87435

Конструкторское проектирование и технология интегральных микросхем

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС. Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС. Основные технологические операции изготовления толстопленочных ГИС. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании толстопленочных ГИС...

Русский

2017-09-17

2.15 MB

15 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники

(технический университет)

Э.М. Ильина

Учебно-методическое пособие по самостоятельной работе студентов (курсовое проектирование)

по курсу

«Конструкторское проектирование и технология интегральных микросхем»

Часть 1

Москва 2007Содержание

  • ЦЕЛЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
  • ЗАДАНИЕ
  • СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЁМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
  • Введение
  • Глава 1
  • КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС
  • § 1.1. Подложки тонкопленочных ГИС
  • § 1.2. Материалы элементов тонкопленочных ГИС
  • § 1.3. Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС
  • § 1.4. Компоненты ГИС
  • § 1.5. Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС
  • §1.6. Расчет конструкций элементов тонкопленочных ГИС
  • § 1.7. Разработка топологии тонкопленочных ГИС
  • Глава 2
  • КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИС
  • § 2.1. Платы толстопленочных ГИС
  • § 2.2. Пасты для толстопленочных ГИС
  • § 2.3. Основные технологические операции изготовления толстопленочных ГИС
  • § 2.4. Разработка топологии толстопленочных ГИС
  • §2.5. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании толстопленочных ГИС
  • § 2.6. Конструктивный расчет элементов толстопленочных ГИС
  • Глава 3
  • ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
  • § 3.1.Герметизация ИМС
  • § 3.2. Обеспечение тепловых режимов работы ИМС
  • § 3.3. Обеспечение влагозащиты ИМС
  • ЛИТЕРАТУРА

ЦЕЛЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Разработать конструкцию и технологический процесс изготовления гибридной интегральной микросхемы (ИМС) или микросборок (МСБ).

ЗАДАНИЕ

Для   выполнения   проекта   студенту   выдаётся   задание   (см.   часть 2 настоящего пособия)   на разработку  гибридной   тонко- либо толстоплёночной  интегральной микросхемы илимикросборки.

                                       СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ:

типмикросхемы или микросборки;

схема электрическая принципиальная с перечнем элементов;

электрические параметры ИМС или МСБ;

условия эксплуатации;

технология изготовления;

тип навесных компонентов.

В задании может быть указан метод изготовления, а также размер подложки, корпус, вид герметизации.

В случае, когда эти данные отсутствуют, студент должен самостоятельно выбрать оптимальный вариант изготовления микросхемы.

СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЁМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект состоит из пояснительной записки (25-30 листов) формата 11 (297 х 210) и графической части.

СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Номер варианта

ЗАДАНИЕ

1. Разработка конструкции гибридной ИМС.

  1. Расчет пленочных элементов.
  2. Выбор навесных компонентов.
  3. Определение площади подложки.
  4. Выбор корпуса.
  5. Разработка эскиза топологии.
  6. паразитных связей - по указанию преподавателя.

2. Разработка технологического процесса изготовления ГИС.

2.1. Выбор и обоснование техпроцесса.

2.2. Маршрутная карта на изготовление ИМС.

2.3. Операционная карта па одну операцию в соответствии с заданием.

2.4. Выводы.

Литература

СОДЕРЖАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ.

  1. Задание – схема электрическая принципиальная.
  2. г) Микросхема со спецификацией;

Введение

Настоящее пособие содержит данные, необходимые для самостоятельного выполнения студентами курсового проекта по разработке конструкции и топологии гибридных тонкопленочных или толстопленочных интегральных микросхем.

Пособие состоит из двух частей. В первой части изложены теоретические сведения о свойствах и характеристиках используемых материалов и компонентов в производстве гибридных ИМС, технологических процессах и технологических ограничениях (возможностях), приведены расчеты конструкций элементов ГИС. Кроме того, пособие снабжено методическими указаниями о том, как использовать имеющиеся сведения, чтобы получить окончательный результат и проверить правильность разработки.

Особое внимание уделено общим вопросам конструирования интегральных микросхем для защиты от внешних воздействий, приведены данные по герметизации, обеспечению тепловых режимов и влагозащите ИМС.

Во второй части представлены варианты заданий по разработке топологии и конструкции тонкопленочных и толстопленочных гибридных ИМС в соответствии с приведенными электрическими принципиальными схемами, а так же пример эскизной технической конструкторской документации на разработку ИМС.

В приложениях приведены маршрутные технологические и операционные карты, которые окажутся весьма полезными при разработке технологической эскизной документации в производстве гибридных интегральных микросхем.

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Глава 1

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС

§ 1.1. Подложки тонкопленочных ГИС

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основаниями для расположения пленочных и навесных элементов и служат для теплоотвода. Электрофизические параметры материалов подложек даны в табл. 1.1, а химический состав некоторых из них —  в табл. 1.2.

Для маломощных ГИС можно применять бесщелочные боросиликатные стекла С41-1 и С48-3, а также ситаллы. По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситалл имеет ряд преимуществ перед стеклами. Он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, а по механической прочности в 2—3 раза прочнее стекла. Для мощных ГИС применяют керамику поликор, а для особо мощных ГИС — бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность (см. табл.1).

Недостатком керамики является значительная шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. По этой причине керамику 22ХС используют только для толстопленочных ГИС. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путем глазурования керамики слоем бесщелочного стекла приводит к значительному уменьшению теплопроводности (см. табл. 1.1).

В случаях, когда требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жесткость конструкции, применяют металлические подложки: алюминиевые подложки, покрытые слоем анодного оксида, или эмалированные   стальные   подложки.

Габаритные размеры подложек стандартизованы. Обычно на стандартной подложке групповым методом изготовляют несколько плат ГИС (заметим, что платой называется часть подложки с расположенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС). Деление стандартной подложки на части, кратные   двум и трем, дает ряд типоразмеров плат, приведенных в табл. 1.3. Платы № 3— 10 используют в стандартных корпусах, остальные — в бескорпусных ГИС и микросборках. Толщина подложек составляет 0,35—0,6 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1—0,3 мм).

                                                                                                                                                                                    Таблица 1.1

Электрофизические параметры подложек ГИС

Параметр

Материал

стекло

Ситалл

СТ50-1

Плавле

ный

кварц

керамика

С41-1

С48-3

22ХС

(96%Al2O3)

Поли-кор

Глазуро

ванная

99,5%

BeO

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Класс чистоты обработки поверхности

Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР при Т=20--300°С

14

(412)

*10-7

14

(482)

*10-7

13-14

(502)

*10-7

14

55*

*10-7

12

(605)

*10-7

12-14

(70-75)

*10-7

14

(73-78)

*10-7

Высота

Микро

неров-ностей

до 0,45 мкм

70*

*10-7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Коэффициет теплопровод-

ности,

Вт/ (м*°С)

Диэлектри-

ческая проница-емость приf=10 Гц и Т=20°С

Тангенс угла диэлектри-

ческих потерь приf=10 Гц и Т=20°С

Объёмное сопротивле-

ние при Т=25°С, Ом*см

1

7,5

20*10-4

1017

1,5

3,2-8

15*10-4

1014

1,5

5-8,5

20*10-4

--

7-15

3,8

--

1015

10

10,3

6*10-4

--

30-45

10,5

10*10-4

--

1,2-1,7

13-16

18*10-4

--

210

6,4-9,5

16*10-4

1014

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Электрическая прочность, кВ/мм

40

40

--

--

50

--

50

20

                                                                                                                                                                                        Таблица 1.2

Химический состав подложки ГИС

Состав

Материал подложки

SiO2

Al2O3

BaO

CaO

TiO2

MgO

B2O3

Na2O

K2O

FeO

MnO

LiO2

С41-1

С48-3

СТ50-1

60.5

66.3

25.0

13.5

3.5

20.0

--

--

25.0

9.5

--

--

9.0

--

--

7.5

0.5

--

--

20.9

30.0

0.25

8.0

--

--

0.6

0.06

--

0.2

--

                                                                                                                                                                                       Таблица 1.3

Типоразмеры плат ГИС

( размеры, мм)

Типо-

раз-

мера

Ши-

ри-

на

Дли-

на

Типо-

раз-

мера

Ши-

ри-

на

Дли-

на

Типо-

раз-

мера

Ши-

ри-

на

Дли-

на

Типо-

раз-

мера

Ши-

ри-

на

Дли-

на

1

2

3

4

5

96

60

48

30

24

120

96

60

48

30

6

7

8

9

10

20

16

12

10

10

24

20

16

16

12

11

12

13

14

15

5

2,5

16

32

8

6

4

60

60

15

16

17

18

19

--

8

24

15

20

--

10

60

48

45

--

§ 1.2. Материалы элементов тонкопленочных ГИС

Материалы резисторов. Параметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлениемs от десятков до десятков тысяч ом на квадрат. Чем меньше толщина пленок, тем вышеs, но одновременно повышаетсяTKR,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 (например, Сг иSiO). Широко распространены пленки хрома и тантала (табл.1.4). Сплавы, из которых наиболее часто используют нихром, имеют большее значениеs по сравнению с пленками чистых металлов. На основе керметов получают высокоомные резисторы. Наиболее распространен кермет, в состав которого входят хром и моноокись кремния(50—90%Сr, 50—10%SiO). В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки с удельным сопротивлением от сотен ом на квадрат до десятков килоом на квадрат, обладающие высокой стабильностью. Однако в связи с тем, что свойства кермет-ных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и большийTKRпо сравнению с металлическими. В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы СrSi, легированных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (РС-3001, РС-3710, РС-5604К,МЛТ-ЗМ, РС-5406Н). При сравнительно маломTKRи высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов сплавовPC достаточно широк: 50 Ом/ᖳ— 50 кОм/. Наиболее часто используют сплавы РС-3001, РС-3710 (37,9% Сr, 9,4%Ni, 52,7%Si), МЛТ-ЗМ (43,6%Si, 17,6% Сr, 14,1%Fe, 24,7%W)  (см. табл. 1.4).

                                                                                                                                                             Таблица 1.4

Основные параметры материалов тонкопленочных резисторов

Материал

Параметры

1

2

3

4

5

6

Для напыления резистивной плёнки

Контактных площадок

Удельное поверхностное сопротивление резистивной плёнкиs,Ом/

Диапазон номинальных значений сопротивлений, Ом

Допустимая удельная мощность рассеяния Ро,Вт/см2

Температурный коэффициент сопротивления

TKR при

T= -60--125°С

Нихром, проволока Х20Н80

Медь

300

50-30000

2

1*10-4

Нихром, проволока

Золото с подслоем хрома

10

1-10000

-2,25*10-4

50

5-50000

1

2

3

4

5

6

Сплав МЛТ-3М

Медь с подслоем ванадия (луженая)

Медь с подслоем нихрома (защищённая никелем)

500

50-50000

2

2*10-4

Хром

Медь (луженая)

500

50-30000

1

0,6*10-4

Кермет

К-50С

1

Золото с подслоем хрома (нихрома)

2

3000

5000

10000

3

1000-10000

500-200000

10000-10000000

4

2

5

3*10-4

-4*10-4

-5*10-4

6

Тантал ТВЧ4, лента толщиной 0,3-3 мм

Алюминий с подслоем ванадия

Медь с подслоем нихрома

Тантал

20-100

100

10

100-10000

50-100000

10-15000

3

-2*10-4

Сплав РС-3001

Сплав РС-3710

Золото с подслоем хрома (нихрома)

1000

2000

100-50000

200-100000

2

-0,2*10-4

3000

1000-200000

-3*10-4

Материалы конденсаторов. Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозионную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика конденсатора: ТКЛР, близкие к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.

Наилучшим материалом для обкладок конденсаторов является алюминий, который, однако, имеет плохую адгезию к подложке. Для предотвращения отслаивания нижней обкладки вначале напыляют подслой титана или ванадия. Верхняя обкладка, напыляемая на диэлектрик, не требует подслоя. Применение золота для обкладок не рекомендуется из-за высокой подвижности атомов и возможной диффузии сквозь диэлектрик, приводящей к короткому замыканию обкладок.

Материал диэлектрика должен иметь хорошую адгезию к подложке и материалу     обкладок, обладать высокой электрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не разлагаться в процессе формирования пленок. В качестве диэлектрических материалов наиболее часто используют моноокиси кремния и германия. В табл. 1.5 приведены основные параметры диэлектрических материалов тонкопленочных конденсаторов.

Материалы проводников и контактных площадок. Они должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозионную стойкость. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную проводимость, высокую    коррозионную   стой-

кость, возможность пайки и сварки. Толщина золотых   пленочных проводников обычно составляет 0,5—1 мкм.

В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома или титана. Для предотвращения окисления меди и улучшения условий пайки или сварки ее покрывают никелем, золотом или серебром. Для пайки медные контактные площадки  целесообразно  облуживать погружением  схемы в  припой, при этом остальные пленочные элементы должны быть защищены.

Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью и может использоваться как с защитным покрытием никеля для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников равна~1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия обычно составляет десятые — сотые доли микрометра.

В табл. 6 приведены основные параметры токопроводящих материалов, подслоя и покрытия, а в табл. 1.7 — параметры диэлектрических материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИС. Следует различать многослойную разводку от. многоуровневой, когда создается система коммутации элементов и компонентов ГИС в несколько этажей (уровней), разделенных слоем диэлектрика. В каждом из уровней разводка может быть многослойной.

                                                                                                                                                                                    Таблица 1.5

Основные параметры диэлектрических материалов тонкоплёночных конденсаторов

Материал

Параметры

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

для напы-

ления диэ-

лект-

рика

для

напы-

ления

обкла-

док

Удель-

ное по-

верх-

ност-

ное сопро-

тивле-

ние плёнки обкла-

докs

Ом/

Удель-

ная ём-

костьCo

пФ/см2

Рабо-

чее напря-

жение

Uраб

диэлектрическая проницае-мость

при

F=

1 кГц

тангенс угла диэлектрических по-терьtgприf=1 кГц

электрическая проч-ностьЕпр, В/см

Рабо-

чая часто-таf, МГц не бо-лее

Темпе-ратур-ный коэффици-ент емкости ТКС приT—60--125°С, 1/°С

Моно-окись кремния

Алюминий А99 (ГОСТ 11069-64)

0,2

5000

60

5,0-6,0

0,01-0,02

(2-3)

*106

500

2*10-4

10000

30

Моно-окись германия

5000

10

11-12

0,005-0,007

1,0*106

300

3*10-4

10000

7

15000

5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Боросиликатное

2500

24

5000

15

стекло

4

0,001-0,0015

(3-4)

*106

0,35

*10-4

10000

10

15000

8

Стекло электровакуумное С41-1

15000

12,6

5,2

0,002-0,003

(0,5- 1) *10-4

приT= -60--25° С,

(1,5-1,8)*10-4приT=25--155°С

20000

10-12,6

30000

6,3-10

40000

6,3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Пяти-окись тантала (электрохимическое анодирование)

Тантал ТВЧ (РЭТУ    1244—67) нижняя обклад

ка

1-10

60000

15

23

0,02

-106

0,1

4*10-4

100000

10

Алюми-ний     А99 (ГОСТ  11069—64) с   подсло-

ем   ванадия    (верх-няя   обкладка)

0,2

200000

3

                                                                                                                                                                                      Таблица 1.6

Параметры многокомпонентных систем проводников и контактных площадок тонкоплёночных ГИС

Материал подслоя, слоя и покрытия

Толщина слоёв, мкм

Удельное поверхностное сопротивление

s,Ом/

Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов

1

3

4

4

Подслой нихром Х20Н80 (ГОСТ2238-58)

Слой-золото Зл999,9

(ГОСТ 7222-54)

0,01-0,03

0,6-0,8

0,03-0,05

Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом

Подслой-нихром

Х20Н80 (ГОСТ2238-58)

Слой-медь МВ (вакуум плавления) (МРТУ 14-14 42-65)

Покрытие-никель (МРТУ 14-14-46-65)

0,01-0,03

0,6-0,8

0,08-0,12

0,02-0,04

Сварка импульсным косвенным нагревом

1

2

3

4

Подслой-нихром

Х20Н80 (ГОСТ2238-58)

Слой-медь МВ (вакуум плавления) (МРТУ 14-14 42-65)

Покрытие-золото Зл999,9 (ГОСТ 7222-54)

0,01-0,03

0,6-0,8

0,05-0,06

0,02-0,04

Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом

Подслой-нихром

Х20Н80 (ГОСТ2238-58)

Слой- алюминий А97 (ГОСТ 11069-64)

0,01-0,03

0,3-0,5

0,06-0,1

Сварка сдвоенным электродом

Подслой-нихром

Х20Н80 (ГОСТ2238-58)

Слой- алюминий А97 (ГОСТ 11069-58)

Покрытие-никель (МРТУ 14-14-46-65)

0,04-0,05

0,25-0,35

0,05

0,1-0,2

Сварка импульсным косвенным нагревом

                                                                                                                                                                                       Таблица 1.7

Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкоплёночных ГИС

Материал диэлектрика

Параметры

Удельная ёмкость С0, пФ/ мм2

Тангенс угла диэлектрических потерьtgприf= 1кГц

Удельное объёмное сопротивление,Ом*см

Электрическая прочность Епр,

В/см

Темпера-турный коэф. ТКС

при Т=

-60--85°С

Моноокись кремния

Халькогениднное стекло

Негативный фоторезист

ФН-108

Фоторезист ФН-11

Лак полиамидный электроизоляцион-ный

Окись кремнияSiO2

17

50

12

50-80

80-100

100

0,03

0,01

0,01

--

--

--

1*1012

1*1012

1*1012

3*1012

2*1012

1*1012

3*106

4*105

1*105

6*105

5*105

6*105

5*10-4

5*10-4

5*10-4

--

--

--

§ 1.3. Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС

Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы: масочный — соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски; фотолитографический — пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков;   электроннолучевой — некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки испарением под воздействием электронного луча; лазерный — аналогичен электроннолучевому, только вместо электронного применяют луч лазера.Наибольшее распространение получили два первых способа, а так же их комбинации.

Масочный метод.При масочном рекомендуется такая последовательность формирования слоев для изготовления ГИС, содержащих резисторы, проводники, пересечения пленочных проводников, конденсаторы. Напыление: 1) резисторов; 2) проводников и контактных площадок; 3) межслойной изоляции; 4) проводников; 5) нижних обкладок конденсаторов; 6) диэлектрика; 7) верхних обкладок; 8) защитного слоя. При отсутствии конденсаторов исключаются операции 5-7, а при отсутствии пересечений – операции 3, 4.

Фотолитографический метод.При фотолитографическом методе для изготовления ГИС, содержащих резисторы и проводники, используют два варианта технологии:

  1. напыление материала резистивной пленки; напыление материала проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя;
  2. после проведения первых двух операций – фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя.

При производстве микросхем, содержащих проводники и резисторы из двух разных резистивных материалов, рекомендуется такая последовательность операций: напыление пленки первого резистивного материала; напыление пленки второго резистивного материала; напыление материала проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; фотолитография второго резистивного слоя; фотолитография первого резистивного слоя; нанесение защитного слоя.

Комбинированный масочный и фотолитографический метод.При совмещении масочного и фотолитографического методов для микросхем, содержащих резисторы, проводники и конденсаторы, используют два варианта технологии:

  1. напыление резисторов через маску, напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; поочередное напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 1.1, а-ж). На рис. 1, з показан монтаж навесных компонентов с жесткими выводами;
  2. Напыление резистивной плёнки; напыление проводящей плёнки на резистивную; фотолитография проводящего и резистивного слоёв; фотолитография проводящего слоя, напыление через маску нижних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис 1.2, а-ж). Монтаж навесных компонентов представлен на рис. 1.2, з.

Рис.1. 1. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным масочным и фотолитографическим методами:

а— напыление резисторов через маску;б—напыление проводящей пленки;в —фотолитография проводящего слоя. Напыление через маску:г— нижних обкладок конденсаторов;д— диэлектрика;е— верхних обкладок конденсаторов; ж— нанесение защитного слоя; з — монтаж навесных компонентов с жесткими выводами

Рис. 1.2. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным методом (масочным и двойной фотолитографии):

а— напыление сплошных резистивной и проводящей пленок; б — травление проводящего и резистивного слоев;в— селективное травление проводящего слоя. Напыление через маску:г— нижних обкладок конденсаторов;д —диэлектрика;е —верхних обкладок конденсаторов;ж— нанесение защитного слоя;з— монтаж навесных компонентов

Для схем, не содержащих конденсаторы, применяют один из трёх вариантов:

  1. напыление через маску резисторов; напыление проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя;
  2. напыление резистивной пленки; фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок; нанесение защитного слоя;
  3. напыление резистивной пленки; напыление через маску контактных площадок и проводников; фотолитография резистивногослоя; нанесение защитного слоя.

Рекомендации по применению методов изготовления ГИС. Масочный метод применяют в мелкосерийном и серийном производстве. Точность изготовленияR-и С-элементов ±10%. Фотолитографический метод используют в массовом производстве. Достижимая точность изготовления пассивных элементов ±1%. Комбинированный масочный и фотолитографический метод применяют в серийном и массовом производстве, при этом максимальная разрешающая способность при изготовлении пленочных элементов 50 мкм, -точность изготовленияR-и С-элементов ±1 и 10% соответственно.

§ 1.4. Компоненты ГИС

В качестве компонентов ГИС применяют диоды и диодные матрицы, транзисторы и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, наборы прецизионных резисторов и конденсаторов, индуктивности, дроссели, трансформаторы. Компоненты могут иметь жесткие и гибкие выводы.

Рис. 1.3. Способы крепления компонентов ГИС   и   присоединения   их выводов

Способ монтажа компонентов на плату должен обеспечить фиксацию положения компонента и выводов, сохранение его целостности, параметров и свойств, а также отвод теплоты, сохранение целостности ГИС при термоциклировании, стойкость к вибрациям и

ударам. На рис. 1.3 показаны способы установки, крепления и присоединения выводов компонентов ГИС. Гибкие выводы присоединяют в центре контактной площадки (рис. 1.4), при этом конец гибкого вывода не должен выступать за пределы площадки. Расстояние от места выхода гибкого вывода из защитного покрытия до-местаего присоединения к контактной площадке должно быть не менееполовины высоты компонента.

Рис. 1.4. Крепление компонентов ГИС к плате   и   присоединение   гибкого

вывода к контактной площадке:

а— расположение   вывода    на   контактной    площадке;    б — крепление

компонента   ГИС(1— подложка;2— контактная   площадка;3 —гиб

               кий вывод;4— компонент ГИС)

же рядом параметров и критериев, характеризующих работу прибора в конкретной схеме. Поскольку надежность прибора определяется режимами его работы в схеме, следует учитывать зависимость электрических параметров от условий работы схемы, значений токов, напряжений, мощностей и т. д.

Транзисторы и диоды. В табл. 1.8 приведена система обозначений полупроводниковых приборов, используемых в качестве компонентов ГИС.

табл. 1.9 и на рис. 1.5, а диодов диодных матриц и диодных сборок — в табл. 1.10 и на рис. 1.6.

Конденсаторы. Перспективными для применения в ГИС являются керамические конденсаторы КЮ-17  (рис. 1.7) и КЮ-9    (рис. 1.8,ав).Их параметры приведены в табл. 1.11 и 1.12. Эти конденсаторы выпускаются двух типов — с нелужеными  (посеребренными)  и лужеными торцами, являющимися   выводами    обкладок.

Нелуженые выводы предназначены для присоединения к контактным площадкам с помощью гибких выводов    (рис. 1.9, а),    луженые — непосредственно к контактным    площадкам    платы    ГИС(рис. 1.9,б).

                                                                                                                                                                                       Таблица 1.8

Система обозначений полупроводниковых приборов

Второй эле-мент обозначения

Третий, четвёртый и пятый элементы обозначены (характеризуют качественные свойства, тип или назначение прибора, а так же порядковый номер разработки топологического типа прибора)

Шес-той эле-мент обоз-наче-ния

1

2

3

4

Г-герма-ний и его соеди-нения

1

Т- тран-зис-торы бипо-ляр-ные

П-тран-зис-торы поле-вые

2

101-199

201-299

301-399

401-499

501-599

601-699

7

Малой мощности

Рмах0,3 Вт

Средней мощности

0,3 Вт<Рмах1,5 Вт

Большой мощности

Рмах> 1,5 Вт

f3МГц

3МГц<f30 МГц

f>3 МГц

F<3МГц

3МГц<f30 МГц

f>3 МГц

f3МГц

3МГц<f30 МГц

f>3 МГц

3

4

5

6

К- крем-ний и его соеди-нения

Д-диоды

Выпрями-тельные

Магнито-дио-ды и тер-мо-дио-ды

Уни-вер-саль-ные >500 нс

Импульсные

Ма-лой мощно-стиI0,3 А

Средней мощ-нос-ти 0,3 <I10 А

150 нс<< 500 нс

30 нс<150 нс

5 нс<30 нс

1 нс<5 нс

1 нс

                                                                                                                                                                                        Таблица 1.9

Способы установки на плату, электрические параметры, габаритные и присоединительные размеры транзисторов

Спо

соб уста

новки

Тип

Электрические параметры

Габаритные размеры, мм, не более

Интервал рабочих

Темпер

°С

Масса г, не более

Iкмах

мА

Ркмах

мВт

Uкэ

В

h21э

a

b

Н

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Рис 5, а

КТ120А-КТ120В

КП201Е-КП201Л

КТ202А-КТ202Г

КТ307А-КТ307Г

КТ317А-КТ317В

КТ318А-2Т318В

КТ324А-КТ324Е

10

20

10

20

15

20

20

10

150

15

15

15

15

15

60

20

15

10

5

10

10

20-200

20-90

40-150

20

25-250

70-280

20-250

1,00

1,20

0,83

0,86

1,30

1,00

0,66

1,00

1,20

0,83

0,86

1,30

1,00

0,66

1,0

0,6

0,5

0,8

1,1

1,0

0,6

-10—56

-40—85

-60—85

260—85

-60—85

-60—85

-55—85

0,020

0,005

0,012

0,002

0,010

0,010

0,002

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

КТ331А-КТ331Г

КТ332А-КТ332Д

2Т354А-2Т354В

2Т360А-2Т360В

КТ369А-КТ369Г

2Т364А-2Т364В

20

20

20

20

250

200

15

15

20

10

50

30

15

15

10

15

45

20

40-120

20-120

40-400

80-240

40-200

40-240

1,20

1,20

1,20

1,29

2,00

1,25

1,20

1,20

1,20

1,20

2,00

3,00

0,8

0,8

0,8

0,8

1,0

1,00

60—125

-60—125

-60—85

-40—55

-60—85

-60—85

0,003

0,003

0,001

0,005

0,020

0,006

Рис 5, б

2Т333А-2Т333Е

КТ348А-КТ38В

КТ359А-КТ359В

20

15

20

15

15

15

10

5

15

50-280

25-250

50-280

0,75

0,75

0,75

0,75

0,75

0,75

0,34

0,34

0,34

-60—85

-40—85

-50—85

0,010

0,010

0,010

Рис 5, г

2Т205А

20

40

200

10-40

1,25

1,25

0,37

-60--125

0,003

                                                                                                                                                                                    Таблица 1.10

Способы установки на плату, электрические параметры, габаритные и присоединительные размеры бескорпусных диодных матриц, диодных сборок, диодов

Способ устано-вки

Тип

Электрические параметры

Габаритные размеры, мм, не более

Масса г, не более

Uобрmax

Iпрmaх

Коли-чество диодов

Схема соедине-ний

a

b

H

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Рис 6, а

Рис 6, б

Рис 6, в

1

2Д918Б,

2Д918Г,

КД907Б,

КД907Г

КД901А-

КД901Г

2Д904А-2Д904Е

2ДС408А,

2ДС408Б

2

40

10

12

12

3

50

--

5

20

4

4

6

6

4

5

С общим анодом

С общим катодом

Диоды не соединены между собой

6

1,15

1,1

1,3

1,0

0,9

7

1,15

1,3

1,1

1,0

1,1

8

1,0

1,8

1,0

0,7

9

0,005

0,006

0,005

0,010

0,006

10

Рис 6, г

Рис 6, в

2Д910А-

2Д910В,

2Д911А-

2Д911Б

2Д912А

5

10

10

5

3

3

С общим

катодом

С общим

1,0

1,0

0,75

1,0

1,0

0,75

1,0

1,0

0,34

0,01

--

0,01

КД913А

10

10

3

анодом

С общим катодом

0,75

0,75

0,75

0,002

Примечание:Uобрmax — постоянное  обратное   напряжение  в   интервале  температур — 60--80° С;

Iпрmaх— суммарный   средний  прямой  ток    через    все   диоды  илиодин диод в интервале температур60--85°С.

Выбор типа конденсатора производят по значениям емкости, рабочего напряжения, интервалу рабочих температур, допустимой реактивной мощности и допустимому отклонению емкости от номинала.

Рис 1.5. Способы установки на плату, габаритные и присоединительные размеры         транзисторов в соответствии с табл. 1.9.

Размеры контактных площадок приведены в табл. 1.15.

Рис. 1.6. Способы установки, габаритные и присоединительные размеры диодных матриц и диодных сборок в соответствии с табл. 1.10.

Рис. 1.7. Конструкции конденсатора К10-17 с нелужеными и лужеными выводами

(B1,L1,H1-размеры после лужения)

                                                                                                                                                                                                        Таблица 1.11

Параметры конденсаторов К10-17

Пределы номинальных емкостей для группTКC, пФ

Допустимая

Реактивная мощность, вар

Габаритные размеры, мм

Масса г, не более

L

B

H

L1

B1

H1

m

П33

М47

22-82

91-180

200-620

690-1000

1100-2000

680-1000

1100-1800

2400-3600

М75

22-68

75-150

160-510

560-910

1000-1800

560-820

1000-1500

2000-3000

33-100

110-200

220-910

1000-1200

1300-2400

1000-1500

1600-2000

2700-3900

1

2

3,5

5

10

7

10

20

1,5

2

4

5,5

5,5

4

5,5

5,5

1,2

1,7

2,7

2,7

4,3

2,7

2,7

4,3

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,8

1,8

1,8

1,5

2

4

5,5

5,5

4

5,5

5,5

1,4

1,9

3,0

3,0

4,6

3,0

3,0

4,6

1,2

1,2

1,2

1,2

1,2

2,0

2,0

2,0

0,2—0,5

0,2—0,7

1—1,5

1,5—2

1,5—2

1—1,5

1,2—2

1,5—2

0,1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,3

0,4

0,5

Рис.1. 8. Конструкции конденсатора КЮ-9 с нелужеными  (с)  и лужеными  (б) выводами; конденсатора К10-9М с лужеными   выводами (е)(В,S— размеры после металлизации,В1,S1—размеры после металлизации и лужения)

                           а)                        б)

Рис. 1.9. Способы установки конденсаторов КЛО-17 и КЮ-9 на плату ГИС:

а— с гибкими выводами; б —на контактные площадки

                                                                                                                                                                               Таблица 1.12

Параметры конденсаторов К10-9

Типо-

Раз-

мер

Пределы номинальных емкостей для группTKC, пФ

Допустимая

реактивная мощность, вар

Габаритные размеры, мм

Мас-

са г, не более

П33

М47

М75

М1500

Н30

Н90

L

B

S

B1

S1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1

2,2-10

11-24

36-1000

150-100

1000-3300

1,25

2

2

0,6

2

1,2

0,1

2

11-27

27-51

110-200

1500

4700

2,5

2

4

0,6

4

0,15

3

30-51

56-120

220-390

2200-3300

6800-10000

5

4

0,3

4

10-51

22-120

180-390

680-3300

1000-10000

5

2,5

5,5

0,6

5,5

0,3

5

56-120

130-270

430-1000

4700-6800

15000-2200

10

6

5,5

0,6

5,5

1,2

0,6

6

11-24

2762

110-240

1500-2200

4700-10000

1,25

2

2

1

2

1,5

12

0,1

7

30-62

56-120

220-470

2200-4700

6800-15000

2,5

2

4

9

1

10

4

11

0,15

1

2

3

4

5

6

7

8

13

8

68-120

130-270

520-1000

6800-10000

22000-33000

5

4

0,3

9

56-120

130-270

430-2000

4700-10000

15000-33000

5

2,5

5,5

1

5,5

0,6

10

130-330

300-620

1100-2400

15000-33000

57000-68000

10

6

11

27-38

68-91

273-390

3300

15000

2,5

2

2

1,4

2

2

0,2

12

68-100

130-200

510-750

6800

22000

5

2

4

1,4

4

0,3

13

110-200

220-430

820-1500

10000-15000

33000-47000

10

4

0,5

14

130-200

300-430

1100-1500

15000

47000

10

2,5

5,5

1,4

5,5

0,5

15

220-560

470-1200

1600-4700

22000-47000

68000-100000

20

6

1,0

16

110-150

220-430

820-1500

10000-15000

33000-47000

5

2

4

2,5

4

3

12

0,3

17

160-330

470-820

1600-3000

22000-33000

68000-100000

10

5

0,5

18

220-330

470-820

1600-3000

22000-33000

68000-100000

10

2,5

5,5

9

2,5

10

5,5

11

0,5

1

2

3

4

5

6

7

8

13

19

360-820

910-2200

3300-8200

47000-68000

15000-22000

20

6

2,5

2,5

2,5

3

1,0

20

910-2200

2400-3900

9100-15000

10000-15000

33000-47000

30

8

8

2,5

8

1,5

                                                                                                                                                                                                     Таблица 1.13

Параметры конденсаторов К53-15

Номи-

нальное напря-

жение, В

Номи-

нальная ёмкость, мкФ

Габаритные размеры, мм

Масс

г, не более

L

B

H

A

1

2

3

4

5

6

7

3

2,2; 3,3

2,5

4

2

2,3

0,15

4,7; 6,7

5,0

0,25

10; 15

8

5,5

0,65

22;33

10,0

1,5

6,3

1,5; 2,2

2,5

4

2

2,3

0,15

3,3; 4,7

5,0

0,25

6,8

8

5,5

0,65

10; 15

10,0

1,5

10

1,0; 1,5

2,5

4

2

2,3

0,65

2,2; 3,3

5,0

1,5

16

0,68; 1,0

2,5

4

2

2,3

0,15

1,5;2,2

5,0

0,25

3,3; 4,7

8

5,5

0,65

6,8;10

10,0

1,5

1

2

3

4

5

6

7

20

0,47; 0,68

2,5

4

2

2,3

0,15

1,0;1,5

5,0

8

0,25

2,2; 3,3

5,5

0,65

4,7; 6,8

10,0

1,5

30

0,1; 0,15; 0,22

2,5

4

1,6

2,3

0,12

0,68;1,0

5,0

2

0,25

1,5; 2,2

5,5

0,65

3,3; 4,7

10,0

8

1,5

0,33; 0,47

2,5

2,3

0,15

Керамические конденсаторы в зависимости от вида примененной для диэлектрика керамики подразделяют на группы. Конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики имеют нормированный ТКС (группы ПЗЗ, М47, М75, М750, М1500, М2200). В написании группа букв означает: П — положительный, М — отрицательный ТКС, а цифра — среднее значение ТКС-10-6на частотах порядка мегагерц. В зависимости от номинала   допустимое отклонение емкости конденсаторов этих групп составляет ±5, 10, 20%. Конденсаторы с диэлектриком из низкочастотной керамики имеют ненормированный ТКС (группы НЗО, Н50, Н70, Н90) и допустимое отклонение емкости от номинала соответственно ±30, ±50, —70--50, —90--50%.

Номинальное напряжение конденсаторов К10-17 25. В, интервал рабочих температур —60--80° С, сопротивление изоляции не менее 10 МОм. Конденсаторы КЮ-9 работают при более низких напряжениях (до 16 В), но в более широком интервале температур —60-=-125° С при том же значении сопротивления изоляции.

В качестве электролитических конденсаторов в ГИС целесообразно использовать малогабаритные оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53. Они рассчитаны на рабочее напряжение до 30 В в интервале температур —60--85°C. Электролитические конденсаторы К53-15 и К53-16 отличаются конструкцией выводов.

Конденсатор К53-15 (рис. 1.10) имеет выводы по типу шариковых и предназначен для автоматизированного монтажа, а конденсатор К53-16 имеет гибкие выводы (рис. 1.11) и монтируется на плату с помощью проволочного монтажа. Параметры конденсаторов К53-15 и К53-16 приведены в табл. 1.13

Рис. 1.10. КонструкцияРис.1.11. Конструкция

конденсатора К53-15                      конденсатора К53-16

                                                                                                                                                                                                        Таблица 1.14

Параметры конденсатора К53-16

Номинальное

Напряжение, В

Номинальная ёмкость, мкФ

Размеры, мм

Масса г, не более

Lmax

Bmax

Hmax

1

2

3

4

5

6

1,6

1,5; 2,2

4,7

6,8; 10

1,9

2,3

2,3

3,4

3,7

5,0

3,4

1,6

1,6

0,05

0,075

0,1

3

1,0

3,3

4,7

1,9

2,3

2,3

3,4

3,7

5,0

1,2

1,6

1,6

0,05

0,075

0,1

4

2,2

3,3

2,3

2,3

3,7

5,0

1,6

1,6

0,075

0,1

6,3

0,68

1,5

2,2

1,9

2,3

2,3

3,4

3,7

5,0

1,2

1,6

1,6

0,05

0,075

0,1

10

0,47

1,0

1,5

1,9

2,3

2,3

3,4

3,7

5,0

1,2

1,6

1,6

0,05

0,075

0,1

16

0,33

0,68

1,0

1,9

2,3

2,3

3,4

3,7

5,0

1,2

1,6

1,6

0,05

0,075

0,01

20

0,22

0,47

0,68

1,9

2,3

2,3

3,4

3,7

5,0

1,2

1,6

1,6

0,05

0,075

0,1

1

2

3

4

5

6

30

0,01; 0,015

0,022; 0,033

0,047; 0,047

0,1

0,15

1,9

3,4

1,2

0,05

0,22; 0,33

0,47

2,3

2,3

3,7

5,0

1,6

1,6

0,075

0,1

§ 1.5. Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС

В табл. 1.15 приведены основные конструктивные и технологические ограничения при использовании следующих методов создания пленочных элементов: масочного (М), фотолитографического (Ф), комбинированного масочного и фотолитографического (МФ), электронно-ионного (ЭИ) и по танталовой технологии (ТА). Помимо ограничений, приведенных в табл. 1.15, при конструировании ГИС необходимо выполнять общие правила и ограничения:

1) каждая плата микросхемы должна иметь ключ, которым является нижняя левая контактная площадка с вырезом по большей стороне платы или специальный знак в форме треугольника, прямоугольника;

  1. ориентировать одинаково;
  2. навесные компоненты рекомендуется по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы. Допускается установка навесных активных компонентов с гибкими выводами вплотную, если контакт между ними не   влияет на работоспособность схемы;
  3. при рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноименные выводы;
  4. на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком;
  5. не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников. Не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода

через навесной компонент. Проволочные проводники и гибкие выводы не должны проходить над пленочным конденсатором;

  1. не допускается оставлять незакрепленными участки гибких выводов длиной более 3 мм. Необходимо предусмотреть закрепление их точками клея холодного отвердения (например, эпоксидного клея ЭД-20, ЭД-16).

                                                                                                                                                                                Таблица 1.15

Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкоплёночных ГИС

Элемент топологии

Содержание ограничения

Размер ограничений, мм, при использовании метода

М

Ф

МФ

ЭИ

ТА

1

2

3

4

5

6

7

Точность изготовления размеров плёночных элементов и расстояний между нимиl,b,a,L,B и других при расположении плёночных элементов в одном слое, мм

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

Минимально допустимый размер резистора, мм

0,1

0,15

0,05

0,3

0,1

0,3

0,1

Минимально допустимые расстояния между плёночными элементами, расположенными в одном слое, а, мм

0,3

0,1

0,3

0,1

0,05

2

3

4

5

6

7

Максимально допустимое соотношение размеровl/a

10

100

30

100

Максимально допустимое расстояние между плёночными элементами, расположенными в разных слоях, с, мм

0,2

0,1

0,2

0,1

Перекрытия для совмещения плёночных элементов, расположенные в разных слоях, е, мм

0,2

0,1

0,2

0,1

Минимальное расстояние от плёночных элементов до края платыd, мм

0,5

0,2

0,5

0,4

0,2

Минимальная ширина плёночных проводниковi, мм

0.1

0.05

0.1

0.1

0.05

Минимально допустимое расстояние между краем плёночного резистора и краем его контактной площадки,j, мм

0,2

0,1

0,2

0,1

0,1

1

2

3

4

5

6

7

Элемент топологии

Содержание ограничения

Размер ограничений, мм, при использовании метода

М

Ф

МФ

ЭИ

ТА

Минимально допустимые расстояния:

        Между краями    диэлектрика и нижней обкладкой конденсатораf

0,1

0,1

0,1

0,1

--

       Между краями поверхностей и нижней обкладок конденсатораg

0,2

      Между краем диэлектрика и соединением вывода конденсатора с другим плёночным элементомh

0,3

      Между краем диэлектрика и нижней обкладок конденсатора в месте вывода верхней обкладки с

0,2

     От плёночного конденсатора до приклеиваемых навесных компонентовz

0,5

Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсаторовLB, мм2

0,50,5

Максимальное отклонение ёмкости конденсатора от номинального значения, %

0,2

Минимальное расстояние от проволочного проводника или вывода до края контактной площадки или до края плёночного проводника, незащищённого изоляцией,k. мм

0,2

Элемент топологии

Содержание ограничения

Размер ограничений, мм, при использовании метода

М

Ф

МФ

ЭИ

ТА

Минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами, ммm

n

0,2

0,1

Минимальные размеры контактных площадок для контроля электрических параметров, мм

0,20,2

Минимальное расстояние между контактными площадками для приварки и припайки проволочных проводников, мм

0,2

Максимальная длина гибкого вывода без дополнительного крепления о, мм

3,0

Минимальные расстояния, мм, между контактными площадками для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами и плёночным резистором р, диэлектриком конденсатора

0,6

0,35

Минимальные расстояния, мм, от края навесного компонента, до:

   Края платыq

   Края другого компонентаr

  Края навесного пассивного компонента

  Края контактной площадки, предназначенной для приварки проволочных выводов,s

  Проволочного проводника

  Луженого плёночного элемента

0,4

0,4

0,6

0,4

0,3

0,2

Дано для всех методов

Минимальные размеры контактных площадок для приварки проволочных проводников или проволочных выводов навесных компонентов при диаметре проволоки, мм

d0,03

для одного проводника

для двух проводников

для трёх проводников

d0,04

для одного проводника

для двух проводников

для трёх проводников

d0,05

для одного проводника

для двух проводников

для трёх проводников

0,150,1

0,20,2

0,20,3

0,20,15

0,250,25

0,250,40

0,250,2

0,30,3

0,30,5

§1.6. Расчет конструкций элементов тонкопленочных ГИС

Конфигурации тонкопленочных резисторов. Типовые конфигурации тонкопленочных резисторов приведены на рис. 1.12,а —г.Наиболее распространенной является прямоугольная форма, как самая простая по технологическому исполнению. Резистор в виде полосок занимает большую площадь, чем резисторы типа «меандр» или «змейка».

Рис.1.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а —полоска; 6 — составной из полосок; в —меандр; г —змейка

При масочном методе изготовления резисторов, изображенных на рис. 1.12, б —г, расстояние между соседними резистивными полосками должно быть не менее 300 мкм, длина резистивных участков / не должна превышать расстояниеаболее чем в 10   раз для обеспечения необходимой жесткости маски. При этом точность изготовления резисторов типа «меандр» и «змейка»    не превышает 20%. Для получения большей точности рекомендуется   применять конфигурацию, изображенную на рис. 1.12,6, или выполнять резистор   методом фотолитографии.

Меандр уступает в отношении стабильности и надежности   конструкции

типа «змейка» из-за перегрева в уголках, но он предпочтительнее с точки зрения изготовления  фотошаблонов  ипоэтому более распространен.

    Контактные площадки следует располагать   с противоположных    сторон резистора для устранения погрешностисовмещения проводящего и резистивного слоев. По этой причине придавать резисторам форму, изображенную на рис. 1.13, не рекомендуется» так как сопротивление таких резисторов зависит от точности совмещения масок и фотошаблонов (неточности при совмещении изменяют длину таких резисторов).

Рис. 1.13. Конфигурации резисторов, сопротивление которых зависит от погрешности совмещения слоев

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов. Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точностиRв условиях существующих технологических возможностей.'

Исходные данные для расчета: номинал резистораRi,Ом; допуск на номиналRi, %; мощность рассеянияPi,мВт; рабочий диапазон температурТтахTmin,°C; технологические ограничения (см. табл. 1.15); шаг координатной сетки, мм.

Порядок расчета

1. Определяют оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки:

                                 (1.1)

гдеп— число резисторов;Ri— номиналi-го резистора.

  1. Sопт .  При этом необходимо, чтобыTKRматериала был минимальным, а удельная мощность рассеянияРо— максимальной.
  2. с точки зрения точности изготовления резисторов.

Полная относительная   погрешность   изготовления   пленочного резистора

R =R/Rсостоит из суммы погрешностей:

R=Кф+s+Rt+Rст+Rк

гдеКф—погрешность коэффициента формы;s - погрешность воспроизведения величиныS резистивной пленки;Rtтемпературная погрешность;R ст— погрешность, обусловленная старением пленки;Rк—погрешность переходных сопротивлений контактов.

Погрешность коэффициента формыКфзависит от погрешностей геометрических размеров — длины / и шириныbрезистора:

кф =l/l +blb.

Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивленияs зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.

Температурная погрешность зависит отTKRRt =R(Tтах-20°С),                                            (1.2)

гдеR — температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1/° С.

ПогрешностьRсtобусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИСRсtне превышает 3%.

Погрешность переходных сопротивлений контактовRк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода: длины перекрытия контактирующих пленок, ширины резистора. ОбычноRк= 1 --2% - Если материал контактных площадок выбран в соответствии с табл. 1.4, то этой погрешностью можно пренебречь.

Допустимая погрешность коэффициента формы

YKфдоп=R+S+Rc t+R t+Rк                                                           (1.3)

Если значениеYKфдоп отрицательно, то это означает, что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшимTKR либо использовать подгонку резисторов, если позволяет технологическое оборудование.

4. Определяют конструкцию   резисторов   по значению коэффициента формыКф:

Кфi =RilS                                      (1.4)

ПриlКфilO рекомендуется конструктировать резистор прямоугольной формы, изображенный на рис. 1.12, приКфi>10 — резистор сложной формы (составной, меандр или типа «змейка», рис. 1.12,бг),при 0,lКфil—резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины. Конструировать резистор с Кфi <0,1 не рекомендуется, так как он будет иметь большие контактные площадки и занимать значительную площадь на подложке.

Если в одной схеме содержатся низкоомные и высокоомные резисторы, можно использовать два резистивных материала, для выбора которых определяютpv     сначала для всех резисторов

по формуле (1.1), после чего разбивают резисторы на две группы так, чтобыRimах первой группы было меньше,aRimimвторой группы— больше значенияsопт, вычисленного для всех резисторов. Затем по этой же формуле рассчитываютsопт1 иsопт и выбирают материалы для каждой группы резисторов в отдельности.

    5.Дальнейший расчет проводят в зависимости от формы резисторов.

Расчет прямоугольных полосковых резисторов.

Рис.1. 14.   К   расчету   резисторов типа «полоска»(а)и «меандр» (б)

Для резисторов, имеющихКф1(рис. 1.14,а, б),,сначала определяют ширину, а затем длину резистора. Расчетное значение    ширины    резисторадолжно быть не менее наибольшего значения одной из трех величин:

bрасч>mах {bтехн;bточн;bР),(1.5)

гдеbТехн — минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (см. табл. 15);bТ0Чн — ширина резистора, определяемая точностью изготовления:Ab+Al/Кф

bточн ()/Kфдоп(1.6)

(b,l— погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от метода изготовления, см. табл. 1.15);bР— минимальная ширина резистора, при

которой обеспечивается заданная мощность:

За ширинуbрезистора принимают ближайшее кbрасч большее 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. Например, если шаг координатной сетки 1 мм, масштаб 20: 1, то округление производят до величины, кратной 0,05 мм.

Далее находят расчетную длину резистора:

1рacч=bКф.(1.8)

За длинуl резистора принимают ближайшее к1рacч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба. При этом следует оценивать получающуюся погрешность и при необходимости выбирать большее значение шириныbрезистора, при котором округление длины1рacч дает приемлемую погрешность.

Определяют полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок:

1полн =l + 2е,                                           (1.9)

гдее— размер перекрытия резистора и контактных площадок (см. табл. 15).

При использовании метода двойной фотолитографииlполн=l.

Площадь, занимаемая резистором на подложке,

S = 1полн b.(1.10)

Для резисторов, имеющихКф<1,сначала определяют длину, а затем ширину резистора.

Расчетное значение длины резистора /расч выбирают из условия

lрасчmах{lтехн,lточн,1р],(1.11)

гдеlтехн — минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации (см. табл. 1.15);lточн — минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:

lточн  (l +bКф )/(1.12)

lp— минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность:

1р=                                      (1.13)

За длинуl резистора принимают ближайшее кlрасч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Расчетную ширину резистора определяют по формуле

bрасч =lф(1.14)

За ширинуbрезистора принимают ближайшее кbрасч значение, кратное шагу координатной сетки. При этом следует оценивать получающуюся погрешность и при необходимости корректировать значение длиныl резистора в большую сторону, при котором округление шириныbрасч дает приемлемую погрешность.

Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок и площадь резистора определяют соответственно по формулам (1.9) и (1.10).

Для проверки находят действительную удельную мощность и погрешность резистора. Очевидно, резистор спроектирован удовлетворительно, если:

1) удельная мощность рассеянияP0значенияРо:

P0=P/SP0(1.15)

2) погрешность коэффициента формытимого значенияKфдоп:

=l/lполн+b/bKфдоп                                            (1.16)

3)  суммарная погрешностьRне превышает допускаR

R  =s++Rt+Rk+R сТR(1.17)

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сложной формы. При конструировании резистора в виде отдельных резистив-ных полосок, соединенных   проводящими   перемычками    (см. рис.1.12, б),  сумма длин резистивных полосок должна быть равна длине, определенной по формуле1 =bКф.

Резисторы типа «меандр» (рис. 1.14, б) рассчитывают из условия минимальной площади, занимаемой резистором.

Расчет меандра проводят после определения шириныbрезистора в такой последовательности.

Определяют длину средней линии меандра;

1сp=bКф.(1.18)

Задают расстояние между резистивными полоскамиа.С учетом технологических ограничений (см. табл. 1.15) при масочном методе ; аmin = 300 мкм, при фотолитографии аmin=100 мкм (обычно задают,

a=b).

Находят шаг одного звена меандра:

t=a+b                                                                                                                    (1.19)

Определяют оптимальное число звеньев меандраnопт из условия, чтобы площадь, занимаемая резистором типа «меандр», была минимальной. Очевидно, это будет в случае, когда меандр вписывается в

квадрат(L =B).

Если отношение длины средней линии меандра к ширине резис-тивной полоски больше 10, то оптимальное число звеньев меандра может быть вычислено по приближенной формуле

(1.20)

nопт

ПриL = В(меандр квадратной формы) и а =b выражение упрощается:

nопт(1.21)

Значениеnопт  округляют до ближайшего, целого. Определяют длину меандра:

L=n(a+b)                                                    (1.22)

Вычисляют ширину меандра:

B=(1сpan)/n

(1.23)

гдеп— оптимальное число звеньев меандра, округленное до ближайшего целого.

Расстояниеавыбирают из конструктивно-технологических соображений. Например, при напылении резисторов через маску размер «mm определяется минимально возможным расстоянием между соседними щелями в маске. Для обеспечения требуемой жесткости маски оно должно удовлетворять условию

Bmax/a10.                                            (1.24)

Если это условие не выполняется, необходимо изменить расстояниеаи вновь вычислитьnопт,L, В.Для фотолитографического метода указанное условие некритично.

Приведенные расчетные соотношения не учитывают, что в резисторах типа «меандр» плотность тока в изгибах неравномерна (рис. 1.15). Это приводит к сокращению электрической длины пленочного резистора и уменьшению его сопротивления. Неравномерное распределение плотности тока наблюдается в пределах трех квадратов области изгиба (рис.1.16,а, б).

Рис.   1. 15.     РаспределениеРис.1. 16. Конструкции   изгибов пле-

плотности тока в резисторах ночных резисторов типа «меандр»:

типа «Меандр»               а - изгиб   под   прямым    углом;    б-П-об-

разный изгиб

Для приближенной оценки сопротивления меандра можно воспользоваться формулой

Rs(lср/b)=sKф

участков и изгибов:

R=Rиm +(lпn/b)s                                           (1.25)

гдеRuсопротивление изгибов;т— число изгибов,ln — длина прямолинейных участков;п— число звеньев меандра.

Для изгиба под прямым углом (рис. 16,а)Rи  = 2,55s, для П-образного изгиба (рис.16, б)Rи =4s.Отсюда длина прямолинейного участка одного звена меандра

lп= (R-mRи )b/sn                                        (1.26)

После этого корректируют размеры L и В с целью обеспечения заданного номинала резистора.

Квадратная или близкая к ней форма резистора типа «меандр» часто оказывается неудобной при компоновке пленочных элементов на подложке микросхемы, например,  из-за  отличной  от квадрата

L' = S/B'f_n.'=L'/t.

Пример расчета группы резисторов

Определить форму, геометрические размеры, метод изготовления и минимальную площадь, занимаемую резисторами на подложке, при следующих исходных данных: номиналы резисторовR1 = 6kOm,R2=1kOm,R3==100кОм, допустимое отклонение сопротивления резисторов от номиналаR1 =5%,R2,R3= 15%; мощности рассеяния Р1 = 10 мВт, Р2 = 30 мВт, Р3= 16 мВт; диапазон температур —20--100° С; погрешность воспроизведения материала резистивной» пленкиs  =2,5%; погрешность старения резистивной пленкиRcT=0,3%.

Определяем  оптимальное сопротивление   квадрата   резистивной   пленкиno-формуле (1.1):

По табл. 4 выбираем материал резистивной пленки  с ближайшим кsопт. значениемs — кермет   К-50С.   Его   параметры:s = 10 кОм/,TKR=—5Х * 10-4 1/°С; Р0 = 20 мВт/мм2.

Проверяем правильность выбранного материала. В соответствии с выражением (2) температурная погрешностьRt= 5- 10-4*80*100 = 4%, а допустима* погрешность коэффициента формы для наиболее точного резистора по (1.3)Кфдоп = 5—4—0,3—2,5<0. Это означает, что изготовление первого резистора с заданной точностью из данного материала невозможно. Необходимо выбрать другой материал с меньшей температурной погрешностью или изготовлять резисторR1с меньшей точностью и последующей подгонкой его до точности 5%.

Допустим, что по условиям производства подгонка нежелательна. Выбираем другой материал. Наименьшую температурную погрешность имеет сплав РС-3001. Его параметры:s = 2 кОм/,TKR=— 0,2-10-4 1/°С,P0=20 мВт/мм2.

Определяем температурную погрешность сплава РС-3001:Rt = 0,2-10-4ХX80*100 = 0,16%. Допустимая погрешность коэффициента формы для первого, наиболее точного резистораКфдоп1 = 5—2,5—0,16—0,3 = 2,04%. Соответственно для второго и третьего резисторовКфдоп2 = 15—2,5—0,16—0,3= 12,04%. Следовательно, сплав РС-3001 подходит для изготовления всех резисторов с заданной точностью без подгонки.

Определяем форму резисторов по коэффициенту формы (1.4): Кф1 = 3 — резисторR1прямоугольной формы типа полоски, Кф2=0,5 — резисторR2прямоугольной формы, но его длина меньше ширины, Кф3=50— резисторR3сложной формы.

Далее анализируем технологические возможности и выбираем метод формирования конфигурации резисторов.

С точки зрения технологичности все резисторы целесообразно изготовлять одним методом (см. табл. 1.15). Если метод изготовления заранее не задан, большая часть резисторов имеет прямоугольную форму и нет ограничений по площади подложки, то целесообразно выбрать масочный метод. С помощью этого метода можно изготовить резисторы типа «меандр» лишь с точностью ±20%. Поскольку по условию точность изготовления резистораR1=±5% и требуется, чтобы резисторы занимали минимальную площадь, для данного случая следует выбрать фотолитографический метод и выполнять резистор в виде меандра.

По табл. 1.15 определяем технологические ограничения для метода фотолитографииl =b = 0,01   мм,bтехн =lтехн = 0,1   мм,amin = 0,l   мм,bmin=0,l   мм.

Далее проводим расчет последовательно для каждого резистора.

Расчет  резистораR1

Расчетную ширину резистора определяем по выражениям (1.5) — (1.7):

bточн= (0,01 + 0,01/3)/0,0204= 0,654 мм,

bр1 ==0,408 мм.

С учетом округления принимаемb1 = 0,66 мм. Длина резистора по (1.8)l1 = 0,66*3= 1,98 мм. Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок (не определяется при методе двойной фотолитографии) находим по (1.9):lполн= 1,98+2*0,1 =2,18 мм. Площадь резистора по (1.10)S1 = 0,66*2,18= = 1,439 мм2.

Для проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность изготовления резистораR1по формулам (1.15) — (1.17):

P01=10/1,439 = 6,95 мВт/мм2<20 мВт/мм2,

'КФ1=(0,01/2,18)+(0,01/0,66) =

0,019<0,0204

R1= 2,5+ 0,16+ 0,3+ 1,9 = 4,86% <5%

Расчет резистораR2

Поскольку коэффициент формы резистораR2меньше единицы, расчет начинаем с определения длины по формулам (1.11) — (1.13):

lp2= =0,866 мм;lточн2 = (0,01+0,01-0,5)/0,12 = 0,125 мм;lтехн

выбираем по табл. 1.15. Для метода фотолитографииlтехн = 0,1 мм. Окончательно с учетом шага координатной сеткиl2 = 0,87 мм. Расчетная ширина по (1.14)b2=0,87/0,5= 1,74 мм. Полная длина с учетом перекрытия контактных площадокlполн2 = 0,87 + 2-0,1 = 1,07 мм. Площадь резистораS2= 1,07*1,74= 1,86мм2„ Для проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность изготовления резистораR2по формулам  (1.15) — (1.17):

P’02 = 30/1,86—16,1мВт/мм2<20 мВт/мм2,

КФ2= (0,01/1,07) + (0,01/1,74)= 0,015 < 0,12,

R2= 2,5 + 0,16 + 0,3 + 1,5 = 4,46% < 15%.

Расчет резистораR3

После определенияКфи выбора формы резистора   находим   ширину   резистораi?3 типа «меандр» по формулам (1.5) — (1.7):

bточн3=(0,01+0,01/50)/0,12=0,085 мм;bp3==0,126мм

bтехн= 0,1  ММ.

С учетом округленияb3 = 0,130 мм.

Длина средней линии меандра по (1.18)lсрз=0,13*50=6,5 мм. Задаемся расстоянием между соседними звеньями меандра. Для метода фотолитографии по табл. 15amin = 0,100 мм. Пусть а3=b3=0,13 мм. Шаг одного звена по (1.19)t=2bз=0.26 мм. Оптимальное число звеньев меандра по (1.11)nопт= = 5. Длина меандра по (1.22)L = 5*0,26=1,3 мм. Ширина меандра по (1.23)В=(6,5—0,13*5)/5= 1,17 мм.