологического чертежа,  L = B = 2,73 мм.

11. Вычисление размеров нижней обкладки конденсатора с учетом допусков на перекрытие:

LН = BН  = L + 2q = 2,73 + 2 · 0,2 = 3,13 мм,

где  q – размер перекрытия нижней и верхней обкладок конденсатора (q = 0,2 мм).

  1.     Определение размеров диэлектрика:

LД = BД  = LН + 2f = 3,13 + 2 · 0,1 = 3,33 мм,

где f  – размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика  (f  = 0,1 мм).

  1.     Определение площади, занимаемой конденсатором:

SД  = BД  · LД = 3,33 · 3,33 = 11,09 мм2.  

Форма обкладок конденсатора выбирается на этапе разработки эскиза топологии. Сначала проектируется обкладка конденсатора квадратной формы, а при отсутствии места на чертеже топологии для расположения квадрата следует задаться одной из сторон конденсатора, коэффициентом формы обкладок и вычислить размеры обкладок прямоугольной формы.

Для контроля емкости в процессе или после изготовления микросхемы конденсатор проектируется со специальными контактными площадками.

14.  Конденсатор спроектирован правильно при выполнении приведенных ниже условий.

  14. 1.   Рабочий  тангенс  угла  диэлектрических  потерь  не  превышает заданного:

tgδраб ≤  tgδ,

где   tgδраб = tgδД  +  tgδоб .

Значение тангенса угла потерь диэлектрика  tgδД  следует определить по табл. 4.2.2 [1] для выбранного материала диэлектрика.

Тангенс угла потерь в обкладках  tgδоб  следует вычислять по формуле

tgδоб  ≈ (4π / 3) · fmax · Rоб · С,

где  Rоб – сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С – емкость конденсатора, Ф;   fmax – максимальная рабочая частота, Гц.

Сопротивление обкладок конденсатора зависит от его формы и рассчитывается по формуле

 Rоб = ρSоб · kф,

где ρSоб – удельное поверхностное сопротивление материала обкладок, определяемое по табл. 4.2.2 [1].  ΡSоб = 0,2 Ом/.

Rоб = 0,2 · 1 = 0,2 Ом;

tgδоб  ≈ (4π / 3) · 1 · 106 · 0,2 · 1000 · 10-12 = 0,00084;

tgδД = 0,01;

tgδраб = 0,01  + 0,00084 = 0,01084;

0,01084 ≤ 0,02.

14. 2  Рабочая напряженность электрического поля  Ераб не превышает Епр материала диэлектрика:

Ераб  ≤  Епр ,

где    Ераб = Uраб /d = 9,3 / (0,33 · 10-4 ) = 0,28 · 106  В/см.

0,28 · 106  В/см  ≤  2,0 · 106  В/см.

14. 3  Погрешность активной площади конденсатора не превышает допустимую:

γS раб  ≤  γS доп  ,

где   γS раб  – вычисляется по формуле

,

0,73 %  ≤  19,7 % .

Проверки показывают, что конденсатор не выходит за пределы точности, имеет запас по электрической прочности и активной площади, тангенс угла диэлектрических потерь меньше заданного.

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МИКРОСБОРКИ.

Электрическая схема, предлагаемая для разработки ИМС или микросборки, представляет обычно законченную функциональную схему различной сложности и объема выполняемых задач, которую весьма затруднительно выполнить в рамках одной конструкции (одной ИМС, ГИС, БГИС и д. т.). В этом случае производится разделение общей электрической схемы (ЭС) на более простые составляющие также с законченными функциями.

Разделение производится с учетом ряда критериев. На каждую k-ю ИМС или БИС устанавливается ограничение по числу внешних контактов Nk . Предельное значение Nk max зависит от числа контактов выбранной конструкции корпуса, который ограничивает площадь Sk кристалла, ограничивает мощность рассеивания Рk. В такой ситуации может оказаться целесообразным для уменьшения числа внешних контактов вводить в ГИС бескорпусные ИС, если это не приводит к недопустимому увеличению Sk, Рk или к существенному увеличению затрат на монтаж, приобретение и др. Разделение ЭС может быть связано с рядом других ограничений.

При разделении общей ЭС составляют полный граф связей каждого i-го предполагаемого функционального узла с j-м контактом Nij. Далее рассчитывают площади Si и мощности рассеивания Рi каждого функционального узла. Задача сводится к разделению множества функциональных узлов ЭС на подмножества, соответствующие отдельным ИМС или БИС, которые должны соответствовать ограничениям для каждой k-й ИМС:

Nk  Nk max ;                Sk = Sik ≤ ∑Skmax ;            Рk  = ∑Рik  ≤ Рkmax 

или другим дополнительным условиям, если они имеются.

При последующих действиях определяется вариант технологического исполнения каждого из узлов и в целом всей конструкции. Отдельные составляющие могут выполняться в различных вариантах: пленочная, полупроводниковая, гибридная ИМС или микросборка.

Составляется топология каждого из определенных узлов, затем определяется общая конструкция.

Решение о разработке того или иного типа ИМС или ГИС может приниматься из различных соображений.

При невозможности или нецелесообразности разработки полупроводниковой ИМС рассматриваются по той же самой схеме вариант пленочной, гибридной ИМС или микросборки. В реальности решение о характере разработки решается чаще директивно.

4.1 Разработка топологии тонкопленочных ГИС.

Разработка топологии является одним из основных этапов проектирования ГИМС. На этом этапе решается задача взаимного расположения пленочных и навесных элементов и общей компоновки микросхемы. Топологический чертеж является основой для изготовления фотошаблонов или масок. Количество топологических чертежей должно соответствовать числу пленочных слоев, наносимых на подложку.

При разработке топологии тонкопленочной ГИМС необходимо учитывать следующие основные конструктивно - технологические ограничения:

пассивные элементы располагаются на расстоянии не менее 1000 мкм от краев подложки;

для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривают перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах;

размеры контактных площадок должны быть не менее 200 * 200 мкм;

навесные элементы устанавливают на расстоянии не менее 0,5 мм от пленочных элементов и не менее 600 мкм от контактной площадки, минимальное расстояние между навесными элементами составляет 300 мкм.

Разработку топологии рекомендуется проводить в такой последовательности: составление схемы соединения элементов на плате; расчет конструкций пленочных элементов; определение необходимой площади платы и согласование с типоразмером корпуса, выбранного ГИС; разработка эскиза топологии; оценка качества разработанной топологии и при необходимости ее корректировка.

Для составления схемы соединений на принципиальной электрической схеме выделяют пленочные элементы и навесные компоненты, намечают порядок их расположения и проводят упрощение схемы соединений с целью уменьшения числа пересечения проводников и сокращения их длины.

Кроме конструктивно-технологических ограничений необходимо выполнять общие правила и ограничения, которые приведены ниже:

  1.  Каждая плата микросхемы должна иметь ключ, которым является нижняя левая контактная площадка с вырезом на большой стороне платы или специальный знак в форме треугольника, прямоугольника.
  2.  В одной микросхеме следует применять навесные компоненты с одинаковым диаметром или материалом гибких выводов; однотипные по расположению выводов компоненты следует по возможности ориентировать одинаково.
  3.  Навесные компоненты рекомендуется располагать рядами, параллельными сторонам платы; допускается установка навесных активных компонентов с гибкими выводами вплотную, если контакт между ними не влияет на работоспособность схемы.
  4.  При рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноименные выводы.
  5.  Не допускается установка навесных компонентов на пленочные конденсаторы, пленочные индуктивности и пересечения пленочных проводников; допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком.
  6.  Не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников; не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода через навесной компонент; проволочные проводники и гибкие выводы не должны переходить над пленочным конденсатором.
  7.  Не допускается оставлять незакрепленными участки гибких выводов длиной более 3 мм; необходимо предусматривать заранее их крепления, например, эпоксидного клея ЭД-20, ЭД-16.   

Производят выбор материалов и расчет геометрических размеров пленочных элементов. Затем приступают к определению необходимой площади платы. Из технологических соображений элементы микросхемы располагают на некотором расстоянии от ее края (табл. 3.15 [2]). Промежутки между элементами определяются технологическими ограничениями и условиями теплоотвода.

Ориентировочную площадь платы определяют по формуле

S = K (S∑R + S∑C + Sк + Sн.к),

где К – коэффициент запаса по площади, определяемый количеством элементов в схеме, их типом и сложностью связей между ними (ориентировочно можно принять К = 2..3);  SR, S∑С, S∑к – площади, занимаемые всеми резисторами, конденсаторами и контактными площадками; S∑н.к – суммарная площадь навесных компонентов, которые не могут быть расположены над пленочными элементами и занимают площадь на плате.

S = 3 · (21,05 + 11,09 + 9,86 + 8) = 150 мм2.

После вычисления ориентировочной площади платы выбирают ее типоразмер согласно табл. 3.3 [2]. Одновременно выбирают способ защиты ГИС и в случае использования  корпусов  –  типоразмер  корпуса.  Рекомендуемые  размеры плат:

20 * 24,  20 * 16,  15 * 16,  15 * 8  и  т. д.

Плата выбирается та, площадь которой наиболее близка к рассчитанной величине S. В соответствии с результатами расчета S по таблице 3.3 [2]  подходит плата № 9, ее площадь равна S = 160 мм2. Размеры платы 10 * 16. Плату используют в стандартном корпусе. Толщина подложек составляет 0,35...0,6 мм. Размеры подложек имеют минусовые допуски в пределах (0,1 – 0,3 мм).

Основным способом защиты ИМС от воздействий дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации и т. д.) является герметизация. Ее осуществляют с помощью специально разработанных конструкций – корпусов, в которых размещают ИМС, либо нанесением защитных материалов непосредственно на поверхность ИМС.

Корпусы ИМС классифицируют по форме и расположению выводов и делят на пять типов в соответствии с табл. 5.1 [2] и рис. 5.1 – 5.5 [2].

В соответствие с табл.  5.1 [2] и рис. 5.1 – 5.5 [2] выбираем  корпус типа 5; форма коррекции корпуса на плоскость основания – прямоугольная; расположение проекции выводов на плоскость основания – в пределах проекции корпуса; расположение выводов относительно плоскости основания – перпендикулярное, для боковых выводных площадок, в плоскости основания для нижних выводных площадок. Условное обозначение корпуса – 1203 (151.15-1); вариант исполнения – металлостеклянный корпус (МС); масса не более 2,0 г; размер монтажной площадки – 17,0 * 10; метод герметизации корпуса – аргонодуговая сварка (АДС).

Далее приступают к разработке эскиза топологии. На этом этапе решают задачу оптимального размещения на плате пленочных, навесных компонентов и соединений между ними, а также внешними контактными площадками на плате и выводами корпуса.

Для разработки эскизных топологических чертежей необходимо знать: схему электрическую принципиальную и схему соединений элементов; форму и геометрические размеры пленочных и навесных компонентов; ориентировочные размеры и материал платы, предварительно выбранный метод индивидуальной

герметизации, вид и размеры корпуса или метод установки платы в блоке при групповой герметизации; возможности производственной базы, предназначенной для изготовления разрабатываемой ГИС.

В первую очередь составляются эскизные чертежи на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1. Сначала выполняется эскиз, в котором совмещены все слои ИМС, так называемая суперпозиция слоев.

Навесные компоненты изображаются с соблюдением порядка расположения выводов, с расположением граней навесных компонентов вдоль осей координатной сетки. В случае жестких выводов навесных компонентов выполняют контактные площадки в соответствии с рис. 2.18, 2.20, а [1]. Для компонентов с гибкими выводами на чертеж наносится их изображение в соответствии с рис. 2.19, 2.20, б [1], с учетом их цоколевки.

Вместе с размещением элементов и компонентов проводят изображение в виде одной линии по оси проводника. Следует учитывать ширину проводников при их параллельном расположении. Пленочные проводники проводить параллельно осям координат. Обозначение проводников навесных компонентов и перемычек должно отличаться визуально. Необходимо избегать пересечения с начерченными ранее проводниками. При этом надо максимально использовать возможности воздушной переброски проводников компонентов с гибкими выводами для уменьшения или полной ликвидации пересечения пленочных проводников.

  После проработки коммутационной схемы с обеспечением минимальной длины проводников и минимального количества пересечений производят изображение пленочных проводников двумя линиями. Изображение проводников, лежащих в разных слоях, лучше осуществлять разными цветами.

Необходимо обращать внимание на использование простых форм элементов, на равномерное размещение на плате. Следует предусмотреть удобство выполнения сборочных операций.

Кроме того, надо учитывать необходимость контроля электрических параметров элементов (располагать дополнительные контактные площадки для контактов  с  зондами  измерительных устройств сопротивления, емкости и др.),  а

также иметь в виду требования к монтажу навесных компонентов и требования к сборке и защите микросхемы.

Поскольку разработка топологии является процессом многоплановым, выполняемом с привлечением достаточно большого количества информации, то чаще не удается получить приемлемый вариант топологии с первого раза. Дальнейшая работа связана с анализом полученного результата и устранением выявленных недостатков. Основное внимание направляют на то, чтобы чертеж соответствовал требованиям конструктивно-технологических ограничений (табл. 5.1.3 [1]). Следующий существенный момент касается масок. Необходимо проверить саму возможность выполнения маски. Если не удается приемлемым образом устранить недостаток, то часть топологии проводника выполняют в другом слое. Это можно сделать в слое с нижними обкладками конденсаторов.

Окончательный вариант топологии (суперпозиция слоев) является основой для последующего выполнения чертежей слоя (резисторов, металлической разводки, нижних и верхних обкладок конденсаторов, диэлектрических слоев конденсаторов и т. д.).

Разработанная топология должна удовлетворить ряду требований, основными из которых являются: соответствие принципиальной электрической схеме и конструктивным требованиям; наиболее простая дешевая технология; возможность проверки элементов в процессе изготовления; обеспечение заданного теплого режима. Кроме того, емкостные и индуктивные связи не должны нарушать нормальную работу схемы при заданных условиях эксплуатации.

При проверке правильности разработки топологии ГИС принят следующий порядок: проверка соответствия принципиальной электрической схеме; соответствие контактных площадок выводам корпуса; соответствие конструктивно-технологическим требованиям по табл. 5.1.3 [1]; проверяют соответствие расчетным значениям длины, ширины и коэффициента формы резисторов (при необходимости проводят корректировку); проверка наличия в схеме   пересечений   пленочных   проводников   и   их   изоляции   диэлектриком;

проверка возможности контроля элементов по различным параметрам; обеспечение нормального функционирования микросхемы при заданных условиях эксплуатации. При наличии емкостей и индуктивностей оценивают емкостные и индуктивные связи.

 

5.  ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ.

Целью проведения проверочных расчетов является анализ качества разработки, выявления поведения конструкции в различных условиях и прогнозирования ее работоспособности.

Обычно проводится анализ или оцениваются тепловые режимы работы ИМС.

Определяются и анализируются характеристики работы ИМС.

Определяется обеспечение влагозащиты ИМС.

5.1  Ориентировочный расчет теплового режима ИМС.

Функционирование ИМС связано с выделением тепла в разной степени элементами и компонентами, что может приводить к нежелательным и недопустимым перегревам. В этой связи оцениваются наиболее нагреваемые места платы. К ним относятся резисторы, активные элементы и компоненты. Конденсаторы и индуктивности вносят в нагрев явно меньший вклад. Пленочная коммутация из-за малого сопротивления и высокой теплопроводности наоборот способствует отводу тепла от наиболее нагретых участков.

Величина теплового сопротивления существенно зависит от характера тепловыделяющего объекта. Если источник тепла сосредоточенный, то тепловой поток от него может быть направленным  в сторону подложки в той или иной мере. В основном это зависит от размеров тепловыделяющего объекта. Если его размеры не соизмеримы с толщинами слоев, на которых он располагается (условие – l, b >>  h), то тепловой режим можно считать плоскопараллельным.

Ориентировочный тепловой расчет проводится при следующих допущениях:

-  коэффициенты теплопроводности всех материалов конструкции ГИМС в рассматриваемом диапазоне температур постоянны;

-  тепловыделяющие элементы являются плоскими источниками теплоты;

-  температура корпуса одинакова во всех его точках;

-  фоновых перегрев элементов НАК не учитывается.

5.2 Расчет показателей надежности.

В качестве основных показателей, характеризующих надежность ГИМС, рассчитывают P(t) – вероятность безотказной работы на заданном отрезке времени (1000 ч) и среднее время безотказной работы (Тср):

P(t) = ехр(-λ· t);

Тср = 1/ λ,

где  λ= n · λR · α1R · α2R +  m · λC · α1C · α2RC  +  l · λнт · α· α2т  +  р · λкп · α1кп .

где λR – интенсивность отказов пленочных резисторов; λС – интенсивность отказов пленочных конденсаторов;  λкп – интенсивность отказов контактных соединений; λнт – интенсивность  отказов  транзисторов;   n, m, l,  p  –  количество

однотипных элементов и компонентов в микросборке; α1 – коэффициент, характеризующий интенсивность отказов от температуры; α2 – коэффициент, характеризующий интенсивность отказов от электрической нагрузки.

λ= 6 ·10-9 ·1,8 · 2,6  +  0,5 ·10-8 ·1,5 ·1,3  +  2· 10-8 ·2,1·1,3 + 17·10-9·1 = 10,9 · 10-8 1/час;

P(t) = ехр(-10,9 · 10-5) = 0,9998,

Тср = 1/ 10,9 · 10-8 = 9174931    час.

5.3 Обеспечение влагозащиты микросхемы.

Необходимость размещения платы ИМС в корпусе возникает не только из-за удобства транспортирования, устойчивости к механическим повреждениям. Важнейшая функция корпуса – защита от климатического воздействия окружающей среды. Корпусы из неорганических материалов (металл, стекло) достаточно надежно ограждают конструкцию от воздействия внешних факторов.

 

   

6.  ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции.

 Основные  операции при производстве гибридных ИМС:

Получение подложки;

Очистка подложки от химических и физических загрязнений;

Нанесение резистивной пленки;

Нанесение проводящей пленки;

Фотолитография и травление;

Лужение контактных площадок;

Контроль и подгонка резисторов;

Установка и распайка компонентов;

Установка платы в корпус и распайка выводов;

Герметизация;

Выходной контроль;

Рассмотрим более подробно эти операции.

6.1 Получение подложки.

Конструктивной основой гибридных ИМС является изоляционная подложка, которая существенно влияет на параметры пленочных элементов и на надежность микросхемы.

Подложка для пленочной микросхемы должна обладать хорошими диэлектрическими, механическими и температурными свойствами, т.е. подложка должна иметь малый температурный коэффициент линейного расширения, высокую механическую прочность, большое удельное сопротивление.

Материал, используемый для изготовления подложек, должен иметь однородный состав, гладкую поверхность (с чистотой обработки по 12—14-му классу), обладать высокой электрической и механической прочностью, быть химически инертным, обладать высокой теплостойкостью и теплопроводностью, коэффициенты термического расширения материала подложки и осаждаемой пленки должны быть близки по значению. Вполне понятно, что практически почти невозможно подобрать материалы для подложек, которые в равной степени удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям.

В качестве подложек для гибридных ИС использую ситалл, фотоситалл, высокоглиноземистую и бериллиевую керамику, стекло, поликор, полиамид, а также металлы, покрытые диэлектрической пленкой.

6.2 Очистка подложки от химических и физических загрязнений.

Этот этап производства включает в себя следующие операции:

шлифовка;

полировка;

обезжиривание;

промывка в особо чистой воде;

Шлифовка и полировка диэлектрической подложки необходимы для получения ровной поверхности. При неровной поверхности на подложке скапливаются различные вещества, ухудшающие диэлектрические свойства подложки, кроме того, при тонкопленочной технологии, неровность подложки приведет к дефектам напыляемых пленок. Также, от качества поверхности и её чистоты зависят адгезионные свойства подложки (способность обеспечивать крепкое соединение с наносимыми пленками).

При обезжиривании используются различные растворители - органические соединители, способные растворять жиры, масла, воски, смолы, углеводороды (бензол, толуол, ксилол) или их смеси (бензин, лигроин, керосин, скипидар), а также используются различные спирты и некоторые другие растворители.

Для окончательного удаления загрязнений и самих растворителей, используется промывка в воде. Так как в воде растворимы многие соли, оксиды, кислоты и щелочи, природная вода никогда не может быть совершенно чистой и не может быть использована для отмывки пластин. Для этих целей используется особо чистая вода: дистиллированная - для предварительной отмывки и деионизованная (ионообменная) для заключительной.

Дистиллированная вода, получаемая многократной дистилляцией, содержит небольшое    количество   примесей    (сухой    остаток    равен    5   мг / л)    и    её

электрическое сопротивление не превышает 100  кОм×см.

Деионизованную воду получают методом ионного обмена, сущность которого состоит в том, что в системе вода-ионит происходит обмен ионами. В воде всегда содержатся катионы железа, меди, кальция и т.п. и анионы хлоридов, сульфидов, бикарбонатов. Для очистки воды от них используют иониты - специальные катионовые и анионовые смолы. Удельное сопротивление деионизованной воды марки А - 20 МОм×см, а марки Б – 1 МОм×см.

6.3   Нанесение резистивного и проводящего слоев.

После очистки подложки на неё наносится резистивный, а затем проводящий слой.

Основными методами нанесения тонких пленок в технологии ИМС являются: термическое испарение в вакууме, катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыления.

Термическое испарение в вакууме 10-3 - 10-4 Па предусматривает нагрев материала до температуры, при которой происходит испарение, направленное движение паров этого материала и его конденсация на поверхности подложки. Рабочая камера вакуумной установки (рис. 6.1, а) состоит из металлического или стеклянного колпака 1, установленного на опорной плите 8. Резиновая прокладка 7 обеспечивает вакуум-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены подложка 4 на подложкодержателе 3, нагреватель подложки 2 и испаритель вещества 6. Заслонка 5 позволяет в нужный момент позволяет прекращать попадание испаряемого вещества на подложку. Степень вакуума в рабочей камере измеряется специальным прибором - вакуумметром.

Катодным (ионным) распылением (Рис. 6.1, б) называют процесс, при котором в диодной системе катод-мишень 9, выполненный из распыляемого материала, оседающие в виде тонкой пленки на подложке 4. Ионизация инертного газа осуществляется электронами, возникающими между катодом-мишенью 9 и анодом  10 при   U = 3 – 5  кВ и  давлении  аргона  1 – 10  Па.

Рис. 6. 1  Методы осаждения тонких пленок

а) – термическое испарение в вакууме; б) – катодное распыление;

1 - колпак; 2 – нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка; 8 – опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 – анод.

6.4 Получение необходимого рисунка пленочных элементов.

Необходимая конфигурация пленочных элементов формируется в результате использования следующих наиболее распространенных методов:

  •  съемной (свободной) и контактной маски,
  •  фотолитографии,
  •  комбинированного метода, основанного на одновременном использовании  двух предыдущих способов.

После нанесения на подложку резистивного и проводящего слоя подложка имеет вид, представленный на рис 6.1.

Рис. 6.1.

Необходимо получить определенный рисунок из этих слоев  на поверхности подложки (например, для того, чтобы получить пленочный резистор, конфигурация слоев должна соответствовать рис 6.2).

Для получения необходимого рисунка слоев служат операции литографии и травления. В процессе литографии на поверхности в соответствии с необходимой топологией схемы формируется защитная маска. Слово “литография” дословно переводится как рисунок на камне  (лито - камень, граф - рисунок).  При операции

Рис. 6.2.

травления участки схемы, не защищенные маской, удаляются. Количество операций литографии и травления зависит от количества слоев. Вообще говоря, в технологии  микроэлектронных  устройств  литографические  процессы  наиболее

часто повторяемы.  

Литографические процессы формируют на поверхности слой стойкого к последующим технологическим воздействиям материала (защитную маску). Для этих целей на поверхность последнего напыленного слоя наносится материал, который способен под действием облучения определенной длины волны необратимо изменять свои свойства и, прежде всего стойкость к проявителям. Этот материал носит название “резист”. Резистный слой, локально облученный с помощью шаблона, обрабатывают в проявителе, где в результате удаления локальных участков получают резистивную маску, т.е. защитный рисунок.

Таким образом, литография - это совокупность фотохимических процессов, в которых можно выделить три основных этапа:

формирование на поверхности материала слоя резиста;

передача изображения с шаблона на этот слой (экспонирование);

получение маски из резиста совпадающей по конфигурации с элементами схемы (проявление).

После получения защитной маски происходит операция травления, в результате которой участки проводящего и резистивного слоя,  не покрытые защитной маской, удаляются в специальном растворе. Операции литографии и травления поясняет рис 6.3. На этом рисунке отображены следующие этапы литографии и травления:

1 – исходная заготовка (подложка с резистивным и проводящим слоями),

2   после нанесения  резиста и его сушки,

3 – экспонирование через шаблон 8 (1-ая литография),

4 – после проявления резиста, удаления необлученных участков резиста и задубливания облученных участков резиста,

5 – после удаления проводящего и резистивного слоев, не защищенных маской (травление) и удаления облученных участков резиста,

6 – повторное  нанесение резиста;

Затем повторяются операции экспонирования (но уже через шаблон 9), удаление  необлученных  участков  резиста,  травление  только проводящего слоя,

удаление облученных участков резиста,

7   конфигурацию  пленочного резистора, 10-вид сверху.

В зависимости от длины волны применяемого излучения различают оптическую (фотолитография), рентгеновскую, электронную и ионную литографии. Причем, чем меньше длина волны, тем меньшие размеры элементов можно получить.

Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображения приводится в плотный контакт с фоторезистом), бесконтактной (на микрозазоре) и проекционной.

Рис. 6.3.

При изготовлении данной ИМС целесообразно применить комбинированный метод, основанный на использовании принципов масочного и фотолитографического методов.

В этом методе масочный способ применяется для изготовления пленочных конденсаторов, а  фотолитография используется для формирования конфигурации резисторов, проводников и контактных площадок. Типовой технологический процесс данного метода состоит из следующих технологических циклов:

  1.  первый цикл - напыление на ситалловую подложку (СТ 50-1), первого сплошного резистивного слоя;
  2.  второй цикл –  нанесение поверх первого слоя  второго слоя материала  проводников и контактных площадок (см. рис. 6.1, б);
  3.  третий цикл  –  первая  фотолитография  для  формирования  конфигурации

проводников и контактных площадок, (маска и подложка слоя проводников и контактных площадок);

  1.  четвертый цикл – вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов, (маска и подложка резистивного слоя);
  2.  пятый цикл -  используется метод съемной маски в непрерывном вакуумном процессе напыления нижних обкладок конденсаторов, диэлектрика конденсаторов, верхних обкладок конденсаторов (см. рис. 6.1, а), а также формируется через соответствующую съемную маску защитный диэлектрический слой ИМС (в данном случае выбрана моноокись кремния (SiO)), маска и подложка защитного диэлектрического слоя.

6.5  Заключительные технологические операции.

После получения необходимого рисунка следуют заключительные операции:

Лужение контактных площадок;

Контроль и подгонка резисторов;

Установка и распайка компонентов;

Установка платы в корпус и распайка выводов;

Герметизация;

Выходной контроль;

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Шелохвостов В. П., Чернышов В. Н. Проектирование интегральных микросхем: Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005.  208 с.
  2.  Коледов Л. А., Волков В. А., Докучаев Н. И. и др. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Л. А. Коледова. М.: Высш. шк., 1984. 231 с.
  3.  Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1989. 400 с.
  4.  Николаев И. М. Интегральные микросхемы и основы их проектирования: Учебник. М.: Радио и связь, 1992. 424 с.
  5.  Малышева И. А. Технология производства интегральных микросхем: Учебник. М.: Радио и связь, 1991. 344 с.
  6.  Парфенов Е. М., Камышняя Э. Н., Усачев В. П. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов. Радио и связь, 1989.  272 с.

7.     Якубовский С. В. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / Под ред. С. В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1985. 432 с.

  

 

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72809. Гипотезы происхождения жизни на земле. Уровни организации живой природы 138 KB
  Вначале Земля была безжизненной но под действием солнечной радиации а так же процесса на поверхности Земли химических веществ произошёл синтез органических соединений который привел к образованию первых примитивных организмов. Исследование метеоритов показали наличие в них сложных органических соединений углеводородов спиртов...
72810. Устройства ввода-вывода информации. Внешние накопители 38 KB
  Благодаря достаточно большому объему и довольно высокой надежности чаще всего используются в рамках устройств резервного копирования данных на предприятиях и в крупных компаниях хранят резервные копии баз данных и другой важной информации.
72812. Компьютерные сети 54 KB
  Компьютерная сеть — это два или более компьютера, обменивающихся информацией по линиям связи. Компьютерная сеть позволяет передавать информацию с одного компьютера на другой, а значит, совместно использовать ресурсы, например, принтеры, модемы и устройства хранения информации.
72813. ФАЙЛЫ И ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА 46.5 KB
  Имя файла состоит из двух частей разделенных точкой: собственно имя файла и расширение определяющее его тип программа данные и т. Собственно имя файлу дает пользователь а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.
72814. Алгоритм, его свойства. Виды алгоритмов. Формы записи алгоритмов 53 KB
  Виды алгоритмов. Формы записи алгоритмов. Решение задач на компьютере основано на понятии алгоритма. Алгоритм –- это точное предписание определяющее вычислительный процесс ведущий от варьируемых начальных данных к исходному результату.
72815. Устройства вывода информации, мониторы и принтеры 46 KB
  Матричные игольчатые принтеры -– это самые дешевые аппараты обеспечивающие удовлетворительное качество печати для широкого круга рутинных операций главным образом для подготовки текстовых документов.
72816. Устройства ввода информации 46.5 KB
  Для непосредственного считывания графической информации с бумажного или иного носителя в ПК применяется оптические сканеры. Существует множество видов и моделей сканеров. Какой из них выбрать зависит от задач для которых сканер предназначается.
72817. Дополнительные периферийные устройства 44.5 KB
  Мыши различаются по трем характеристикам - числу кнопок, используемой технологии и типу соединения устройства с системным блоком. В первоначальной форме в устройстве была одна кнопка.